[发明专利]一种大视场薄膜衍射消色差光学系统及红外光校正方法

说明书

一种大视场薄膜衍射消色差光学系统及红外光校正方法，包括平面薄膜衍射主镜、像差校正透镜组和滤光片；其中，像差校正透镜组由5片透镜组成。成像目标的辐射光束经过平面薄膜衍射主镜进入光学系统，像差校正透镜组校正平面薄膜衍射主镜产生的色差和其他像差，最后经过滤光片后会聚到像面成像。本发明具有谱段范围宽、相对孔径大、视场大、成像质量好、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，打破了传统衍射光学系统的设计方法，能够克服现有光学系统大口径和重量无法调和的矛盾。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种大视场薄膜衍射消色差光学系统及红外光校正方法。

背景技术

长波红外遥感成像可以实现军事目标的自动识别、揭露伪装，提高军事侦察的整体水平，同时该波段在环境监测及资源调查等领域也具有广泛的应用前景。随着现代战争的发展，国家对高空间分辨率的长波红外遥感成像需求越来越迫切，提高光学遥感分辨率的主要方法和研制途径是增加系统焦距和口径，这也意味着遥感器重量的增加以及制造和发射成本的增大，因此有必要探索光学遥感器的新原理、新途径，采用新材料和新技术，研制重量超轻能够适应运载能力的新型超大视场空间光学遥感器，降低研制成本。

衍射光学元件与传统透镜和反射镜相比，其光焦度仅由表面微纳结构决定，与表面顶点曲率半径和厚度无关，因此，衍射光学元件可以做成平面，基底材料可以为低密度、低成本的薄膜材料，以其作为光学遥感器的大视场主镜可以大大降低光学系统的重量和研制成本，在高分辨率对地遥感领域具有重要的应用前景。

1999年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制了基于平面衍射光学元件的可见光衍射成像原理装置，但主镜F数达到100，导致系统长度大于20m，且成像效果较差；2010年，美国国防先进研究计划局(DARPA)启动MOIRE计划，用于研制衍射成像系统，工作谱段为带宽仅40nm的可见光谱段，视场角仅为0.016°，给实际应用带来困难。

发明内容

解决的技术问题是：本发明提出了一种大视场薄膜衍射消色差光学系统及红外光校正方法，解决了目前基于平面薄膜衍射主镜的成像系统仅能工作在可见光谱段的问题；光学系统工作视场大，解决了基于薄膜衍射主镜的光学系统成像视场小的难题；克服了宽谱段色差校正和大视场成像的难题。本发明具有谱段范围宽、相对孔径大、视场大、成像质量好、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，打破了传统衍射光学系统的设计方法，能够克服现有光学系统大视场和重量无法调和的矛盾。

本发明的技术解决方案是：基于平面薄膜衍射主镜的可见光宽谱段成像光学系统由平面薄膜衍射主镜(1)、像差校正透镜组(2)、滤光片(3)组成。

平面薄膜衍射主镜(1)口径为200mm，F数为3，材料为聚酰亚胺薄膜，沿着光线方向依次为前表面和后表面，其中前表面是台阶形式的衍射面，后表面是平面，通过优化设计衍射面形参数缩短系统总长和控制色差。

像差校正透镜组(2)由5片透镜组成，沿光线入射方向依次为第一弯月正透镜(4)、第二弯月正透镜(5)、衍射透镜(6)、第四弯月正透镜(7)、第五弯月正透镜(8)，其中，第二弯月正透镜(5)前表面为6次非球面，第三双凸负透镜(6)前表面为衍射面，第四弯月正透镜(7)前表面为6次非球面，其余表面均为球面，通过优化透镜的表面面形参数和选择合理色散特性的玻璃材料，校正平面薄膜衍射主镜(1)产生的色差和其他像差。

滤光片(7)为平板透镜，材料为单晶锗，沿着光线方向依次为前表面和后表面，通过在前表面镀长波通分色膜和后表面镀短波通分色膜，保证在8μm～10μm谱段范围内透过率＞90％，其余谱段透过率＜1％。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明突破了传统衍射光学系统的设计方法，采用平面薄膜衍射元件作为系统主镜，系统重量远远低于同等口径采用传统透镜的光学系统，通过采用低成本的薄膜材料，大大降低系统的研制成本，并利用衍射光学元件容易折叠的特点实现大视场光学系统的小型化。