专利名称：用双层谐衍射元件的红外光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外成像光学系统，特别是应用在空间和军事高精度探测中实现对中红外和热红外波段的探测，属于先进的第三代红外双波段探测光学系统。
背景技术：
目前军用或者空间红外探测器一般工作在3～5μm中红外或者8～14μm热红外单一波长大气窗口，例如英、法联合研制的“沙漠阴影”远程空地导弹，其工作波段是3.7-4.8μm；美国用于BAT反坦克导弹则工作在热红外波段。探测器获得的目标图像是一个灰度图，通过灰度差来区分目标和背景。随着军事伪装技术的提高以及背景环境的复杂化，适合更高探测精度要求的双波段探测成为红外探测的首选。双波段探测不仅能提供单波段的灰度差，而且能提供不同波段热图像的“颜色差”，因此具有更高的目标识别率。谐衍射透镜可以在不同离散波长处获得相同的光焦度，利用这个特性可以实现光学系统的多波段探测。但单层衍射元件只在设计波长衍射效率最高，理论上衍射效率能达到100％，随着波长相对设计波长向两侧偏离，主衍射级次的衍射效率逐渐下降，(且随着位相调制厚度的增加其衍射效率随波长的下降更甚)次衍射级次的衍射能量弥散在主衍射级次的像面上，影响了像面的对比度，降低了系统在宽波场的探测精度。因此要提高含有谐衍射元件双波段光学系统在设计波段各个波长下的衍射效率。
Petzval摄像物镜具有大的相对孔径，适应现代光电摄像在红外单波段对光学系统的要求，在红外光学系统的设计中得到了广泛的应用，但单一波段已经不适于现代空间和军事探测的高精度需求。
发明内容
本发明首先不增加Petzval物镜系统折射透镜片数的条件下引入单层谐衍射浮雕面型，设计了一个工作波段范围在3.4～4.2μm和8～11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统，其设计目标是视场角5°，F#为1.5，焦距90mm。
其次，为克服单层谐衍射元件系统的衍射效率的困难，将双层谐衍射元件引入到系统中，以改善宽波段内的衍射效率，设计了一个工作波段范围在3.4～4.2μm和8～11μm的红外双波段双层谐衍射光学系统，其设计目标是视场角5o，F#为1.5，相对口径1.5，焦距90mm。
本发明具体的技术方案红外双波段单层谐衍射光学系统包括折射透镜、折射/谐衍射混合透镜、探测平面，其特点是在折射透镜1-11的后面放置折射/谐衍射混合透镜1-12，同光轴上依次安置有折射透镜1-9、1-10、1-11、折射/谐衍射混合透镜1-12、探测平面1-13，折射/谐衍射混合透镜的后表面制备谐衍射浮雕面型1-8，放在靠近探测平面的一侧，其前面是折射面1-7。
红外双波段双层谐衍射光学系统包括折射透镜、双层折射/谐衍射透镜、探测平面，其特点是在折射透镜2-13的后面放置双层折射/谐衍射混合透镜2-14，同光轴上依次安置有折射透镜2-11、2-12、2-13、双层折射/谐衍射混合透镜2-14、探测平面2-15。双层谐衍射透镜的相对面制备谐衍射浮雕面型2-8、2-9，两个谐衍射面底部对底部，顶部对顶部紧密结合在一起，其前面是折射面2-7，后面是折射面2-10。
本发明的有益效果在红外双波段单层谐衍射光学系统中采用折射/谐衍射混合透镜，利用谐衍射元件可以使不同分立波长的光具有相同的光焦度、谐振波长和设计波长衍射效率相同的特性，能使两个波段的光谱不分开，使之共面，并能在两个波段范围内分别校正系统的初级色差和色球差。突破传统光学系统的许多局限，满足了中红外和热红外双波段的高精度探测要求。利用双层衍射元件可以提高衍射元件在各个波长上的衍射效率的特性，在红外双波段系统中采用双层折射/谐衍射混合透镜，使得光学系统在宽光谱范围内的衍射效率得到极大的改善，中红外和热红外两个探测波段各个波长的衍射效率均能达到90％以上，提高了像面对比度，完善了成像质量。本发明为传统红外单波段Petzval物镜在双波段探测的应用提供了一种新的思想和概念。
图1是本发明红外双波段单层谐衍射光学系统结构示意2是本发明红外双波段单层谐衍射光学系统在3.4～4.2μm波段的MTF曲线图3是本发明红外双波段单层谐衍射光学系统在8～11μm波段的MTF曲线图4是本发明红外双波段单层谐衍射光学系统在3.4～4.2μm波段的衍射效率曲线图5是本发明红外双波段单层谐衍射光学系统在8～11μm波段的衍射效率曲线图6是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统结构示意7是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统中双层谐衍射结构示意8是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统在3.4～4.2μm波段的MTF曲线图9是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统在8～11μm波段的MTF曲线图10是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统在3.4～4.2μm波段的衍射效率曲线图11是本发明红外双波段双层谐衍射光学系统在8～11μm波段的衍射效率曲线其中1-1、折射面 1-2、折射面1-3、折射面 1-4、折射面 1-5、折射面 1-6、折射面 1-7、折射面 1-8、谐衍射浮雕面型 1-9、折射透镜 1-10、折射透镜 1-11、折射透镜 1-12、折射/谐衍射混合透镜 1-13、探测平面。2-1、折射面 2-2、折射面2-3、折射面 2-4、折射面 2-5、折射面 2-6、折射面 2-7、折射面 2-8、谐衍射浮雕面型 2-9、谐衍射浮雕面型 2-10、折射面 2-11、折射透镜 2-12、折射透镜 2-13、折射透镜 2-14、双层折射/谐衍射混合透镜 2-15、探测平面。
具体实施例方式
本发明的第一个系统是红外双波段单层谐衍射光学系统，包括折射透镜、折射/谐衍射混合透镜、探测平面，其特征是在折射透镜1-11的后面放置折射/谐衍射混合透镜1-12，同光轴上依次安置有折射透镜1-9、折射透镜1-10、折射透镜1-11、折射/谐衍射混合透镜1-12、探测平面1-13，折射/谐衍射混合透镜的前表面是折射面1-7，制备的谐衍射浮雕面型1-8放在靠近探测平面1-13的一侧。
透镜组整体是一个Petzval类型物镜系统，前组由凸透镜1-9和凹透镜1-10构成，后组由凹透镜1-11和折/衍混合透镜1-12构成。
折射/谐衍射混合透镜的前表面1-7为球面，后表面1-8为谐衍射浮雕面型；谐衍射浮雕面型1-8的基底可以为平面、球面或非球面。
折射透镜、折射/谐衍射混合透镜材料可以选择在波段范围3.4～4.2μm和8～11μm透过率高的材料中任意两种的组合。
本发明的第二个系统为红外双波段双层谐衍射光学系统，包括折射透镜、折射/谐衍射混合透镜、探测平面，其特征是在折射透镜2-13的后面放置双层折射/谐衍射混合透镜2-14，同光轴上依次安置有折射透镜2-11、折射透镜2-12、折射透镜2-13、双层折射/谐衍射混合透镜2-14、探测平面2-15，双层折射/谐衍射混合透镜的前表面是折射面2-7，后表面是折射面2-10，中间谐衍射浮雕面型2-8、2-9相对底部对底部，顶部对顶部紧密结合。
透镜组整体是一个Petzval类型物镜系统，前组由凸透镜2-11和凹透镜2-12构成，后组由凹透镜2-13和双层折/衍混合透镜2-14构成。
双层折射/谐衍射混合透镜的前表面2-7为球面，后表面2-10球面；谐衍射浮雕面型2-8、2-9的基底可以为平面、球面或非球面。
在波段范围3.4～4.2μm和8～11μm内，折射透镜材料可以选择透过率高的任意材料组合，双层折射/谐衍射混合透镜第一和第二层材料分别为高折射率低色散、低折射率高色散材料。例如本例中第一层基底材料为ZnSe，第二层基底材料为SRF2。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明图1是本发明第一个系统红外双波段单层谐衍射光学系统的结构示意图。
本发明工作时，当波段3.4-4.2μm和8-11μm的光线通过前组的折射透镜1-9、1-10后，光线产生球差、慧差、场曲和色差等一系列像差，通过后组负光焦度的折射透镜1-11，校正一部分球差、慧差、场曲等像差，再通过具有正光焦度的折射/谐衍射混合透镜，完成光焦度的分配。谐衍射面1-8校正两个波段上的色差，由于谐衍射的作用，两个波段的光谱不分开，使之具有共同的像面。后组中光焦度为负的折射透镜1-11的主要作用是增大系统的通光孔径。所以从图1所示的Petzvcal类型物镜镜出来会聚在探测面上的光线成像质量良好。
谐衍射浮雕面型1-8的基底可以为平面或球面或非球面，在图所示结构中基底选择为球面。在折射/衍射混合透镜1-12的两个表面分别制备折射面1-7和谐衍射浮雕面型1-8。
折射透镜1-9、1-10、1-11、折射/谐衍射混合透镜1-12的材料可以选择在波段范围3.4～4.2μm和8～1μm透过率高的材料中任意两种的组合。
图6是本发明第二个系统红外双波段双层谐衍射光学系统的结构示意图。
本发明工作时，当波段3.4-4.2μm和8-11μm的光线通过前组的折射透镜2-11、2-12后，光线产生球差、慧差、场曲和色差等一系列像差，通过后组负光焦度的折射透镜2-13，校正一部分球差、慧差、场曲等像差，再通过具有正光焦度的双层折射/谐衍射混合透镜2-14，完成光焦度的分配。双层谐衍射面2-8、2-9校正两个波段上的色差，由于谐衍射的作用，两个波段的光谱具有共同的像面，并将衍射效率提高到90％以上。后组中光焦度为负的折射透镜2-13的主要作用是增大系统的通光孔径。所以从图1所示的Petzval类型物镜镜出来会聚在探测面上的各波段光线汇聚良好，对比度高，成像清晰。
双层谐衍射浮雕面型2-8、2-9的基底可以为平面或球面或非球面，在图所示结构中基底选择为球面。在折射/衍射混合透镜2-14的两个外表面制备折射面2-7、2-8，两个内部紧靠表面分别制备谐衍射浮雕面型2-8、2-9。
折射透镜2-11、2-12、2-13、折射材料可以选择在波段范围3.4～4.2μm和8～11μm透过率高的材料中任意两种的组合。双层折射/谐衍射混合透镜的材料第一层和第二层材料分别为波段范围3.4～4.2μm和8～11μm中的高折射率低色散、低折射率高色散材料。例如本例中第一层基底材料为ZnSe，第二层基底材料为SRF2。
权利要求
1.基于Petzval物镜基础上的红外双波段单层谐衍射光学系统和红外双波段双层谐衍射光学系统两个系统。红外双波段单层谐衍射光学系统包括折射透镜、折射/谐衍射混合透镜、探测平面，其特征是在折射透镜1-11的后面放置折射/谐衍射混合透镜1-12，同光轴上依次安置有折射透镜1-9、折射透镜1-10、折射透镜1-11、折射/谐衍射混合透镜1-12、探测平面1-13，折射/谐衍射混合透镜的后表面制备谐衍射浮雕面型1-8，放在靠近探测平面的一侧，其反面是折射面1-7。红外双波段双层谐衍射光学系统包括折射透镜、双层折射/谐衍射混合透镜、探测平面，其特征是在折射透镜2-13的后面放置双层折射/谐衍射混合透镜2-14，同光轴上依次安置有折射透镜2-11、折射透镜2-12、折射透镜2-13、双层折射/谐衍射混合透镜2-14、探测平面2-15，双层折射/谐衍射混合透镜的前后表面2-7、2-9可以是平面，球面或者非球面，谐衍射浮雕面型2-8、2-9具有相同环带间距，底部对底部、顶部对顶部紧密结合在一起。
2.根据权利要求1所述红外双波段单层谐衍射光学系统，其特征是折射透镜1-9是凸透镜，折射透镜1-10、1-11是凹透镜；折射透镜2-11是凸透镜，折射透镜2-12、2-13是凹透镜。
3.根据权利要求1红外双波段单层谐衍射光学系统，其特征是折射/谐衍射混合透镜1-12的前表面1-7为球面，后表面1-8为谐衍射面；谐衍射浮雕面型1-8的基底可以为平面、球面或非球面。
4.根据权利要求1红外双波段单层谐衍射光学系统，其特征是折射透镜、折射/谐衍射混合透镜材料可以选择在波段范围3.4-4.2μm和8-11μm透过率高的材料中任意两种的组合。
5.根据权利要求1红外双波段双层谐衍射光学系统系统，其特征是双层折射/谐衍射混合透镜前后表面2-7、2-10为球面且可以为平面、球面或非球面。谐衍射浮雕面型2-8、2-9具有相同环带间距，底部对底部、顶部对顶部紧密结合在一起。
6.根据权利要求1红外双波段双层谐衍射光学系统系统，其特征是在设计波段内，双层折射/谐衍射混合透镜的第一层和第二层材料分别为高透过率的高折射率低色散、低折射率高色散材料。
全文摘要
本发明涉及两个改进型Petzval红外双波段探测光学系统，红外双波段单层谐衍射光学系统和红外双波段双层谐衍射光学系统。本发明红外双波段单层谐衍射光学系统包括折射透镜和折射/谐衍射混合透镜，红外双波段双层谐衍射光学系统包括折射透镜和双层折射/谐衍射混合透镜。红外双波段单层谐衍射光学系统特点是将谐衍射透镜引入到红外单波段Petzval物镜系统中，实现了在中红外3.4－4.2μm和热红外8－11μm两个波段的双光谱探测。为改善此系统的衍射效率，利用双层谐衍射元件对红外双波段单层谐衍射光学系统做了改进，设计出红外双波段双层谐衍射光学系统。此系统特点是双层折射/谐衍射混合元件使得系统衍射效率得到极大的改善，在设计波段的各个波长下衍射效率达到90％以上，像面对比度提高，成像质量优良，为红外系统的设计提供了一种新的器件。
文档编号G02B27/00GK1936645SQ20061001616
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月19日 优先权日2006年10月19日
发明者王肇圻, 范长江, 张梅 申请人:南开大学