CN105116527A - 一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统 - Google Patents
一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，包含：若干个弯月负透镜，用于收集广角光线；反射式显微物镜组，其包含第一反射镜和第二反射镜；光线经过弯月负透镜出射至第一反射镜，第一反射镜反射光线至第二反射镜，并通过第二反射镜反射至像面。采用折反射式光学系统为基本结构，在大相对孔径及广角情况下实现低畸变和高透过率。折衍射透镜在前，反射组件在后，衍射透镜采用合理材料和衍射环。本发明整个系统结构简单，加工装调容易，透过率高，相对孔径大，畸变小。
Description
技术领域
本发明属于大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统设计，涉及一种消热差光学结构设计思想。
背景技术
红外光学系统的消热差设计是通过一定的机械、光学、电子等技术使红外系统在一个很大的温度范围内保持成像质量的稳定。一般有下面三种，机械主动式、机械被动式、光学被动式。由于光学被动式消热差系统具有重量轻、结构简单，更适合红外光学系统的需求，因此得到广泛的关注。
发明内容
本发明目的在于提供一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统。系统具有结构简单，重量轻，成本低，可靠性高，可实现大视场角、大相对孔径下的高透过率和低畸变、消热差设计。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特点是，包含：
若干个弯月负透镜，用于收集广角光线；
反射式显微物镜组，其包含第一反射镜和第二反射镜；光线经过弯月负透镜出射至第一反射镜，所述的第一反射镜反射光线至第二反射镜，并通过第二反射镜反射至像面。
所述的弯月负透镜为前组，用于收集光线作用；所述反射式显微物镜组为后组，用于显微成像。
所述的弯月负透镜前表面具有衍射面，用于消除色差。
所述的反射式显微物镜组直接在结构体上生成，且结构体为普通铝材料，实现消热差。
所述的弯月负透镜的材料根据不同使用场景选择锗或者硒化锌材料。
所述的光学系统可根据透过率要求不同，选择不同的透镜材料，工作波段可拓宽至3~16μm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.采用负透镜以及反射式显微物镜组，实现大视场角、大相对孔径下的高透过率和低畸变、无热化设计，可在-40℃~+60℃温度范围内获得良好、稳定的成像质量，成像质量接近衍射极限。
2.透过率高。本系统仅有一片透镜，其余为反射面，大大增加了系统的透过率。
3.解决了军用或空间光学仪器在恶劣温度环境下系统性能急剧下降，图像质量恶化等复杂问题，提高宽波段红外光学系统性能，同时具有结构简单，重量轻，成本低，可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明的一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统示意图；
图2为本发明具体实施方式中光学系统在室温+20℃的全视场弥散斑图；
图3为本发明具体实施方式中光学系统在室温+20℃的调制传递函数；
图4为本发明具体实施方式中光学系统在低温-40℃的调制传递函数；
图5为本发明具体实施方式中光学系统在高温+60℃的调制传递函数；
图6A为本发明具体实施方式中光学系统在全视场内的场曲图；
图6B为本发明具体实施方式中光学系统在全视场内的畸变图；
图7为本发明具体实施方式中光学系统在全视场内的相对照度图。
标号说明：L代表弯月负透镜、S1代表弯月负透镜前表面、S2代表弯月负透镜后表面、M1代表第一反射镜、M2代表第二反射镜。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，是本发明方法所设计的一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，超常温，单晶锗、铝结构材料结合使用的最佳实施例结构示意图。系统设计波段为14~16μm长波段，全视场角为170°，畸变不大于1%，系统焦距为4.18mm，F数为0.86，系统总长≤153mm的红外系统。
该光学系统包含：
一个弯月负透镜L或若干个弯月负透镜组成的弯月负透镜组，用于收集广角光线；
反射式显微物镜组，其包含第一反射镜M1和第二反射镜M2；光线经过弯月负透镜L出射至第一反射镜M1，所述的第一反射镜M1反射光线至第二反射镜M2，并通过第二反射镜M2反射至像面。
上述的弯月负透镜L为前组，用于收集光线作用；上述反射式显微物镜组为后组，用于显微成像。
上述的弯月负透镜L前表面具有衍射面，用于消除色差。
上述的反射式显微物镜组直接在结构体上生成，且结构体为普通铝材料，实现消热差。
在具体实施例中，上述的光学系统可根据透过率要求不同，选择不同的透镜材料，工作波段可拓宽至3~16μm。
各光学元件的具体参数如表1所示：
表1
其中，S1、S2、M1、M2面的非球面高次系数具体参数如表2所示：
表2
以及S1衍射面的相位系数具体参数如表3所示：
表3
其中，上述的弯月负透镜L的材料根据不同使用场景选择锗或者硒化锌材料，弯月负透镜的前表面采用衍射面，后表面采用偶次非球面，对比ZnSe和Ge，为了适合目前的加工工艺，工作在8~14μm波段本实例将衍射面设置在锗材料上。为了提高透过率，透镜两面镀理想AR膜。系统镜筒材料选用膨胀系数为23.5×10-6的普通铝材实现了-40℃~+60℃温度范围内的消热差设计，成像质量接近衍射极限。
本发明具体实施方式中光学系统的参数示意图，请参见图2~图7。
综上所述，本发明结构简单，重量轻，且合理利用光学材料与反射式镜筒结构材料，易于加工，并提高了系统的可靠性，实现了14~16μm波段内170°视场下的无热化设计，并且提高了透过率。符合现代广角红外光学系统的发展要求，可以应用在航天对地观测实践方案和无人机或者一般监控中。
本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把透镜由单片透镜改成两片或者多片透镜，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，包含：
若干个弯月负透镜，用于收集广角光线；
反射式显微物镜组，其包含第一反射镜和第二反射镜；光线经过弯月负透镜出射至第一反射镜，所述的第一反射镜反射光线至第二反射镜，并通过第二反射镜反射至像面。
2.根据权利要求1所述的大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，所述的弯月负透镜为前组，用于收集光线作用；所述反射式显微物镜组为后组，用于显微成像。
3.根据权利要求1所述的大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，所述的弯月负透镜前表面具有衍射面，用于消除色差。
4.根据权利要求1所述的大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，所述的反射式显微物镜组直接在结构体上生成，且结构体为普通铝材料，实现消热差。
5.根据权利要求1所述的大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，所述的弯月负透镜的材料根据不同使用场景选择锗或者硒化锌材料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的大相对孔径低畸变广角长红外折反射式光学系统，其特征在于，所述的光学系统可根据透过率要求不同，选择不同的透镜材料，工作波段可拓宽至3~16μm。
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