一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统的制作方法

1.本发明涉及光学系统技术，具体涉及一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统。

背景技术：

2.为实现180
°
半空间范围内的红外目标成像，不仅要扩大红外光学成像系统的视场，同时也需要在红外光学成像系统前端加入扫描平面反射镜。由于传统的大视场红外光学成像系统的入瞳均位于光学系统的内部，导致光学系统前端的扫面平面反射镜尺寸庞大(一般为光学成像最大口径的3-5倍)，无法实现整个系统的小型化。
3.现有的红外光学成像系统在进行使用时，将大视场红外成像系统的入瞳置于光学系统的前端，可大大缩小扫面平面反射镜的尺寸，但增加了光学成像系统的设计难度，尤其是在差、畸变等像差控制方面是一种挑战。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，以解决现有技术中的上述不足之处。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，包括成像系统，其特征在于，所述成像系统设置有多片镜片，多片所述镜片依次为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片，所述第一镜片的后表面、第三镜片的后表面和第四镜片的后表面均为高次非球面，所述第六镜片的后表面为叠加在非球面上的衍射面。
6.进一步地，所述成像系统包括衍射元件，所述衍射元件通光孔径范围内共设置有180个光栅周期，所述光栅周期的最小光栅周期为180μm，所述光栅周期的台阶深度为3.333μm。
7.进一步地，所述成像系统还包括用于控制系统畸变的大视场红外光学系统，所述大视场红外光学系统包括成像镜组和后继成像镜组。
8.进一步地，所述成像系统还包括入瞳和光学系统，所述入瞳与光学系统前表面的距离为28mm，所述入瞳位置距离镜头结构外端面的距离为25mm，所述入瞳处的口径大小为17mm。
9.进一步地，所述第一镜片、第二镜片、第四镜片和第五镜片的材质相同。
10.进一步地，所述成像系统还包括用于矫正校正差与热差的折衍混合光学成像系统和评价函数，所述折衍混合光学成像系统中设置有衍射面，所述衍射面的衍射面相位表达式系数通过评价函数进行控制。
11.与现有技术相比，本发明提供的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，该系统将光学系统的入瞳置于光学系统前端28mm处，使得在该入瞳处放置平面反射镜，通过平面反射镜扫描，以最小的反射镜尺寸实现180
°
半空间范围内的红外目标成像，该
系统工作波段为8-12微米，焦距为8.8mm，f#为1，全视场82
°
，畸变小于5％，扫描反射镜尺寸只要大于60mm，就可实现180
°
视场范围内的红外目标成像。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明提供的大视场长波红外光学系统光路图；
14.图2为本发明提供的20℃时传递函数示意图；
15.图3为本发明提供的-40℃时传递函数示意图；
16.图4为本发明提供的-20℃时传递函数示意图；
17.图5为本发明提供的0℃时传递函数示意图；
18.图6为本发明提供的30℃时传递函数示意图；
19.图7为本发明提供的50℃时传递函数示意图；
20.图8为本发明提供的70℃时传递函数示意图；
21.图9为本发明提供的20℃时传递函数示意图；
22.图10为本发明提供的畸变情况示意图；
23.图11为本发明提供的光学系统的相对照度示意图；
24.图12为本发明提供的衍射光学元件设计结果示意图。
具体实施方式
25.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
26.请参阅图1-12，一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，光学系统的光路如图1所示。系统共由6片镜片构成。入瞳与光学系统前表面的距离为28mm，入瞳位置距离镜头结构外端面的距离为25mm。入瞳处的口径大小为17mm。6片镜片材料分别为ig6(硫系玻璃)，ig6，zns，ig6，ig6，ge。第一镜片的后表面、第三镜片的后表面、第四镜片的后表面为高次非球面(最高次数为6)。第六镜片的后表面为叠加在非球面上的衍射面，该衍射面的光栅周期数为20，最小光栅周期为180μm。设计时对准物距设定在无穷远，光谱范围设定为8μm－14μm，设计的半视场为41
°
，焦距为8.8mm，入瞳为8.8mm(相当于f#为1)，镜片最大通光口径大小为56mm。单片透镜透过率按97％计，透过率为83.3％，考虑衍射元件的衍射效率90％，系统的总透过率估计为75％。系统总长为142mm(从第一镜片前表面至探测面)，后工作距为12.59mm(最后一片镜片的后表面顶点至探测器靶面)。
27.为准确评价大视场光学系统在不同视场下的像质，在优化设计时视场采样点除了0、0.5、0.7、1归化视场外，还增加了0.854归化视场。系统在温度20℃、-40℃、-20℃、0℃、30℃、50℃、70℃下的传递函数分别如图2、3、4、5、6、7、8所示(结构材料使用铝，膨胀系数设定为23.5
×
10-6/k)。0视场传递函数在30lp/mm大于0.5，0.7视场传递函数在30lp/mm大于0.45，1视场传递函数在30lp/mm大于0.4。系统的畸变如图9所示，相对畸变小于5％。在成像距离2m处，系统在常温下的传递函数如图10所示，各视场传递函数在8lp/mm大于0.6。系统
的照度如图11所示，全视场范围内的相对照度大于78％。
28.衍射元件的轮廓如图12所示，在通光孔径范围内共有180个光栅周期，最小光栅周期为180μm，台阶深度为3.333μm，目前金刚石车削工艺可以完成该衍射元件的加工。衍射光学元件的衍射效率可以达到90％，其他衍射级次能量不超过10％。由于衍射元件承担的光焦度不大，经仿真分析，0级与+2级成像的焦面离+1级成像焦面距离约1.2mm，因此多级衍射级次对成像影响不大。
29.利用二次成像模式，在大视场红外光学系统设计中有效控制系统畸变。大视场红外光学系统可分为一次成像镜组与后继成像镜组两部分。首先通过一次成像镜组将目标成像在中间像面上，然后利用后继镜组将中间像面成像至最终像面上。在大视场一次成像时必存在畸变，一般均为正畸变，可在后继镜组中引入负畸变，使得一次成像镜组的畸变与后继镜组的畸变相互抵消，从而实现小畸变大视场红外光学系统设计。
30.传统的折衍混合光学成像系统可有效校正差与热差。本发明提出控制差、热差、畸变的折衍混合协同优化方法。即在光学系统中引入衍射面，通过设置评价函数控制衍射面相位表达式系数，使衍射面的光焦度在满足校正系统差、热差的同时，有效控制不同视场主光线到达像面的高度，实现小畸变的红外折衍混合光学系统的设计。
31.工作原理：使用时，将光学系统的入瞳置于光学系统前端28mm处，使得在该入瞳处放置平面反射镜，通过平面反射镜扫描，以最小的反射镜尺寸实现180
°
半空间范围内的红外目标成像，该系统工作波段为8-12微米，焦距为8.8mm，f#为1，全视场82
°
，畸变小于5％，扫描反射镜尺寸只要大于60mm，就可实现180
°
视场范围内的红外目标成像。
32.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：

1.一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，包括成像系统，其特征在于，所述成像系统设置有多片镜片，多片所述镜片依次为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片，所述第一镜片的后表面、第三镜片的后表面和第四镜片的后表面均为高次非球面，所述第六镜片的后表面为叠加在非球面上的衍射面。2.根据权利要求1所述的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，其特征在于，所述成像系统包括衍射元件，所述衍射元件通光孔径范围内共设置有180个光栅周期，所述光栅周期的最小光栅周期为180μm，所述光栅周期的台阶深度为3.333μm。3.根据权利要求1所述的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括用于控制系统畸变的大视场红外光学系统，所述大视场红外光学系统包括成像镜组和后继成像镜组。4.根据权利要求1所述的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括入瞳和光学系统，所述入瞳与光学系统前表面的距离为28mm，所述入瞳位置距离镜头结构外端面的距离为25mm，所述入瞳处的口径大小为17mm。5.根据权利要求1所述的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，其特征在于，所述第一镜片、第二镜片、第四镜片和第五镜片的材质相同。6.根据权利要求1所述的一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括用于矫正校正差与热差的折衍混合光学成像系统和评价函数，所述折衍混合光学成像系统中设置有衍射面，所述衍射面的衍射面相位表达式系数通过评价函数进行控制。

技术总结

本发明公开了一种入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，涉及光学系统领域，包括成像系统，所述成像系统设置有多片镜片，多片所述镜片依次为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片，所述第一镜片的后表面、第三镜片的后表面和第四镜片的后表面均为高次非球面；该入瞳外置的大视场小畸变长波红外光学成像系统，通过该系统将光学系统的入瞳置于光学系统前端28mm处，使得在该入瞳处放置平面反射镜，通过平面反射镜扫描，以最小的反射镜尺寸实现180