[實(shí)用新型]一種含衍射元件的超半球凝視紅外成像系統(tǒng)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200620141272.4
• 申請(qǐng)日: 2006-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN200986625Y
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉彤;岑兆豐;劉旭;馮華君;徐之海;白劍;林斌;沈亦兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/42
• 分類號(hào): G02B27/42;G02B27/00;G02B9/10;H04N5/33
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種含衍射元件的超半球凝視紅外成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

超半球成像系統(tǒng)又稱為全景成像系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)、科技、軍事、商業(yè)等各領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)成像信息量大，特別適合用于各類監(jiān)視器中。這種系統(tǒng)可以用三種方式實(shí)現(xiàn)，一種是用多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)列陣，每個(gè)系統(tǒng)僅承擔(dān)對(duì)一部分視場的成像任務(wù)，通過處理獲得合成圖像，因此對(duì)圖像處理提出了較高的要求；第二種是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)通過掃描的方法實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)視，在某一瞬時(shí)只能看到其中的一部分視場，不可能同時(shí)看到超半球全景圖像，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)很快時(shí)，就有可能在監(jiān)視過程中遺漏重要目標(biāo)；第三種是單個(gè)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超半球凝視成像，其典型的光學(xué)系統(tǒng)是魚眼透鏡系統(tǒng)，其視場角可達(dá)到200度左右，可以同時(shí)監(jiān)視超半球范圍內(nèi)的目標(biāo)。用于可見光波段的魚眼透鏡系統(tǒng)已在照相、監(jiān)視等領(lǐng)域多有應(yīng)用，這類系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，其中不少應(yīng)用了10片以上的透鏡和高質(zhì)量特殊光學(xué)材料，設(shè)計(jì)難度大，加工裝配要求高。圖1是一種可見光波段魚眼透鏡，具有2W＝200度的視場，整個(gè)系統(tǒng)由8組10片透鏡組成，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。圖2是一種采用非球面反射面作為前置元件的全景成像系統(tǒng)原理圖，利用前置非球面減小軸外光的入射角度，再使用通常的光學(xué)系統(tǒng)成像，這種方式的缺點(diǎn)在于鏡頭的正前方無法看到，存在中心視場盲區(qū)。

紅外成像技術(shù)及其應(yīng)用在各國都受到廣泛重視，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空、航天、工業(yè)、醫(yī)療、交通、軍事等各行業(yè)。由于紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)已經(jīng)成熟且商品化，使凝視紅外成像探測(cè)技術(shù)得到迅速發(fā)展。這類探測(cè)器用途廣泛，在工業(yè)和醫(yī)用紅外成像儀等儀器中也多有應(yīng)用，為滿足各領(lǐng)域的需求提供了優(yōu)越的基礎(chǔ)，也促進(jìn)了紅外光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。

通常的紅外成像系統(tǒng)以大孔徑、小視場為主，用于全景監(jiān)視的紅外成像系統(tǒng)大多采用列陣方式或掃描方式實(shí)現(xiàn)。由于紅外探測(cè)器通常要求致冷，其冷闌位于光學(xué)系統(tǒng)后部，所有的成像光線必須進(jìn)入冷闌才能到達(dá)探測(cè)器表面成像，而非成像光線如視場外的光應(yīng)當(dāng)被其所攔，以減小熱輻射背景的影響，因此需要將冷闌作為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌，或通過某種方法使系統(tǒng)的孔徑光闌成像于冷闌上，這稱為100％冷光闌效率。如果系統(tǒng)的孔徑光闌不是冷闌且不能成像于冷闌上，則達(dá)不到100％冷光闌效率，這不僅使成像光照度不均，更重要的是在像面上出現(xiàn)邊帶輻射，產(chǎn)生附加光子噪聲，嚴(yán)重影響探測(cè)器的信噪比。100％的冷闌效率的要求使該類系統(tǒng)極不對(duì)稱；又由于可供選擇的材料有限，而系統(tǒng)必須保證一定的能量透過率，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)必須力求簡單，透鏡片數(shù)應(yīng)盡量少，也給校正像差尤其是色差帶來了較大的困難。圖3是一種具有100％冷光闌效率的紅外成像系統(tǒng)，其視場角2W＝7度，相對(duì)孔徑D/f’＝1∶4。圖4是一種不具有100％冷光闌效率的紅外成像系統(tǒng)，視場角2W＝5度，相對(duì)孔徑為1∶1.5。

衍射光學(xué)元件是基于光的衍射理論實(shí)現(xiàn)光波的變換，和傳統(tǒng)光學(xué)元件相比具有許多卓越的功能，在成像系統(tǒng)中應(yīng)用的代表是二元光學(xué)元件，它是于80年代中期由美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室首先提出，是指基于光波的衍射理論，利用超大規(guī)模集成電路制作工藝，在片基上刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件，它可以在承擔(dān)一定的光焦度的同時(shí)，在校正像差特別是色差方面起到常規(guī)光學(xué)元件難以起到的作用，有利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化、高像質(zhì)，并簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于紅外波段波長較長，在這種系統(tǒng)中應(yīng)用衍射元件其最小加工線寬可以滿足加工工藝要求。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種含衍射元件的超半球凝視紅外成像系統(tǒng)，僅用2至3種光學(xué)材料構(gòu)成4片反遠(yuǎn)距超廣角鏡頭，獲得了不小于1∶2的大相對(duì)孔徑，并利用衍射光學(xué)元件很好地校正了色差。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

它依次由負(fù)光組、正光組和冷光闌構(gòu)成，具有4組4片型結(jié)構(gòu)。其負(fù)光組為1組1片型結(jié)構(gòu)的彎月形負(fù)透鏡，其兩個(gè)面都彎向像方，正光組為正負(fù)正分離的3組3片型結(jié)構(gòu)，正光組中第1片是第1面凸向物方的凸透鏡，第2片為平凹透鏡或彎向物方的彎月形凹透鏡，第3片為凸面朝向物方的凸透鏡，冷光闌位于正光組的后部，正光組中的一個(gè)面是衍射面，具有100％的冷光闌效率。