CN102393559B

CN102393559B - 一种无热化折反式共心光学系统

Info

Publication number: CN102393559B
Application number: CN2011104025790A
Authority: CN
Inventors: 段媛
Original assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Current assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN102393559A

Abstract

本发明公开了一种无热化折反式共心光学系统，包括整流罩、扫描镜、主镜、次镜和准直透镜组，所述主镜与整流罩具有公共球心，而且光阑在公共球心处；主镜和次镜采用相同的基底材料；所述准直透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，且三个透镜的性能参数满足以下3个方程。本发明的积极效果是，能在(-30°,+60°)范围内实现消热化，具体表现为：可以校正头罩的球差，同时光路不产生彗差、象散、畸变；主、次镜的热离焦量为零；三片不同材料的透镜组成准直透镜组，光焦度的分配满足消色差、消热化条件。

Description

一种无热化折反式共心光学系统

技术领域

本发明涉及机载光电领域，尤其是涉及一种无热化折反式共心光学系统。

背景技术

红外光学系统需要工作于恶劣的环境条件下，其中环境温度的变化是对红外光学仪器的严峻考验之一。由于红外光学材料的折射率温度系数dn／dt比较大，如常用的红外光学单晶锗为3．96×10^-6／℃ ，是可见光玻璃的近200倍，因此环境温度对红外系统的影响尤为严重。当环境温度变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生变化，同时元件材料的折射率也发生改变，从而引起系统焦距变化，像面发生位移，导致系统性能急剧下降，图像质量恶化。因此，在红外光学系统的设计过程中进行无热化设计是相当必要的。红外光学系统是红外系统的重要组成部分，同时由于安装平台的空间限制，一般要求光学系统结构紧凑，有以下两种方式：折射一次成像和折反式。折射一次成像第一片口径很大，焦距不易太长，进入系统杂散光多；折反式焦距长，主镜口径可以与入瞳直径相当，加遮光罩可以消除杂散光。在光电搜索跟踪系统中，为了能对空间几十度乘几十度的物面成像，以瞬时视场为单位用光学机械扫描的方法实现大的空间区域的目标的搜索成像，要用到大范围扫描镜。而大范围扫描镜的存在导致主镜离头罩距离远，像差校正困难。红外光学系统无热化设计的方法一般有以下三种:光学被动式、机械主动式和机械被动式。（一）光学被动式方法是不外加任何调焦机构,只依靠光学系统自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来实现无热化设计，这种方式具有结构简单、尺寸小、系统可靠性高等优点。（二）机械主动式方法,是在光学系统热敏感度大的光学元件附近加测温、反馈、驱动电路,根据已有的调焦数据,通过机械机构实现无热化。目前该方法技术成熟,国内多采用,但这种系统的体积和复杂性都很大,可靠性下降。（三）机械被动式无热化技术使用多种不同膨胀率材料或记忆合金来实现无热化补偿，可靠性高，缺点是体积大，极为笨重。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种适用于机载平台搜索跟踪系统的无热化折反式共心光学系统，能在(-30°, +60°)范围内实现消热化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无热化折反式共心光学系统，包括整流罩、扫描镜、主镜、次镜和准直透镜组，所述主镜与整流罩具有公共球心，而且光阑在公共球心处；主镜和次镜采用相同的基底材料；所述准直透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，且三个透镜的性能参数满足以下3个方程：

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

(2)

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE003

(3)

式中：

、、分别为第一近轴光线在三个透镜的高度；

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE007

、、

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE009

分别为三个透镜的光焦度；

为系统的光焦度；

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE011

、、

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE013

分别为三个透镜光学材料的阿贝数；

、

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE015

、

分别为三个透镜的热光系数；

为外部机械结构的线膨胀系数；且第一透镜和第二透镜胶合在一起组成双胶合透镜，双胶合透镜和第三透镜的间距满足公式：

Figure 2011104025790100002DEST_PATH_IMAGE019

。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

（1）主镜和整流罩的中心均在大范围扫描镜的中心，并设置为系统的入瞳，可以校正头罩的球差，同时光路不产生彗差、象散、畸变。

（2）主、次镜采用相同的基底材料，支撑结构件选用与其热膨胀系数相同的材料，主、次镜的热离焦量为零。

（3）三片不同材料的透镜组成准直透镜组，光焦度的分配满足消色差、消热化条件。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构原理图。

具体实施方式

一种无热化折反式共心光学系统，如图1所示，包括整流罩1、扫描镜2、主镜3、次镜4、准直透镜组（包括第一透镜5、第二透镜6和第三透镜7）、振镜8，及后端的转像系统、探测器等。其中，为突出本发明重点，未示出长波红外的后光学系统（包括像差校正和冷光阑匹配）。

所述整流罩1为球面整流罩；所述扫描镜2为用于大范围光轴指向的扫描平面反射镜；所述主镜3为旋转对称凹面反射镜；所述次镜4为旋转对称弯月曼金镜；主镜3与整流罩1具有公共球心，而且光阑在公共球心处；主镜3和次镜4采用相同的基底材料，镜筒（即支撑结构件）选用与其热膨胀系数相同的材料。

第一透镜5、第二透镜6和第三透镜7选择三种不同的红外材料。

本发明优先方案如下：

第一透镜5的材料为锗（Ge），第二透镜6的材料为溴碘化铊（KRS-5），第三透镜7的材料为硅（Silicon）。它们的在8-12微米的阿贝数、热光系数在表一中给出。用铝作镜筒材料，其热膨胀系数为2．36×10^-5。

表一红外材料的特性参数

材料	V_8-12	热光系数
			Ge	861.03	124.87
KRS-5	164.73	-233.22
			Silicon	241.00	61.93

由于消热化设计时必须同时满足光焦度、消色差和消热差的要求，因此，本发明构成准直透镜组的第一透镜5、第二透镜6和第三透镜7分别采用三种不同的光学材料制成，且第三透镜7为一片单透镜，第一透镜5和第二透镜6胶合在一起组成双胶合透镜，且三个透镜的各种性能参数必须满足以下3个方程：

(1)

(2)

(3)

式中：

、

、

分别为第一近轴光线在三个透镜的高度；

、

、

分别为三个透镜的光焦度；为系统的光焦度；

、

、

分别为三个透镜光学材料的阿贝数；

、

、

分别为三个透镜的热光系数；

为外部机械结构的线膨胀系数。

双胶合透镜（第一透镜5和第二透镜6胶合在一起组成）和单透镜（第三透镜7）的间距

满足如下公式：

然后利用光学设计软件（比如美国Focus公司研制的ZEMAX等）进行优化设计，获得满足像差平衡的各透镜的实际厚度、口径、光焦度、间距，最终得到本发明的无热化折反式共心光学系统。

本发明的工作原理是：红外辐射经整流罩1到扫描镜2，一次反射到主镜3、次镜4，形成一次像面，通过由第一透镜5、第二透镜6和第三透镜7构成的准直透镜组，形成准平行光，到振镜8形成无焦望远系统，再经后端的转像系统成像到红外探测器，进行100%效率的光瞳匹配。为解决由于大范围扫描镜2的存在、导致主镜3离整流罩1距离远，像差校正困难的问题，利用主镜3与整流罩1形成共心配置，而且光阑在公共球心处，那么该系统不但没有球差，而且没有彗差、象散和畸变，只有场曲、像面是与光阑共心的球面，及残存的轴向色差和带球差。主、次镜采用相同的基底材料，支撑结构件选用与其热膨胀系数相同的材料，则主次镜的热离焦量为零。再对准直透镜组进行光焦度的分配，消除整流罩和支撑准直透镜组的结构件随温度变化引起的像面漂移。这样后端的转像系统可以单独进行无热化设计。