红外双波段共焦光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种红外双波段共焦光学系统，所述系统包括：依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组、正光焦度的第四透镜组；所述第二透镜组为谐衍射元件；所述红外双波段共焦光学系统的焦距f，所述第一透镜组的焦距f1，其中，0.25＜f/f1＜0.76。本发明专利技术利用谐衍射元件的物理特性，实现了共焦面的多波段融合；通过优化各表面的面型参数和适当地选取谐衍射元件的衍射级次，设计红外双波段光学系统，使系统在宽光谱的色差得以校正，每个波段的像质都达到衍射极限，有利于光学系统的小型化；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学技术域，特别是涉及一种红外双波段共焦光学系统。
技术介绍
随着伪装技术的发展，侦察识别目标的难度也越来越大，单一波段红外探测系统获取的信息量有限，不能满足基于现代侦查背景复杂、气象条件多变的情况下对高分辨率和实时传输的需求。中、长波双波段探测可对复杂背景进行抑制，提高对目标的探测和识别效果。早期双波段探测的光学系统多为分光路或部分共光路系统。分光路系统光学设计复杂，系统体积大，可靠性低。在后期进行不同波段图像融合时，像元配准误差大，影响探测精度和容易混淆被探测目标，得到并不真实的信号强度。共光路系统能够大大提高像元配准的精度和探测距离，但是，传统的共光路光学系统设计受限于材料特性，导致系统片数多、透过率低、体积大、成本高。再加上早期的双波段红外探测器尚不成熟，所以，共光路系统并没有得到广泛的应用。随着双波段探测器的完善和光学新元件的应用，发展双波段共光路系统是实现红外探测高精度要求的必然。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种红外双波段共焦光学系统，用以解决现有技术双波段共光路系统片数多、透过率低、结构复杂、成本昂贵的问题。为解决上述技术问题，一方面，本专利技术提供一种红外双波段共焦光学系统，所述系统包括依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组、正光焦度的第四透镜组；所述第二透镜组为谐衍射元件；所述红外双波段共焦光学系统的焦距f，所述第一透镜组的焦距fl，其中，0. 25 < f/fl < 0. 76。进一步，所述第一透镜组为一片凸面朝物方的弯月型锗透镜；所述第二透镜组为一片凸面朝物方的弯月型锗透镜；所述第三透镜组为一片凸面朝物方的弯月硒化锌透镜；所述第四透镜组为一片凸面朝物方的弯月型锗透镜。进一步，第三透镜组的焦距可调。进一步，所述第二透镜组设计了谐衍射面。进一步，所述第二透镜组的谐衍射面上设计了非球面。进一步，所述第二透镜组的非球面的面型方程为 2Z =——,cr = + Ar4 + Br6 + Cr8 l+Vl-(l+k)c2r2 其中，Z为非球面矢高；(为顶点曲率半径冰为圆锥曲线系数；A、B、C分别为非球面系数；r为非球面表面上点的径向坐标。进一步，所述第二透镜组在中心波长入。发生+m级衍射时的相位方程为O = Sf r2i = 其中，CD为衍射面上的每一点的相位；N为相位方程的阶数；i为阶次；+m为衍射级次；a i为级次系数；r为衍射射面上点的径向坐标；入。为+m级衍射的中心波长化为波长、^的材料折射率；Q、C2、C3分别为衍射面系数。进一步，所述红外双波段共焦光学系统还包括一个光栏，放置在所述第四透镜组后。另一方面，本专利技术还提供一种包含上述红外双波段共焦光学系统的制冷型共焦面红外双波段探测器。进一步，所述双波段共焦光学系统的光圈与所述制冷型共焦面红外双波段探测器的光圈相同；所述双波段共焦光学系统的光栏与所述双波段共焦探测器冷光栏重合。本专利技术有益效果如下本专利技术利用谐衍射元件的物理特性，实现了共焦面的多波段融合，有利于拓展材料稀缺波段的光学系统设计自由度，仅采用常规红外材料进行设计即可；通过优化各表面的面型参数和适当地选取谐衍射元件的衍射级次，设计红外双波段光学系统，使系统在宽光谱的色差得以校正，每个波段的像质都达到衍射极限，有利于光学系统的小型化；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。附图说明图I是本专利技术实施例中的红外双波段(中波和长波)共焦光学系统的光路仿真图；图2是本专利技术实施例中谐衍射元件中波和长波双波段衍射效率图；图3是本专利技术实施例中谐衍射元件相位和环带随径向坐标的变化曲线图；图4是本专利技术实施例中3. 5 4. 7 ii m(中波)波段在特征频率处的传递函数图；图5是本专利技术实施例中7 10 ii m(长波)波段在特征频率处的传递函数图；图6是本专利技术实施例中中波波段的场曲和畸变图；图7是本专利技术实施例中长波波段的场曲和畸变图。具体实施方式 为了解决现有技术双波段共光路系统片数多、透过率低、结构复杂、成本昂贵的问题，本专利技术提供了一种红外双波段共焦光学系统，以下结合附图以及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术。如图I所示，本专利技术实施例涉及一种红外双波段共焦光学系统(以下简称光学系统)，包括具有正光焦度的第一透镜组G1、正光焦度的第二透镜组G2、负光焦度的第三透镜组G3、正光焦度的第四透镜组G4。光焦度是焦距的倒数，正光焦度就是正焦距的倒数，即正光焦度表明是正透镜；负光焦度就是负焦距的倒数，即负光焦度表明是负透镜。光学系统满足下列条件0. 25 < f/fl < 0. 76，其中，f 为光学系统的焦距；fl为第一透镜组Gl的焦距。其中，红外双波段共焦是指两个波段焦面在一个平面上。其中，第一透镜组Gl包括正光焦度的第一透镜，而第一透镜为一片凸面朝物方的弯月型锗透镜。由于第一透镜组Gl仅有一片透镜，且焦距满足0. 25 < f/fl < 0. 76，在保证光学系统的焦距前提下，使光学系统结构更紧凑、加工更简单。第二透镜组G2包括正光焦度的第二透镜。具体而言，第二透镜为谐衍射元件，由凸面朝物方的弯月型锗透镜加工而成。第三透镜组G3包括负光焦度的第三透镜，其中，第三透镜为一片凸面朝物方的弯月硒化锌透镜。第三透镜组G3的焦距可调，即在光线传输方向上可以前后移动，这样，就可以依靠其整体平移来实现对不同物方距离的目标清晰成像的功能。具体方式是当目标由无穷远扩展到近距离时，第三透镜向物方空间方向移动。第四透镜组G4包括正光焦度的第四透镜，其中，第四透镜为一片凸面朝物方的弯月型锗透 镜。本实施例中，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4均采用一片透镜，但并不限于仅使用一片透镜，也可以通过多片透镜来实现上述功能。在本实施例中，为了平衡两个波段的色差，在第二透镜上设计了谐衍射面；此外，为了改善系统球差、象散和场曲，同时不增加加工成本，在第二透镜的谐衍射面上设计了非球面。本实施例的光学系统还包括一个光栏Cl，放置在第四透镜组G4后，与双波段共焦探测器冷光栏重合，以实现100%的冷光栏效率。本实施例的双波段共焦光学系统适用于制冷型共焦面红外双波段探测器。光学系统的光圈F与适用的制冷型共焦面红外双波段探测器的光圈相同。当光学系统应用于制冷型共焦面红外双波段探测器时，光栏Cl与双波段共焦探测器冷光栏重合，光栏Cl与双波段共焦探测器冷光栏为同一个部件。如图I所示，工作于本专利技术波段的光线，光线经过共同透镜组G1，在透镜组G2的谐衍射面上被衍射再聚焦，然后通过透镜组G3和透镜组G4会聚，再被孔径光栏Cl约束光束口径，将中波和长波两个波段的分立波长分别成像在共同的探测器焦面上。其中，第一透镜在设计的中波波段的光焦度为(pi ,色散因子为丫1 ,在长波波段的光焦度为Cpl色散因子为W ;第二透镜，在设计的中波波段的光焦度为cp€，色散因子为W，在长波波段的光焦度为Cp-,色散因子为^ ;第三透镜，在设计的中波波段的光焦度为Cpf ,色散因子为在长波波段的光焦度为Cpi，色散因子为Yi;第四透镜，在设计的中波波段的光焦度为c本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琳，贺谊亮，张兴德，李荣刚，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十一研究所，
类型：发明
国别省市：