CN104407433A - 以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统 - Google Patents

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    • G02B19/0019—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having reflective surfaces only (e.g. louvre systems, systems with multiple planar reflectors)

Abstract

本发明涉及一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统，属于强激光近距离毁伤领域。本发明光学系统由椭球面反射镜(1)和抛物面反射镜(2)组成，激光器出射的高能激光先入射至抛物面反射镜(2)，再经抛物面反射镜(2)反射至椭球面反射镜(1)，由椭球面反射镜(1)汇聚至焦点处，对目标进行毁伤打击。所述椭球面反射镜(1)长轴焦点F2与抛物面反射镜(2)焦点F1’重合，且椭球面反射镜(1)长轴与抛物面反射镜(2)的光轴重合。本发明在传统以抛物镜为主镜的离轴反射光学系统基础上，对光学系统进行了优化，在不改变原系统体积、重量和加工成本的前提下，提高了出射激光在近距离的会聚能力，增强了系统作战效力。

Description

以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统
技术领域
本发明涉及离轴反射光学系统，特别涉及一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统，属于强激光近距离毁伤领域。
技术背景
根据快速发展的近距离防空军事领域的需求，激光毁伤装置的应用越来越广泛。此类激光毁伤装置的作战距离主要集中在500m～3km,因此，激光出射系统的会聚光斑也需要在此作用范围内达到能量最大值。激光出射系统的传统结构形式由两片离轴抛物面镜构成平行光入射，平行光出射的无焦光学系统。系统的出射激光最佳工作点在∞远处，对于近距离的目标，系统依靠次镜的轴向移动，改变主次镜的间距，使光斑再次聚焦在不同物距处。此类系统的问题在于，系统在500m～3km的会聚点并不理想，造成了近距离下，激光聚焦光斑的功率密度降低，从而损失系统的毁伤能力。
发明内容
本发明的目的是为解决传统激光出射系统近距离激光汇聚不理想导致的毁伤能力弱的问题，提出一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统，该系统能在近距离工作下具有最强的激光能量集中度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统，由椭球主镜和抛物面次镜组成，激光器出射的高能激光先入射至抛物面次镜，再经抛物面次镜反射至椭球主镜，由椭球主镜汇聚至焦点处，对目标进行毁伤打击。
采用主镜为椭球镜，次镜为抛物面镜的光学结构。激光先经抛物面次镜反射，在焦点处形成完善像点，再入射至椭球面主镜，由椭球主镜汇聚至焦点处，对1.5km的目标精确聚焦。这种结构形式，能在近距离目标处很好的聚焦，从而提高在这些距离下，系统的毁伤能力，最大限度的发挥高能激光的毁伤能力。
有益效果：
本发明的优点在于利用光学设计优化了传统激光出射系统，用椭球面代替抛物面做系统主镜。由于椭球面主镜比抛物面主镜的结构具有更小的衍射光斑和更高的能量集中度，使得出射激光光斑更符合近距离毁伤的系统需求。同时，椭球面的加工工艺也未增加加工难度，没有造成加工成本的上升。系统在不改变原系统体积、重量和加工成本的前提下，提高了出射激光在近距离的会聚能力，增强了系统作战效力。因而，在近距离防空等军事领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明椭球面反射镜的原理光路图；
图2为本发明抛物面反射镜的原理光路图；
图3为本发明两反射系统的原理光路图；
图4为本发明以椭球面反射镜为主镜的系统在不同距离处相同比例尺下的光斑仿真图；
图5为本发明以抛物面反射镜为主镜的系统在不同距离处相同比例尺下的光斑仿真图。
附图标记：1-椭球面反射镜、2-抛物面反射镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
下面以一种应用于近距离激光毁伤武器的本发明的光学系统为例说明本发明。
一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统，系统放大倍率为7倍。激光光斑先入射至次镜即抛物面反射镜2，经次镜2反射，入射至主镜即椭球面反射镜1，由主镜1会聚在1.5km处。次镜2可进行轴向移动，通过调焦来实现在500m～3km的会聚。
参照图1，椭球面反射镜1有一对共轭几何焦点F1和F2，由F2发出的光线将严格会聚于F1，没有像差。非球面的方程为
其中，为椭球面的曲率，e椭球为椭球面的偏心率。
优化光学设计，计算椭球主镜的R0和e，使得椭球面的两个共轭长焦点为F1(-1500,0),F2(-247,0)。优化得，为1985mm，e椭球为-0.98。
参照图2，抛物面反射镜2有一对共轭几何焦点F1’和无穷远，由无穷远发出的光线将严格会聚于F1’，没有像差。非球面的方程为
其中，为抛物面的曲率，e抛物为抛物面的偏心率。
优化光学设计，计算抛物面镜的R0和e，使得抛物面的两个共轭长焦点为F1’(-247,0),F2’(∞,0)。优化得，为465.7mm，e椭球为-1。
由椭球面和抛物面的设计，得到，抛物面的焦点F1’(-247,0)与椭球面的焦点F2(-247,0)重合。由椭球面反射镜作为主镜，抛物面反射镜作为次镜，组成离轴反射光学系统的参数如表1所示，光学系统如图3所示。
<表1>
系统具有如下特性：入射至抛物面反射镜2的平行光会聚于椭球面反射镜1的长焦点F1处，并且具有完善的成像质量和最小的衍射光斑。
图4给出本发明在不同距离处的光斑仿真图。分别示出系统在激光器出射端(激光器出射激光为35mm×35mm的方形光束)、0.5km、1km、1.5km、2km和3km处的激光光斑情况。由仿真的数据可以得到椭球面主镜在不同距离处的光斑尺寸，如表2所示。
<表2>
目标距离(km) 0.5 1 1.5 2 3
光斑直径(mm) 26.5 38 43.5 58 107
比较同样指标的抛物面主镜在不同距离处的光斑尺寸如表3所示：
<表3>
目标距离(km) 0.5 1 1.5 2 3
光斑直径(mm) 70 75 90 105 140
进一步比较抛物面主镜和椭球面主镜在不同距离处的光斑仿真情况，如图5所示。
通过比较，椭球面主镜的结构在目标距离为500m～3km时，比抛物面主镜的结构具有更小的衍射光斑和更高的能量集中度。因此，从系统的实际工作距离指标出发，激光发射系统的主次镜结构为椭球面主镜与抛物面次镜的组合，可以在实际使用中最大限度的发挥高能激光的优势。
最后应说明的是：本实施例仅为了说明本发明而非限制本发明所述的技术放案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或替换；任何不脱离本发明技术方案的改进，均涵盖于本发明所要求的权利范围内。

Claims (3)

1.一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统,其特征在于：由椭球面反射镜(1)和抛物面反射镜(2)组成，激光器出射的高能激光先入射至抛物面反射镜(2)，再经抛物面反射镜(2)反射至椭球面反射镜(1)，由椭球面反射镜(1)汇聚至焦点处，对目标进行毁伤打击。
2.根据权利要求1所述的一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统,其特征在于：所述椭球面反射镜(1)的长轴与所述抛物面反射镜(2)的光轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种以椭球镜为主镜的离轴反射光学系统,其特征在于：所述椭球面反射镜(1)的长轴上距离所述抛物面反射镜(2)较近的焦点与所述抛物面反射镜(2)的焦点重合。
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