一种可见光波段的折超混合消色差光学系统

本技术属于光学透镜，更具体地，涉及一种可见光波段的折超混合消色差光学系统。

背景技术：

1、传统成像光学系统通常由不同种类的玻璃透镜等折射元件构成，这类透镜通过光传播过程中积累的相移实现对光波前的调控。然而，其实际工作空间与光学系统整体体积相比较小，空间利用率较低，不利于光学系统的微型化、小型化。此外，在传统透镜构成的光学系统中往往还存在色差，从而影响系统最终的成像效果，因此，消色差透镜在传统光学系统中是十分重要的。

2、消除色差是光学系统设计中的重点，对于未做消色差设计的光学系统，波长偏离中心波长的入射光会汇聚到光轴的其他位置上，从而产生色焦移，即焦点的偏移，同时光斑的质量也会较差，产生轴向色差。这些色差随着光学系统的工作带宽的增大会逐渐增大，使得系统无法正常聚焦。对于工作在宽波段的光学系统，其消色差设计是十分必要的。

3、目前常见的消色差超透镜受到单个微结构色散能力的限制，并且存在口径、焦距难以做大的问题，从而限制了其在光学系统中的实际应用，例如：申请号202211587119.4的中国专利申请公开了一种宽带消色差超透镜的设计方法，但是其焦距较短，超透镜口径较小，限制了其在光学系统中的实际应用。因此，存在超表面透镜与传统透镜结合无法在可见光波段消除色差的问题。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本实用新型的目的在于可见光波段的折超混合消色差光学系统，旨在解决超表面透镜与传统透镜结合无法在可见光波段消除色差的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；

3、所述透镜组包括多个球面透镜，沿光轴设置于两片所述单面超表面透镜的两侧，用于对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；所述入射光的波长在可见光波段；

4、所述单面超表面透镜包括：介质衬底层和设置在靠近入射光侧面上的柱状微结构阵列；所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；所述单面超表面透镜用于对入射光的高级像差进行校正后出射；

5、所述单面超表面透镜的光焦度与所述透镜组的光焦度满足：

6、所述可见光焦平面探测器沿光轴设置于所述透镜组的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。

7、可选的，第一单面超表面透镜的晶格相位分布和第二单面超表面透镜的晶格的相位分布分别满足以下公式：

8、

9、

10、其中，ρ为超表面径向坐标、r为归一化半径；a1、b1、c1、d1为第一单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数，a2、b2、c2、d2为第二单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数。

11、可选的，所述单面超表面透镜上每个位置的柱状微结构单元的半径根据六方晶格周期阵列的相位分布确定。

12、可选的，两片所述单面超表面透镜之间的距离大于等于1mm。

13、可选的，所述柱状微结构单元的材料折射率大于等于所述介质衬底层的材料折射率。

14、可选的，所述柱状微结构单元的材料为二氧化钛，所述介质衬底层的材料为二氧化硅。

15、可选的，所述透镜组包括第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜；

16、沿光轴方向，所述第一球面透镜设置于两片所述单面超表面透镜的前侧，所述第二球面透镜和第三球面透镜依次设置于两片所述单面超表面透镜的后侧；

17、所述第一球面透镜在对入射光的初级像差进行校正的同时承担较大的光焦度。

18、可选的，所述第一球面透镜、第二球面透镜以及第三球面透镜均采用可见光可以透过的材料，包括玻璃n-psk53a、n-sf66中的一种或任意组合。

19、通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

20、1、本实用新型提供了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，采用折射透镜与超表面透镜混合的形式，超表面透镜凭借其重量轻、体积小的优势，有利于实现光学系统的紧凑化与轻型化；通过超表面的微结构阵列实现对入射光的精细调控，通过两片单面超表面透镜实现了可见光波段入射光色差的消除，能够在合理的设计下保证光学成像质量；同时使用球面透镜与超透镜进行配合使系统适用于宽波段。

21、2、本实用新型提供一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，调制传递函数(mtf)曲线接近衍射极限,在截止频率96lp/mm处mtf大于0.6，系统点列图均方根(rms)半径小于4微米，最大色焦移小于0.1％，利用简单的镜头结构实现了与小像元、大阵列可见光焦平面阵列的联合，实现高分辨可见光探测成像，成像质量良好，消色差性能优异；同时超透镜可以采用半导体工艺批量制造，提高了光学加工精度和可靠性，降低了批量化生产的成本。

技术特征：

1.一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；

2.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，第一单面超表面透镜的晶格相位分布和第二单面超表面透镜的晶格的相位分布分别满足以下公式：

3.如权利要求2所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述单面超表面透镜上每个位置的柱状微结构单元的半径根据六方晶格周期阵列的相位分布确定。

4.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，两片所述单面超表面透镜之间的距离大于等于1mm。

5.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的材料折射率大于等于所述介质衬底层的材料折射率。

6.如权利要求5所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的材料为二氧化钛，所述介质衬底层的材料为二氧化硅。

7.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述透镜组包括第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜；

8.如权利要求7所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述第一球面透镜、第二球面透镜以及第三球面透镜均采用可见光可以透过的材料，包括玻璃n-psk53a、n-sf66中的一种或任意组合。

技术总结本技术公开了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统。该系统包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；透镜组的多个球面透镜沿光轴设置于单面超表面透镜的两侧，对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；单面超表面透镜包括：介质衬底层和柱状微结构阵列；柱状微结构单元的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；单面超表面透镜对入射光的高级像差进行校正后出射；单面超表面透镜的光焦度与透镜组的光焦度满足：可见光焦平面探测器沿光轴设置于透镜组的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。实现光学系统的紧凑化与轻型化，可见光波段入射光色差的消除，保证光学成像质量。技术研发人员：易飞,刘斯坦,陈岩,李林翰,林永超受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：20230831技术公布日：2024/5/16