CN110308553B - 基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，为寻求新的大视场高分辨率成像的解决途径，同时克服切换频率不高，***结构复杂等缺点，本发明，基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，包括视场分割光楔组、一次成像物镜、视场切换微透镜阵列、和二次成像物镜；其中视场分割光楔组为n组对称结构，每组由两个消色差光楔组成，分布在***不同孔径处；视场切换微透镜阵列由两片微透镜阵列组成，分布在一次成像面处；当一定范围的大视场光束平行入射该中红外成像光学***时，由视场分割光楔组等分为n段小视场，并转换成相同的视场角，此时完成大视场的分割。本发明主要应用于成像设备设计制造场合。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及到基于微透镜阵列的成像光学***，尤其涉及一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***。
背景技术
红外光学***由于其使用波长较长，散射程度小，传播距离远，因此在远距离传输信息和探测信号领域具有广泛的应用。但是传统的红外成像***因探测器受限无法同时实现大视场与高分辨率，现有解决技术方案中，指向镜变换方案受指向镜频率限制因而***频率不高，多镜头拼接方案中随镜头和探测器的增加***成本提高。
微小化和智能化是现代科技发展的趋势，微电子学的发展促进了微光学的发展。微光学元件的特点是体积小、重量轻、设计自由度大、可集成、可复制等。微光学的应用十分广泛，可以制作成渐变折射率透镜、连续面型衍射光学元件、二元光学元件、微透镜阵列等。其中微透镜阵列在微光学***中有着重要而广泛的应用，如用于光成像、光束整型、光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、光学扫描***等。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，旨在寻求新的大视场高分辨率成像的解决途径，同时克服切换频率不高，***结构复杂等缺点。为此，本发明采取的技术方案是，基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，包括视场分割光楔组、一次成像物镜、视场切换微透镜阵列、和二次成像物镜；其中视场分割光楔组为n组对称结构，每组由两个消色差光楔组成，分布在***不同孔径处；视场切换微透镜阵列由两片微透镜阵列组成，分布在一次成像面处；当一定范围的大视场光束平行入射该中红外成像光学***时，由视场分割光楔组等分为n段小视场，并转换成相同的视场角，此时完成大视场的分割，等分的n段小视场依次分布在***的不同孔径处；来自于不同孔径的相同视场角的n段光束经所述一次成像物镜聚焦，严格像方远心地在一次成像面处成像，不同孔径角的n段光束在微透镜阵列处，通过微透镜阵列间的相对位移被选择切换；被选择的光束通过二次成像物镜，以一定比例的物像关系成像在探测器上。
所述视场分割光楔，为红外材料。
由硅和锗组合的方式组成消色差光楔组。
所述一次成像物镜要求严格像方远心，来自于不同视场范围的n段光束在一次成像面处顺序分布在像方孔径角内，所有入射在一次成像面的孔径角相等。
所述微透镜阵列尺寸即一次成像面大小，也是二次成像物镜的物面，为实现高分辨率，一个微透镜单元对应一个像素点，则由探测器尺寸决定微透镜单元尺寸。
所述第一片微透镜阵列，其作用是把n个不同孔径角内的光束，在空间上线性分布于第二片微透镜阵列前表面的n个不同孔径处，在第二片微透镜阵列的每个单元中间孔径镀增透膜，其他区域镀金属反射膜，或者在第二片微透镜前加掩膜板，通过其X向和Y向的微小位移来选择n个不同孔径的光束，然后将其在微透镜阵列后聚焦，完成n段视场的选择切换；所述微透镜阵列，其每个单元的结构是以开普勒望远镜结构为原型；所述微透镜阵列，光束只能在每个单元通道内传输，不能在各个单元间串扰，避免杂散光的产生和光能损失。
经微透镜阵列切换选择的视场，可以是一维的n段小视场，或者二维的n×n段小视场。
本发明的特点及有益效果是：
本发明采用光楔分割视场，微透镜阵列选择切换视场，实现了大视场条件下高分辨率成像的功能。该***视场切换频率高，结构紧凑，对于提高光学***性能具有重要意义。
附图说明：
图1为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***的结构布局示意图。
图2为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***的视场分割光楔组结构图。
图3为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***的微透镜单元的原理图——开普勒望远结构，以及其应用在本***的转换结构图。
图4为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***的前物镜结构图——严格像方远心结构图。
图5为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***中，选择切换中段视场角范围的光束成像示意图。
图6为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***中，选择切换上段视场角范围的光束成像示意图。
图7为本发明基于微透镜阵列进行一维3段视场切换的中红外成像光学***中，选择切换下段视场角范围的光束成像示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，包括视场分割光楔组、一次成像物镜、视场切换微透镜阵列、和二次成像物镜；其中视场分割光楔组为n组对称结构，每组由两个消色差光楔组成，分布在***不同孔径处；视场切换微透镜阵列由两片微透镜阵列组成，分布在该***的一次成像面处；当一定范围的大视场光束平行入射该中红外成像光学***时，由视场分割光楔组等分为n段小视场，并转换成相同的视场角。此时完成大视场的分割，等分的n段小视场依次分布在***的不同孔径处；来自于不同孔径的相同视场角的n段光束经所述一次成像物镜聚焦，严格像方远心地在一次成像面处成像。不同孔径角的n段光束在微透镜阵列处，通过微透镜阵列间的相对位移被选择切换；被选择的光束通过二次成像物镜，以一定比例的物像关系成像在探测器上。
所述视场分割光楔，为了减小光楔在中红外工作波段内引入的色差，采用了常见的红外材料，如硅和锗组合的方式组成消色差光楔组。
所述一次成像物镜要求严格像方远心，因为微透镜阵列进行视场选择切换的本质是不同孔径角的选择，相当于角度过滤器。而来自于不同视场范围的n段光束在一次成像面处是顺序分布在像方孔径角内的，因此要求所有入射在一次成像面的孔径角相等。
所述微透镜阵列尺寸即一次成像面大小，也是二次成像物镜的物面。为实现高分辨率，一个微透镜单元对应一个像素点，则由探测器尺寸决定微透镜单元尺寸。
所述第一片微透镜阵列，其作用是把n个不同孔径角内的光束，在空间上线性分布于第二片微透镜阵列前表面的n个不同孔径处。在第二片微透镜阵列的每个单元中间孔径镀增透膜，其他区域镀金属反射膜，或者在第二片微透镜前加掩膜板，通过其X向和Y向的微小位移来选择n个不同孔径的光束，然后将其在微透镜阵列后聚焦，完成n段视场的选择切换。
所述微透镜阵列，其每个单元的结构是以开普勒望远镜结构为原型。
所述微透镜阵列，光束只能在每个单元通道内传输，不能在各个单元间串扰，避免杂散光的产生和光能损失。
经微透镜阵列切换选择的视场，可以是一维的n段小视场，或者二维的n×n段小视场。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的就是要提供一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，该中红外成像光学***具有结构紧凑，视场切换频率高，扫描位移小，在保证空间分辨率的同时可扩大n倍视场等优点。
如图1所示，本发明提供的一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征在于，包括视场分割光楔组、一次成像物镜、视场切换微透镜阵列和二次成像物镜；其中视场分割光楔组为n组对称结构，每组由两个消色差光楔组成，分布在***不同孔径处；视场切换微透镜阵列由两片微透镜阵列组成，分布在该***的一次成像面处；当一定范围的大视场光束平行入射该中红外成像光学***时，由视场分割光楔组等分为n段小视场，并转换成相同的视场角。此时完成大视场的分割，等分的n段小视场依次分布在***的不同孔径处；来自于不同孔径的相同视场角的n段光束经所述一次成像物镜聚焦，严格像方远心地在一次成像面处成像。不同孔径角的n段光束在微透镜阵列处，通过微透镜阵列间的相对位移被选择切换；被选择的光束通过二次成像物镜，以一定比例的物像关系成像在探测器上。
在本发明实施案例中，探测器的F数决定了二次成像物镜的像方孔径角大小；二次成像物镜的物像比决定了其物方孔径角大小，即微透镜阵列的出射孔径角大小；微透镜阵列的本质是将其物方孔径角顺序等分成n段，选择其中一段在后续***成像，因此微透镜阵列的物方孔径角是其像方孔径角的n倍，即确定了一次成像物镜的像方孔径角；一次成像物镜的像方孔径角决定了一次成像物镜的像方F数大小；一次成像物镜的像面尺寸和其视场角决定了其焦距大小，由此确定了入瞳尺寸。
在本发明实施案例中，是将分割的n段视场分布在***的不同孔径位置，利用孔径位置保存视场信息；每个子孔径通过不同的视场范围，通过光楔可以将每个子孔径的主光线准直为和***光轴平行。
在本发明实施案例中，视场分割光楔组将大视场等分成n段，分布在***的不同孔径位置处，因此在一次成像物镜的物方，不同视场的信息分布在线度空间；而对于一次成像物镜，物方的不同子孔径，在像方对应不同的孔径角，因此在一次成像物镜的像方，不同视场的信息分布在角度空间。
在本发明实施案例中，对于视场分割光楔组，为了减小光楔在中红外工作波段内引入的色差，采用了常见的红外材料，如硅和锗组合的方式组成消色差光楔组。每组光楔将小视场角的中心光束准直为和***光轴平行，从而形成n段相同视场角范围的光束。
在本发明实施案例中，一次成像物镜严格像方远心是微透镜阵列进行视场切换选择的基础。在微透镜阵列的入射面，不同的视场信息顺序排布在其入射角度里。微透镜阵列第一片的作用，是将其前表面的每个入射点，准直在微透镜阵列第二片的前表面，离散在每个微透镜单元的不同位置孔径内。此时，不同视场信息分布在每个微透镜单元的线度空间内，通过在第二片微透镜单元中间孔径镀增透膜，其他区域镀金属反射膜，或者在第二片微透镜前加掩膜板，经过其X向和Y向的微小位移来选择不同孔径的光束，从而完成n段视场的选择切换。
在本发明实施案例中，微透镜阵列每个单元的结构是以开普勒望远结构为原型。且对于微透镜阵列，光束只能在每个单元通道内传输，不能在各个单元间串扰，避免杂散光的产生和光能损失。
本发明提供的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，通过光楔分割视场，微透镜阵列选择切换视场，实现了大视场条件下高分辨率成像的功能。该***结构紧凑，视场切换频率高，位移小，对于解决光学***大视场和高分辨之间的矛盾，提高光学***性能具有重要的意义。
Claims (6)
1.一种基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，包括视场分割光楔组、一次成像物镜、视场切换微透镜阵列、和二次成像物镜；其中视场分割光楔组为n组对称结构，每组由两个消色差光楔组成，分布在***不同孔径处；视场切换微透镜阵列由两片微透镜阵列组成，分布在一次成像面处；当一定范围的大视场光束平行入射该中红外成像光学***时，由视场分割光楔组等分为n段小视场，并转换成相同的视场角，此时完成大视场的分割，等分的n段小视场依次分布在***的不同孔径处；来自于不同孔径的相同视场角的n段光束经所述一次成像物镜聚焦，严格像方远心地在一次成像面处成像，不同孔径角的n段光束在微透镜阵列处，通过微透镜阵列间的相对位移被选择切换；被选择的光束通过二次成像物镜，以一定比例的物像关系成像在探测器上。
2.如权利要求1所述的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，所述视场分割光楔，为红外材料，由硅和锗组合的方式组成消色差光楔组。
3.如权利要求1所述的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，所述一次成像物镜要求严格像方远心，来自于不同视场范围的n段光束在一次成像面处顺序分布在像方孔径角内，所有入射在一次成像面的孔径角相等。
4.如权利要求1所述的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，所述微透镜阵列尺寸即一次成像面大小，也是二次成像物镜的物面，为实现高分辨率，一个微透镜单元对应一个像素点，则由探测器尺寸决定微透镜单元尺寸。
5.如权利要求1所述的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，第一片微透镜阵列，其作用是把n个不同孔径角内的光束，在空间上线性分布于第二片微透镜阵列前表面的n个不同孔径处，在第二片微透镜阵列的每个单元中间孔径镀增透膜，其他区域镀金属反射膜，或者在第二片微透镜前加掩膜板，通过其X向和Y向的微小位移来选择n个不同孔径的光束，然后将其在微透镜阵列后聚焦，完成n段视场的选择切换；所述微透镜阵列，其每个单元的结构是以开普勒望远镜结构为原型；所述微透镜阵列，光束只能在每个单元通道内传输，不能在各个单元间串扰，避免杂散光的产生和光能损失。
6.如权利要求1所述的基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学***，其特征是，经微透镜阵列切换选择的视场，可以是一维的n段视场，或者二维的n×n段视场。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210302 Termination date: 20210729 |
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