[發明專利]一種長波紅外復合光學系統

有效

• 申請號: 201910792371.0
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110488394B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 易飛;張恒;侯銘銘
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B5/00;G02B13/14;G02B1/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開一種長波紅外復合光學系統，包括：雙級聯超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介質襯底層；所述第一超表面和第二超表面分別設置于介質襯底層的前表面和后表面；雙級聯超表面元件用于對入射光的波前進行調控，實現對入射光的高級像差進行校正后出射，入射光的波長在長波紅外波段；透鏡組置于雙級聯超表面元件出射光的一側透鏡組用于對入射光的初級像差進行校正并對光線進行聚焦后出射；紅外焦平面探測器包含沿光軸依次設置的探測器窗口和紅外焦平面陣列，探測器窗口用于濾除系統的雜散光及探測波段外的光線，紅外焦平面陣列用于對聚焦后的紅外光線入射光實現探測成像。本發明精簡了光學系統的結構，優化了加工工藝。

技術領域

本發明涉及紅外成像光學與微納光子學領域，更具體地，涉及一種長波紅外復合光學系統。

背景技術

紅外成像技術是成像光學領域的重要組成部分，廣泛應用于安防、監控、醫療、工業、農業、測繪遙感、航空航天、探測制導等關系到國計民生的領域。隨著科學技術的進步，目前，新一代紅外光學成像系統的發展趨勢可概括為如下兩個方面：

第一，高性能與高質量的成像效果，如超高分辨率成像與近衍射極限成像。實現這些要求就需要對高級像差和軸外像差實現較好的校正，目前常用的方案就是復雜面型的設計以及多片透鏡的相互配合。發明專利CN107144946A通過在系統中進行衍射結構與非球面結構的疊加，實現較高質量的成像；而發明專利CN109343201A則是通過對六片透鏡進行搭配，并配合非球面與增透膜結構實現較好的成像性能。這使得紅外成像光學系統的結構趨于笨重、復雜。

第二，紅外成像系統與小像元、大陣列紅外焦平面探測器的一體化。隨著紅外焦平面探測器向小像元、大陣列、高靈敏度的探測器技術發展，對紅外成像光學系統的設計、加工等方面提出了新的需求，同時，紅外成像光學系統與紅外焦平面探測器融為一體也成為現今紅外成像技術的發展趨勢之一。發明專利CN109324392A提供了一種中短波寬波段紅外光學系統，系統中未使用非球面與衍射面結構，系統結構簡單，并給出了成像系統與紅外焦平面探測器的一體化方案，但是該發明所面向的紅外焦平面探測器像元尺寸為15μm，分辨率僅有640×512，且調制傳遞函數與衍射極限仍存在差距，不符合當今近衍射極限的高分辨成像要求。

與此同時，光學超表面作為光學領域中一個新穎的研究方向，受到越來越多的關注。光學超表面屬于光學超材料的一種，是由許多微結構單元按照特定功能需要排列而形成的一種超薄二維平面結構。從原理上講，它可以根據需求任意改變光波的相位、振幅和偏振，從而實現對光場的波前調控。并且相比傳統光學透鏡，光學超表面結構輕便、成本低廉、更加適應平面加工工藝，能夠有效代替傳統成像光學系統的衍射結構和非球面結構。發明專利CN109031477A針對可見光波段提供了一種超表面級聯的廣角平面鏡頭制作方法，能夠實現高分辨率廣角成像，但是該專利僅限于對級聯超表面結構的器件級說明，并未給出與光學系統和探測器融合的面向系統級應用的一體化方案，且單一光學元件會負擔很大的光焦度，使得元件公差十分嚴格，不利于實際加工；另外，由于光學超表面仍主要處于科學研究階段，加工工藝不完全成熟，尚不適合作為單獨光學元件使用。

綜合上述內容，并結合當前技術發展現狀，新一代紅外光學成像系統仍存在以下問題：

1)復雜面型可以用于高級像差及軸外像差的校正，但是目前復雜面型的加工主要基于光學塑料的注塑成型，而光學塑料具有很高的熱膨脹系數，不適用于會引起熱效應的紅外成像領域；

2)利用大量透鏡的相互組合可以較好地提升系統成像質量，但是這與紅外光學成像系統小型化、輕量化的發展趨勢背道而馳；

3)由于超表面元件在校正高級像差與軸外像差方面具有突出的優勢，因此使用單一超表面元件實現高質量成像成為當前的研究方向之一，但超表面元件仍處于科學研究階段，產業化進程中仍面臨加工工藝不盡成熟的問題，而且使用單一的超表面元件成像會使其負擔較大的光焦度，使零件公差十分嚴格，進一步加劇了工藝生產難度，因此需要搭配一定數量的傳統透鏡以彌補超表面元件的工藝限制，構成復合光學系統；