含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统技术方案

含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统属于光学成像技术领域。现有技术成像波段窄。在本发明专利技术中，主镜、副镜沿成像系统光轴排列；在所述主镜的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面、环带形二次反射镜面、圆形四次反射镜面；在主镜的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面、环带形三次反射镜面、圆形折衍射镜面；所述折射镜面及各反射镜面的面型均为高次非球面；各高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上；圆形折衍射镜面沿成像系统光轴沉陷于主镜的内部；副镜进光一侧为折衍射镜面，出光一侧为折射镜面，面型为平面；圆形折衍射镜面与折衍射镜面相距0.05～0.1mm；所述主镜、副镜的材料为精密模压玻璃。本发明专利技术成像波段为0.45～1.1μm。

【技术实现步骤摘要】
含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统
本专利技术涉及一种含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统，该成像系统结构紧凑且成像质量高，属于光学成像

技术介绍
随着国民经济和国防工业的发展，人们对宽波段成像系统的需求越来越迫切，因为这类成像系统具有高目标识别率和较强的环境适应性。然而，现有宽波段成像系统随着成像波段的拓宽，具有宽波段及高透过率的光学材料可选余地减小，在光学设计中难以兼顾成像质量和成像系统结构，如果能够达到所需宽波段成像质量，成像系统的透镜数量就会增多，结构愈加复杂，尺寸加大，重量加重。而在侦察用无人机、导弹导引头光学系统和微纳卫星遥感等领域，需要光学系统尽可能紧凑小巧轻量化，同时能够宽波段、高分辨率成像，再就是能够低成本批量化制造，这成为光学设计领域的一项重要课题。于是，现有技术通过对传统反射系统的扩展得到环形孔径超薄成像系统。首先，该成像系统通过增加反射次数从而显著减小成像系统的轴向尺寸，以超薄的形式实现光学成像系统的小型化和轻量化；其次，对所述环形孔径超薄成像系统中的不同环带形反射面的面型进行调整，能够有效减小光学成像系统的初级和高级像差，从而提高成像质量；第三，辅以非球面加工和检测技术，使环形孔径超薄成像系统的批量化生产成为可能。然而，现有环形孔径超薄成像系统的工作波段较窄，通常在可见光波段，而且所选用的透镜材料均为CaF2晶体，虽然CaF2透镜色散小，成像质量高，工作波段宽(0.25～7μm)，但是，其可加工性差，不利于批量生产。例如：一篇题为“Ultrathincamerasusingannularfoldedoptics”(EricJ.Tremblay,RonaldA.Stack,RickL.Morrison,JosephE.Ford.AppliedOptics[J],2007,46(04):463～471.)给出了一种具有8次反射成像过程的环形孔径光路折叠型超薄透镜，焦距为35mm，有效口径为27mm，系统总长仅为5mm，光学系统仅由单个光学元件充任，结构紧凑，该超薄透镜的一个表面为平面反射面，另一个表面为环带非球面反射面，在不同的环带反射区域有不同的面型，也就是虽然都是非球面，但是种类、参数不同。尽管如此，该超薄透镜仍有其不足，如倍率色差十分明显，如果用于可见-近红外宽波段，其成像质量太差；此外，该超薄透镜的镜体材料就是氟化钙(CaF2)晶体。一篇题为“基于环型孔径超薄透镜的微光学标签接收系统”(戈兰,梁忠诚.光学学报[J].2015,35(12):1222001-1～1222001-6.)的文章给出一种大孔径、超薄的微光学标签接收系统，该接收系统是一个4次折返环型孔径透镜，有效焦距长达36mm，镜头厚度只有7.6mm，同时具有较大的孔径，用于移动通信终端(手机)中，能够远距离接收微光学标签。但是，该接收系统的工作波段仅为可见光波段，未能满足该领域对近红外成像的现实需求；该透镜的镜体材料也是CaF2。公告号为CN101581828A的一件中国专利技术专利申请公开了一项名称为“环形孔径超薄光学成像系统”的技术方案。该方案包括平板镜头和补偿器两大部分；平板镜头前表面为平面反射镜，后表面为处于同一基底上的四个同轴环形高次非球面反射镜，前后表面之间为空气；补偿器由三块透镜组成，依次为正光焦度的第一块透镜、负光焦度的第二块透镜和正光焦度的第三块透镜。该成像系统能保持良好成像质量。但是，该成像系统除了平板镜头还增加了三块补偿透镜，平板镜头前表面、后表面由空气相隔，因此，该成像系统整体结构松散、复杂；此外，该成像系统的工作波段非常窄，即486～656nm。公告号为CN109407290A的一件中国专利技术专利申请公开了一项名称为“折叠式超薄光学成像系统”的技术方案。成像系统镜头前表面为平面反射镜，镜头后表面为环形非球面反射镜。由于像面与镜头后表面保持一段距离，因此，该成像系统不易受外界杂散光干扰，且装配时可以通过移动位于像面的探测器来补偿制造公差。但是，该成像系统的视场较小，工作波段无法包括0.45～1.1μm这样的可见-近红外宽波段；此外，由于像面与超薄光学成像系统明显分离，成像系统与探测器的距离较大，因此，虽然该成像系统具有超薄的特点，但是，采用该成像系统装配的成像探测系统体积较大。
技术实现思路
为了获得一种能够在可见-近红外宽波段成像、成像质量高、结构紧凑、镜体超薄、易于加工制造、系统的轴向尺寸与系统焦距之比小的光学成像系统，我们专利技术了一种含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统。本专利技术之含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统其特征在于，如图1所示，主镜1、副镜2自光的入射至出射方向沿成像系统光轴排列；如图1、图2所示，在所述主镜1的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面3、环带形二次反射镜面4、圆形四次反射镜面5；在主镜1的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面6、环带形三次反射镜面7、圆形折衍射镜面8；所述环带形折射镜面3、环带形二次反射镜面4、圆形四次反射镜面5、环带形一次反射镜面6、环带形三次反射镜面7的面型均为高次非球面，高次非球面的方程为：式中，z为高次非球面矢高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，A、B、C、D、…为非球面系数；所述各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上；环带形折射镜面3镀有可见-近红外增透膜，环带形二次反射镜面4、圆形四次反射镜面5、环带形一次反射镜面6、环带形三次反射镜面7镀有可见-近红外反射膜；圆形折衍射镜面8沿成像系统光轴沉陷于主镜1的内部；如图1、图3所示，副镜2进光一侧为折衍射镜面9；副镜2出光一侧为折射镜面10，面型为平面；圆形折衍射镜面8与折衍射镜面9的面型均为凹球面，曲率半径相等，相距0.05～0.1mm；所述主镜1、副镜2的材料均为精密模压玻璃，主镜1精密模压玻璃的折射率为1.45<nd<1.55、阿贝数为63<νd<85，副镜2精密模压玻璃的折射率为1.7<nd<2.02、阿贝数为20<νd<42。本专利技术其技术效果表现在以下各方面。如图1所示，本专利技术之含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统的光阑位于环带形折射镜面3处；成像光束通过环带形折射镜面3折射入射主镜1，在环带形一次反射镜面6处第一次反射，在环带形二次反射镜面4处第二次反射，在环带形三次反射镜面7处第三次反射，在圆形四次反射镜面5处第四次反射，再从圆形折衍射镜面8折衍射出射。高次非球面多次反射成像，能够明显减小成像像差，同时，折叠的光路设计能够使得光学结构紧凑小巧，体积减小，重量减轻。圆形折衍射镜面8与折衍射镜面9相隔构成一个分离型多层衍射光学结构，自主镜1出射的光在通过副镜2成像于像面的过程中，宽波段色差能够得到大幅校正，在进一步提高成像质量的同时简化了成像系统结构。再加上由于成像光学系统的各个组成部分高度集成，圆形折衍射镜面8沿成像系统光轴沉陷于主镜1的内部，系统的轴向尺寸与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统，其特征在于，主镜(1)、副镜(2)自光的入射至出射方向沿成像系统光轴排列；在所述主镜(1)的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面(3)、环带形二次反射镜面(4)、圆形四次反射镜面(5)；在主镜(1)的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面(6)、环带形三次反射镜面(7)、圆形折衍射镜面(8)；所述环带形折射镜面(3)、环带形二次反射镜面(4)、圆形四次反射镜面(5)、环带形一次反射镜面(6)、环带形三次反射镜面(7)的面型均为高次非球面，高次非球面的方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种含有多层衍射结构的环形孔径超薄宽波段成像系统，其特征在于，主镜(1)、副镜(2)自光的入射至出射方向沿成像系统光轴排列；在所述主镜(1)的进光一侧，自周围至中间依次分布环带形折射镜面(3)、环带形二次反射镜面(4)、圆形四次反射镜面(5)；在主镜(1)的出光一侧，自周围至中间依次分布环带形一次反射镜面(6)、环带形三次反射镜面(7)、圆形折衍射镜面(8)；所述环带形折射镜面(3)、环带形二次反射镜面(4)、圆形四次反射镜面(5)、环带形一次反射镜面(6)、环带形三次反射镜面(7)的面型均为高次非球面，高次非球面的方程为：



式中，z为高次非球面矢高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，A、B、C、D、…为非球面系数；所述各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上；环带形折射镜面(3)镀有可见-近红外增透膜，环带形二次反射镜面(4)、圆形四次反射镜面(5)、环带形一次反射镜面(6)、环带形三次反射镜面(7)镀有可见-近红外反射膜；圆形折衍射镜面(8)沿成像系统光轴沉陷于主镜(1)的内部；副镜(2)进光一侧为折衍射镜面(9)；副镜(2)出光一侧为折射镜面(10)，面型为平面；圆形折衍射镜面(8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴明旭，张博，崔庆丰，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22