一种双波段透射式光学系统

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种薄膜衍射镜，更具体涉及一种利用薄膜衍射镜实现激光红外双波段的激光红外复合成像系统。

背景技术：

大视场高分辨率的红外相机是空基对地遥感的重要载荷。大视场红外相机能覆盖宽阔的监视区域，提高相机的空间分辨率，能够提供目标更为准确的位置、姿态和几何形状信息。红外成像系统分辨率受到口径的限制，想要提高分辨率，需要增大光学系统的口径，而实际系统中很多因素限制了口径的增加。采用相干激光合成孔径成像技术可突破衍射极限，对远距离目标实现前斜视高数据率高分辨率成像。采用激光/红外主被动相结合型探测系统，采用红外系统对目标进行宽视场探测，使用激光系统对目标进行精确定位、获得目标的距离信息，多波段系统可发挥主动成像和被动成像的优势弥补各自的不足，大幅提高机载相机的侦查能力。

目前，多波段光学系统多采用反射式主次镜结构，反射式主镜及其支撑结构使得光学系统重量都较大，口径和重量无法调和，并且反射镜的面型公差要求通常比透镜更为严格，反射式系统装调时对装调公差的要求也比透镜更为严格。

技术实现要素：

本发明为了减轻光学系统重量，降低对主镜面型和装调公差的要求，大大降低加工、装调难度，提出了一种利用薄膜衍射镜作为主镜，采用薄膜分色镜代替常规平行平板分色镜的激光红外复合成像系统。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种双波段透射式光学系统，包括：带有刻画结构的薄膜衍射主镜和与薄膜衍射主镜共轭，带有刻画结构的衍射透镜；

薄膜衍射主镜的刻画结构使经过薄膜衍射主镜的激光光束和i波段光束的衍射效率为1；

衍射透镜的刻画结构使衍射透镜与薄膜衍射主镜具有相同的色散、相反的光焦度，用于校正薄膜衍射主镜产生的像差。

优选地，i波段光束为短波红外波段，中波红外波段或者长波红外波段。

优选地，薄膜衍射主镜的衍射面为连续型菲涅尔面。

优选地，激光光束中心波长与i波段光束的中心波长成整数比。

优选地，薄膜衍射主镜前后表面均为平面，靠近出射方向的后表面具有刻画结构。

优选地，衍射透镜靠近入射方向的前表面为带有刻画结构的凸面，靠近出射方向的后表面为平面。

优选地，还包括沿入射光轴方向，置于薄膜衍射主镜和衍射透镜之间的薄膜分色镜；薄膜分色镜将经薄膜衍射主镜衍射的光分为激光光束和i波段光束。

优选地，薄膜分色镜的口径为80mm，厚度为微米量级，反射激光光束，透射i波段光束。

优选地，还包括用于对短波段光束进行成像的激光成像模块和对i波段光束进行成像的波段i成像模块。

优选地，衍射透镜位于波段i成像模块内，波段i镜组件还包括用于折叠光路的第一折转镜和第二折转镜。

本发明能够取得以下技术效果：

1、采用衍射薄膜透镜作为主镜，减小了光学系统的体积和重量，薄膜衍射主镜的光焦度仅与其表面微结构有关，与厚度无关，采用低密度聚酰亚胺材料，其重量仅为相同口径下反射镜的百分之一。

2、采用谐衍射的设计原理，可以对多个波段具有相同的衍射效率，其衍射理论值可以达到100％。

3、采用薄膜分色镜，对多波段的光束进行分束，减小了传统分束棱镜所带来的能量损失，同时减小了光学系统的体积和重量。

4、本专利所设计的波段i成像模块可以将红外波段扩展的更宽，通常采用谐衍射薄膜镜的系统，波段只有几十纳米，而本发明有400nm宽。

附图说明

图1是本发明一个实施例的激光红外复合成像系统示意图；

图2是本发明一个实施例的激光红外复合成像系统光路图；

图3是本发明一个实施例的薄膜衍射主镜衍射环带布示意图；

图4是图3的局部放大图；

图5是本发明一个实施例的薄膜衍射主镜的衍射效率曲线图；

图6是本发明一个实施例的衍射透镜主镜的衍射效率曲线图；

图7是图6的局部放大图；

图8是本发明一个实施例的波段i成像模块的调制传递函数曲线图；

图9是本发明一个实施例的激光成像模块的调制传递函数曲线图。

附图标记：

薄膜衍射主镜1、薄膜分色镜2、

激光成像模块3、第一激光透镜31、第二激光透镜32、第三激光透镜33、激光焦面34、

波段i成像模块4、第一折转镜41、第二折转镜42、第一红外透镜43、第二红外透镜44、第三红外透镜45、第四红外透镜46、第五红外透镜47、长波红外焦面48、

衍射透镜5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种有效地减小多波段复合成像光学系统的体积和重量的，能够同时针对激光波段和短波、中波以及长波红外波段进行成像的系统。下面将对本发明提供的一种双波段透射式光学系统，通过具体实施例来进行详细说明。

如图1示出的光学系统组成，包括带有刻画结构的薄膜衍射主镜1和与薄膜衍射主镜1的刻画结构相匹配的，同样带有刻画结构的衍射透镜5，其中，薄膜衍射主镜1和衍射透镜5共轭。

选用薄膜衍射主镜1作为主镜，利用谐衍射的成像原理，可以使不同波段的光束具有相同的衍射效率，并且薄膜衍射主镜1的衍射面为连续型菲涅尔面，通过合理地设置薄膜衍射主镜1的刻画结构，可以使其在设计波长处的衍射效率理论值达到100％，同时，使得薄膜衍射主镜1的光焦度仅与刻画结构有关，与透镜厚度无关，从而减轻了整个光学系统的重量。

衍射透镜5的刻画结构使衍射透镜5与薄膜衍射主镜1具有相同的色散、相反的光焦度，能够校正薄膜衍射主镜1产生的像差，无需引入其它透镜对薄膜衍射主镜1的像差进行校正，由此减小整个光学系统的重量。

在本发明的一个优选实施例中，结合图2示出的光学系统光路图，以入射光束为激光-长波红外光束为例，其中激光光束波长为1.064μm，长波红外光束中心波长为10.64μm。激光、长波红外光束通过薄膜衍射主镜1形成会聚光路，激光中心波长与长波红外光束的中心波长之比为1：10，激光-短波红外光束与激光-中波红外光束设计方法相同，仅以激光-长波红外光束为例。

薄膜衍射主镜1采用聚酰亚胺材料，厚度约20μm，口径为20mm，其重量仅为相同口径下透镜的百分之一。薄膜衍射主镜1前后表面均为平面，其中后表面具有刻画结构。

薄膜衍射主镜1利用谐衍射原理，其衍射面为连续型菲涅尔面，薄膜衍射主镜1的环带高度通常为普通衍射透镜的p倍，薄膜衍射主镜1的面型分布可由矢高和环带半径位置表示，矢高由下式表示：

其中，λ0为设计波长1.064μm；

n为薄膜衍射主镜1的折射率；

p＝10；

为薄膜衍射主镜1衍射刻画面的相位函数；

其中，an为相位系数。

在本发明的一个实施例中，取n＝6，则有：

a1＝-1.9303，a2＝2.1448×10^-5，a3＝-4.765×10^-10，

a4＝1.3175×10^-14，a5＝-3.8720×10^-19，a6＝8.7426×10^-24。

通过上式可计算得到刻画深度为17.73μm，最小线宽为28.77μm。

薄膜衍射主镜1的面型分布图如图3所示，为了方便看清，将其局部放大，如图4所示。

衍射效率计算公式为：

其中，m为衍射级次；

λ为工作波长；

激光光束1.064μm和长波红外光束中心波长10.64μm分别对应的衍射级次为10级和1级，根据公式(3)可以计算出在激光波长1.064μm处衍射效率约为100％，在10.44～10.84μm长波红外波段处衍射效率大于99.89％，由此，薄膜衍射主镜1在激光光束1.064μm、长波红外光束10.44μm-10.84μm处均具有较高的衍射效率，衍射效率曲线如图5所示。

在本发明的一个优选实施例中，衍射透镜5靠近入射方向的前表面为带有刻画结构的凸面，靠近出射方向的后表面为平面，其位置与薄膜衍射主镜1共轭，凸面上带有刻画结构，使衍射透镜5与薄膜衍射主镜1具有相同的色散、相反的光焦度，可以有效地校正薄膜衍射主镜1产生的像差，同时平面的设计可以很好的保证其安装时的定位精度。

衍射透镜5的面型分布可由矢高和环带半径位置表示，将刻画结构叠加到凸面面型上，可得矢高：

其中，c为衍射透镜5凸面曲率；

k为衍射透镜5凸面的二次项系数；

λ0为设计波长10.64μm；

n为衍射透镜5的折射率；

为衍射透镜5刻画面的相位函数，由下式获得：

其中，an为相位系数。

在本发明的一个实施例中，取n＝8，则有：

a1＝8.2261，a2＝-2.1750×10^-3，a3＝6.3270×10^-7，a4＝1.8915×10^-10，a5＝-8.1260×10^-13，a6＝9.2375×10^-16，a7＝-5.1520×10^-19，a8＝1.1692×10^-22。

衍射透镜5的凸面矢高分布图如图6所示，方便看清，将其局部放大，如图7所示。衍射效率计算方法与薄膜衍射主镜1计算方法一致，通过计算可得衍射透镜5在10.44～10.84μm长波红外波段处衍射效率大于99.89％。

继续参照图1，还包括一个沿入射方向，置于薄膜衍射主镜1和衍射透镜5之间的薄膜分色镜2；薄膜分色镜2与薄膜衍射主镜1和衍射透镜5同轴，将经薄膜衍射主镜1衍射的光分为激光光束和i波段光束。

在本发明的一个优选实施例中，以i波段光束为长波红外光束为例，经由薄膜衍射主镜1会聚的激光和i波段光束经过一个薄膜分色镜2进行分光，薄膜分色镜2的口径为80mm，厚度为20μm，采用低密度材料，重量仅为传统分色镜的百分之一，厚度为常规平行平板分色镜的百分之一(常规平行平板分色镜厚7mm左右)；并且表面镀多层膜，对1.064μm激光波长具有99.5％高反射率，对10.44～10.84μm长波红外波段具有99％的高透过率，薄膜分色镜2将入射光束分为一路激光光束和一路长波红外波段光束。

在本发明的另一个优选实施例中，将经由薄膜分色镜2入射的分为一路激光和一路长波红外波段的光束分别引入激光成像模块3和波段i成像模块4。经由薄膜分色镜2反射后的激光光束经由激光成像模块3进行光束压缩、像差校正、光束会聚，最终聚焦到激光焦面34上；经薄膜分色镜2透射的长波红外光束经波段i成像模块4进行光路压缩、像差补偿，最终会聚在长波红外焦面48上。

继续参照图1，波段i成像模块4包括两个用于折转光路，减小光学系统体积的第一折转镜41、第二折转镜42。

在本发明的一个优选实施例中，激光成像模块3包括用于对激光光束进行压缩的第一激光透镜31、用于对激光光束进行像差校正的第二激光透镜32以及用于对激光光束进行会聚成像到激光焦面34上的第三激光透镜33；

波段i成像模块4还包括用于压缩光路、传递光束的第一红外透镜43、第二红外透镜44和第三红外透镜45以及用于将光束会聚到红外焦面上的第四红外透镜46与第五红外透镜47。

经薄膜分色镜2透射的长波红外光束经第一红外折转镜41进行折转，后经第一红外透镜43、第二红外透镜44、第三红外透镜45进行光路压缩，再经由衍射透镜5进行像差补偿后，由第二红外折转镜42进行转折光路，最后通过第四红外透镜46、第五红外透镜47将长波红外光束会聚到长波红外焦面48上进行成像。

图8和图9分别为激光和红外成像模块的调制传递函数曲线图，激光成像模块3视场为±0.07°，可实现相对孔径为1/4的激光雷达成像功能，波段i成像模块4系统相对孔径为1，成像视场可达到±3°。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。