本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大視場薄膜衍射消色差光學(xué)系統(tǒng)及紅外光校正方法。

背景技術(shù)：

長波紅外遙感成像可以實現(xiàn)軍事目標(biāo)的自動識別、揭露偽裝，提高軍事偵察的整體水平，同時該波段在環(huán)境監(jiān)測及資源調(diào)查等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，國家對高空間分辨率的長波紅外遙感成像需求越來越迫切，提高光學(xué)遙感分辨率的主要方法和研制途徑是增加系統(tǒng)焦距和口徑，這也意味著遙感器重量的增加以及制造和發(fā)射成本的增大，因此有必要探索光學(xué)遙感器的新原理、新途徑，采用新材料和新技術(shù)，研制重量超輕能夠適應(yīng)運載能力的新型超大視場空間光學(xué)遙感器，降低研制成本。

衍射光學(xué)元件與傳統(tǒng)透鏡和反射鏡相比，其光焦度僅由表面微納結(jié)構(gòu)決定，與表面頂點曲率半徑和厚度無關(guān)，因此，衍射光學(xué)元件可以做成平面，基底材料可以為低密度、低成本的薄膜材料，以其作為光學(xué)遙感器的大視場主鏡可以大大降低光學(xué)系統(tǒng)的重量和研制成本，在高分辨率對地遙感領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

1999年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(llnl)研制了基于平面衍射光學(xué)元件的可見光衍射成像原理裝置，但主鏡f數(shù)達(dá)到100，導(dǎo)致系統(tǒng)長度大于20m，且成像效果較差；2010年，美國國防先進(jìn)研究計劃局(darpa)啟動moire計劃，用于研制衍射成像系統(tǒng)，工作譜段為帶寬僅40nm的可見光譜段，視場角僅為0.016°，給實際應(yīng)用帶來困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提出了一種大視場薄膜衍射消色差光學(xué)系統(tǒng)及紅外光校正方法，解決了目前基于平面薄膜衍射主鏡的成像系統(tǒng)僅能工作在可見光譜段的問題；光學(xué)系統(tǒng)工作視場大，解決了基于薄膜衍射主鏡的光學(xué)系統(tǒng)成像視場小的難題；克服了寬譜段色差校正和大視場成像的難題。本發(fā)明具有譜段范圍寬、相對孔徑大、視場大、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點，打破了傳統(tǒng)衍射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，能夠克服現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)大視場和重量無法調(diào)和的矛盾。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于平面薄膜衍射主鏡的可見光寬譜段成像光學(xué)系統(tǒng)由平面薄膜衍射主鏡(1)、像差校正透鏡組(2)、濾光片(3)組成。

平面薄膜衍射主鏡(1)口徑為200mm，f數(shù)為3，材料為聚酰亞胺薄膜，沿著光線方向依次為前表面和后表面，其中前表面是臺階形式的衍射面，后表面是平面，通過優(yōu)化設(shè)計衍射面形參數(shù)縮短系統(tǒng)總長和控制色差。

像差校正透鏡組(2)由5片透鏡組成，沿光線入射方向依次為第一彎月正透鏡(4)、第二彎月正透鏡(5)、衍射透鏡(6)、第四彎月正透鏡(7)、第五彎月正透鏡(8)，其中，第二彎月正透鏡(5)前表面為6次非球面，第三雙凸負(fù)透鏡(6)前表面為衍射面，第四彎月正透鏡(7)前表面為6次非球面，其余表面均為球面，通過優(yōu)化透鏡的表面面形參數(shù)和選擇合理色散特性的玻璃材料，校正平面薄膜衍射主鏡(1)產(chǎn)生的色差和其他像差。

濾光片(7)為平板透鏡，材料為單晶鍺，沿著光線方向依次為前表面和后表面，通過在前表面鍍長波通分色膜和后表面鍍短波通分色膜，保證在8μm～10μm譜段范圍內(nèi)透過率＞90％，其余譜段透過率＜1％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

(1)本發(fā)明突破了傳統(tǒng)衍射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用平面薄膜衍射元件作為系統(tǒng)主鏡，系統(tǒng)重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等口徑采用傳統(tǒng)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，通過采用低成本的薄膜材料，大大降低系統(tǒng)的研制成本，并利用衍射光學(xué)元件容易折疊的特點實現(xiàn)大視場光學(xué)系統(tǒng)的小型化。

(2)本發(fā)明工作譜段為8μm～10μm，中心波長為9μm，突破了目前采用平面薄膜衍射元件作為主鏡的成像系統(tǒng)僅能工作在可見光窄譜段的問題，滿足成像應(yīng)用需求。

(3)本發(fā)明提出了平衡匹配消色差的設(shè)計方法，解決了平面衍射元件寬譜段成像的色差校正難題，工作譜段為高于國外光學(xué)系統(tǒng)的光譜帶寬和成像質(zhì)量，能夠滿足空間遙感對寬譜段成像的要求。

(4)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)工作視場為±0.5°，突破了國內(nèi)外采用平面薄膜衍射元件作為主鏡的成像系統(tǒng)視場小的問題，有利于提高空間對地遙感的觀測幅寬。

(5)通過合理優(yōu)化平面衍射主鏡的面形參數(shù)，將主鏡的f數(shù)降低到了3，遠(yuǎn)低于國內(nèi)外設(shè)計值，大大縮短了系統(tǒng)的總長，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)精簡緊湊，滿足光學(xué)遙感的應(yīng)用要求。

(6)本發(fā)明通過合理優(yōu)化平面衍射主鏡和像差校正衍射透鏡的衍射面形參數(shù)，降低了衍射元件的加工難度，有利于提高衍射效率和系統(tǒng)工程可行性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于平面薄膜衍射主鏡的大視場寬譜段成像光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖2的(a)所示為平面衍射主鏡前表面的相位和衍射結(jié)構(gòu)線頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系圖；(b)為平面衍射主鏡前表面歸一化后的衍射結(jié)構(gòu)形式示意圖。

圖3的(a)所示為衍射透鏡前表面的相位和衍射結(jié)構(gòu)線頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系圖；(b)所示為衍射透鏡前表面歸一化后的衍射結(jié)構(gòu)形式示意圖。

圖4為基于平面薄膜衍射主鏡的大視場寬譜段成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路為：提出一種大視場薄膜衍射消色差光學(xué)系統(tǒng)，包括平面薄膜衍射主鏡、像差校正透鏡組和濾光片；其中，像差校正透鏡組由5片透鏡組成。成像目標(biāo)的輻射光束經(jīng)過平面薄膜衍射主鏡進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，像差校正透鏡組校正平面薄膜衍射主鏡產(chǎn)生的色差和其他像差，最后經(jīng)過濾光片后會聚到像面成像。本發(fā)明具有譜段范圍寬、相對孔徑大、視場大、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點，打破了傳統(tǒng)衍射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，能夠克服現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)大口徑和重量無法調(diào)和的矛盾。

如圖4所示，本發(fā)明提出一種基于平面薄膜衍射主鏡的大視場寬譜段成像光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，包括平面薄膜衍射主鏡(1)、像差校正透鏡組(2)、濾光片(3)。平面薄膜衍射主鏡接收成像目標(biāo)的輻射光束，像差校正透鏡組校正平面薄膜衍射主鏡對寬譜段產(chǎn)生的色差和其他像差，濾光片保證光學(xué)系統(tǒng)工作譜段為8μm～10μm，中心波長為9μm，系統(tǒng)f數(shù)為1，工作視場為±0.5°。

平面薄膜衍射主鏡(1)口徑為200mm，f數(shù)為3，材料為聚酰亞胺薄膜，沿著光線方向依次為前表面和后表面，其中前表面是平面，后表面是臺階形式的衍射面。

像差校正透鏡組(2)由5片透鏡組成，沿光線入射方向依次為第一彎月正透鏡(4)的前表面和后表面、第二彎月正透鏡(5)的前表面和后表面、衍射透鏡(6)的前表面和后表面、第四彎月正透鏡(7)的前表面和后表面、第五彎月正透鏡(8)的前表面和后表面；第二彎月正透鏡(5)前表面為6次非球面，后表面為球面；衍射透鏡(6)前表面為菲涅爾衍射面，后表面為球面；第四彎月正透鏡(7)前表面為6次非球面，后表面為球面；第一彎月正透鏡(4)、第五彎月正透鏡(8)的前表面和后表面均為球面。

濾光片(3)為平板透鏡，材料為單晶鍺，沿著光線方向依次為前表面和后表面，前表面鍍長波通分色膜，定位波長8μm±10nm，中心波長，陡度≤50nm，8μm～10μm透過率＞90％，帶外5μm～7.5μm透過率＜1％；后表面鍍短波通分色膜，定位波長10μm±10nm，陡度≤50nm，8μm～10μm透過率＞90％，帶外10.5μm～12μm透過率＜1％。

平面薄膜衍射主鏡(1)、像差校正透鏡組(2)、濾光片(3)同軸擺放，沿光軸方向依次放置平面薄膜衍射主鏡(1)、第一彎月正透鏡(4)的前表面和后表面、第二彎月正透鏡(5)的前表面和后表面、衍射透鏡(6)的前表面和后表面、第四彎月正透鏡(7)的前表面和后表面、第五彎月正透鏡(8)的前表面和后表面、濾光片(3)。將平面薄膜衍射主鏡(1)和第一彎月正透鏡(4)的前表面的距離設(shè)置為光學(xué)系統(tǒng)焦距的2.35倍；第一彎月正透鏡(4)的后表面與第二彎月正透鏡(5)的前表面的距離設(shè)置為光學(xué)系統(tǒng)焦距的0.35倍；第五彎月正透鏡(8)的后表面到第二次成像點的距離為系統(tǒng)焦距的0.1倍，平面薄膜衍射主鏡(1)的后表面到一次像面的距離是光學(xué)系統(tǒng)焦距的2.6倍，第四彎月正透鏡(7)和第五彎月正透鏡(8)的組合焦距是系統(tǒng)焦距的0.11倍。

平面薄膜衍射主鏡(1)中心厚度100mm，第一彎月正透鏡(4)中心厚度8mm，第二彎月正透鏡(5)中心厚度7.5mm，衍射透鏡(6)中心厚度7.5mm，第四彎月正透鏡(7)中心厚度7.5mm，第五彎月正透鏡(8)中心厚度7.2mm，濾光片(3)中心厚度3mm。

第一彎月正透鏡(4)和第二彎月正透鏡(5)將平面薄膜衍射主鏡(1)的前表面成像到衍射透鏡(6)的前表面，平面薄膜衍射主鏡(1)的前表面與衍射透鏡(6)的前表面滿足物像關(guān)系，平面薄膜衍射主鏡(1)的前表面與衍射透鏡(6)的前表面具有完全相反的菲涅爾衍射結(jié)構(gòu)形式。

通過調(diào)整平面薄膜衍射主鏡(1)前表面的衍射結(jié)構(gòu)參數(shù)、第一彎月正透鏡(4)前表面和后表面的頂點曲率半徑、第二彎月正透鏡(5)前表面的非球面系數(shù)和后表面的頂點曲率半徑、衍射透鏡(6)前表面的衍射結(jié)構(gòu)參數(shù)和后表面的頂點曲率半徑、第四彎月正透鏡(7)前表面的非球面系數(shù)和后表面的頂點曲率半徑、第五彎月正透鏡(8)前表面和后表面的頂點曲率半徑，校正光學(xué)系統(tǒng)色差，并根據(jù)平面薄膜衍射主鏡的位相，通過合理設(shè)計微納結(jié)構(gòu)提高主鏡的衍射效率，實施完成的光學(xué)系統(tǒng)各方面成像質(zhì)量優(yōu)良，滿足實際成像應(yīng)用。

如圖2(a)所示為平面衍射主鏡前表面的相位和衍射結(jié)構(gòu)線頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)為平面衍射主鏡的口徑，單位為mm，左側(cè)縱坐標(biāo)代表位相周期數(shù)，右側(cè)縱坐標(biāo)代表衍射結(jié)構(gòu)頻率，圖中偏上的曲線表示平面衍射主鏡前表面的相位與衍射主鏡口徑的關(guān)系曲線，偏下的曲線表示平面衍射主鏡前表面的的衍射結(jié)構(gòu)頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系曲線。

如圖2(b)所示為平面衍射主鏡前表面歸一化后的衍射結(jié)構(gòu)形式，橫坐標(biāo)代表衍射主鏡口徑，單位為mm，縱坐標(biāo)代表衍射結(jié)構(gòu)的槽深，單位為mm，該結(jié)構(gòu)形式可用于實際加工，滿足目前加工條件。

如圖3(a)所示為衍射透鏡前表面的相位和衍射結(jié)構(gòu)線頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)為平面衍射主鏡的口徑，單位為mm，左側(cè)縱坐標(biāo)代表位相周期數(shù)，右側(cè)縱坐標(biāo)代表衍射結(jié)構(gòu)頻率，圖中偏上的曲線表示衍射透鏡前表面的相位與衍射主鏡口徑的關(guān)系曲線，偏下的曲線表示衍射透鏡前表面的的衍射結(jié)構(gòu)頻率與衍射主鏡口徑的關(guān)系曲線。

如圖3(b)所示為衍射透鏡前表面歸一化后的衍射結(jié)構(gòu)形式，橫坐標(biāo)代表衍射主鏡口徑，單位為mm，縱坐標(biāo)代表衍射結(jié)構(gòu)的槽深，單位為mm，該結(jié)構(gòu)形式可用于實際加工，滿足目前加工條件。

本發(fā)明工作譜段為8μm～10μm，系統(tǒng)f數(shù)僅為1，工作視場優(yōu)于±0.5°，平面薄膜衍射主鏡口徑為200mm，厚度僅為100μm，重量僅為同等口徑透鏡的1/100，整個系統(tǒng)體積為φ200mm×640mm，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)成像方式存在的口徑和重量、體積的矛盾。

衛(wèi)星平臺對載荷的體積和重量有嚴(yán)苛要求，綜合考慮本發(fā)明的體積和重量，可適用于各類型衛(wèi)星平臺用于對地遙感成像。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。