CN107817598A - 一种长焦距共口径反射式光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长焦距共口径反射式多光谱光学系统，第一部分用于将光束进行准直缩束的望远系统光路，第二部分为可用于所有波段成像的成像系统光路部分；望远系统光路中主镜和次镜为卡塞格林结构形式，三镜设置于次镜镜与四镜之间的位置，实现望远系统光路的转折，很好的压缩了望远系统光路的长度；快速反射镜位于第四反射镜与第六反射镜之间，实现望远系统光路的转折，连接成像系统光路，从而在宽度上压缩了系统的尺寸，使得本发明的光学系统结构紧凑；采用全反射式望远系统和成像系统，减轻的系统重量；成像系统光路的5片反射镜同轴设置，使得本发明的系统装调更加容易。

Description

一种长焦距共口径反射式光学系统
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种长焦距共口径反射式多光谱 光学系统。
背景技术
在工业检测和国防军事应用领域，为了在不同外界环境下快速、及时的发 现超远距离目标并实现对超远目标的实时跟踪和精确测量，既要求得到目标的 可见光图像，还需要得到目标的红外图像，同时对光学系统的口径提出很高的 要求。可见和红外结合的多光谱光学系统其可见光能被人眼接受，观测方便， 而且在夜间和微光条件下，以及在有雾或有遮挡时红外系统具有良好的烟雾、 尘埃穿透能力，无昼夜限制受环境影响小等优点。
而且，对于高空侦察或侦察打击型大型机载平台而言，为提高目标探测/ 识别能力，要求其负载的光学系统具有空间分辨率高、作用距离远、识别概率 高等特点。这要求该光学系统具有极长的焦距，长焦距即意味着大口径，同时 为了实现机载环境中成像的稳定，需要增加基于快速反射镜的二级稳定伺服控 制，这就要求光路中必须存在平行光路，因此此类光学系统可以分为两个组成 部分：1将光线准直缩束的望远镜系统；2进行成像的成像系统。目前国内外对 于多光谱光学系统的研究均有涉及，为了降低设计难度，这两个光学系统通常 是单独设计的、分离的，在使用时需要两个光学系统才能够实现所需功能，这 会造成系统体积过大、重量太重，不能适用于高空侦察或侦察打击型机载平台。
为了克服上述缺陷，申请号为201510204445.6的中国专利申请文件中公 开了一种双波段共口径共光路成像光学系统，中波和长波系统通过共用主反射 镜、次反射镜和准直透镜组，构成望远系统，然后分光路通过透射式成像组实 现各自成像。申请号为201310248836.9的中国专利申请文件中公开了一种红外 和可见光共口径共光路变焦成像光学系统，红外和可见光共用前固定组、变焦 组和补偿组，然后通过棱镜分光各自通后固定组成像。
上述两种专利为了实现多光谱共口径系统，都采用了或者部分采用的透射 元件，这种方案中要求对透射元件在红外和可见光波段均有较高的透过率，这 种材料目前常见的有多光谱ZnS，氟化物晶体(MgF2，CaF2和BaF2等)，蓝宝 石等，它们价格较贵，而且一些氟化物材料具有一定水溶性，对环境湿度要求 较高。另外含有透射式元件的系统对温度变化敏感，需要单独进行消热和温控 设计，提高了系统成本和设计难度。
而全反射式共口径光多光谱学系统由于在多波段均有很高的反射率，结构 紧凑重量轻，而且具有很好的温度稳定性，具有很好的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种共口径反射式多光谱光学系统，本发明实现 了长焦距多波段光学系统共口径成像，且具有结构相对紧凑、重量轻、成像质 量好、可在较宽温度下稳定工作的特点。
一种反射式光学系统，包括望远系统光路和成像系统光路；所述望远系统 光路从光束入射方向依次包括主镜1、次镜2、第一转折平面反射镜3、第四反 射镜4以及快速反射镜5；所述主镜1和次镜2形成卡塞格林结构形式，主镜1 开有中心孔；第一转折平面反射镜3位于次镜2的反射光路中，并将光束反射 到卡塞格林结构光轴的一个侧面，第四反射镜4位于次镜2所成的第一像面之 后，接收第一转折平面反射镜3的反射光束后，再将其反射至快速反射镜5；快 速反射镜5位于第一转折平面反射镜3和第四反射镜4之间，并将接收的光束反射至成像系统光路；
所述成像系统光路沿光束传播方向依次包括第六反射镜6、第七反射镜7、 第八反射镜8、第二转折平面反射镜9、第三转折平面反射镜10以及成像镜组； 第六反射镜6、位于第七反射镜7和第八反射镜8之间；第六反射镜6将从快速 反射镜5接收的光束反射至第七反射镜7，经第七反射镜7反射至第八反射镜8； 所述第二转折平面反射镜9位于第八反射镜8的反射光路；
所述成像镜组包括两个响应不同波段光束的探测器，第一探测器和第二探 测器；
第三转折平面反射镜10位于第二转折平面反射镜9的反射光路中，并可在 光路中切入或者切出；第二探测器位于第二转折平面反射镜9的焦平面上；第 一探测器位于第三转折平面反射镜10的焦平面上。
较佳的，所述次镜2相对于X轴偏心并相对于Y轴倾斜；次镜2的倾斜为| α1|<6°；偏心|d1|<8mm；其中，Z轴沿所述卡塞格林结构的光轴方向，Y轴与 Z轴平行，X轴由Y轴和Z轴通过右手定则确定。
较佳的，所述第四反射镜4相对于X轴偏心并相对于Y轴倾斜；倾斜为-30° <α2<0°，偏心-90mm<d1<-70mm。
较佳的，第一探测器和第二探测器为响应可见光0.5μm～0.7μm、短波红 外0.9μm～1.5μm、中波红外3μm～5μm和长波8μm～12μm四种波段中的任 意两种。
较佳的，所述第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8位于同一光轴上， 均为凹面镜。
较佳的，所有反射镜材料为铝、铍或者铍铝合金。
较佳的，所有与反射镜连接的结构件材料与反射镜材料相同。
本发明具有如下有益效果：1、本发明整个光路分为两个部分，第一部分用 于将光束进行准直缩束的望远系统光路，第二部分为可用于所有波段成像的成 像系统光路部分；望远系统光路中主镜1和次镜2为卡塞格林结构形式，三镜 设置于次镜镜与四镜之间的位置，实现望远系统光路的转折，很好的压缩了望 远系统光路的长度；快速反射镜5位于第四反射镜与第六反射镜之间，实现望 远系统光路的转折，连接成像系统光路，从而在宽度上压缩了系统的尺寸，使 得本发明的光学系统结构紧凑；采用全反射式望远系统和成像系统，减轻的系 统重量；2、成像系统光路的5片反射镜同轴设置，使得本发明的系统装调更加容易；
3、反射镜支撑和固定材料采用与镜面相同的金属，从而大大提高了系统的 温度适应性和稳定性，而现有的技术中一般采用反射式和透射式元件组合实现 望远系统，但是在宽波段具有高透过率的透镜材料种类稀少、昂贵且物理性质 缺乏稳定性，同时透镜材料物理性质随温度变化非常敏感，严重影响了成像质 量；
4、本发明的光学系统通过对光学系统的优化，第四反射镜4采用高次非球 面，很好的校正了各种轴上及轴外像差，使其具有成像质量高的优点。
附图说明
图1是本发明的反射式共口径多波段光学系统的结构图；
图2是本发明的反射式共口径多波段光学系统的侧视光路结构；
图3是本发明的反射式共口径多波段光学系统中成像光路结构；
图4是本发明的反射式共口径多波段光学系统在0.5～0.7μm的光学传递函 数MTF；
图5是本发明的反射式共口径多波段光学系统在0.9～1.5μm的光学传递函 数MTF；
图6是本发明的反射式共口径多波段光学系统在3～5μm的光学传递函数 MTF；
图7是本发明的反射式共口径多波段光学系统在8～10μm的光学传递函数 MTF。
其中，1-主镜、2-次镜、3-第一转折平面反射镜、4-第四反射镜、5-快速 反射镜、6-第六反射镜、7-第七反射镜、8-第八反射镜、9-第二转折平面反射 镜、10-第三转折平面反射镜，I-第一探测器，II-第二探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种共口径反射式多光谱光学系统，如图1和2所示，包括两个 部分，第一部分用于将光束进行准直缩束的望远系统光路，第二部分为可用于 可见、短波、中波红外或者长波红外波段成像的成像系统光路；
望远系统从光束入射方向依次包括从光束入射方向依次包括主镜1、次镜2、 第一转折平面反射镜3、第四反射镜4以及快速反射镜5；
如图3所示，成像系统光路依次排布包括第六反射镜6、第七反射镜7、第 八反射镜8、第二转折平面反射镜9、第三转折平面反射镜10以及成像镜组；
主镜1的反射面和次镜2的反射面相对排布，主镜1开有中心孔，且主镜1 和次镜2形成卡塞格林结构形式；第四反射镜4位于次镜2所成的第一像面之 后；为了校正望远系统的象散和彗差，次镜2和第四反射镜4都引入了偏心和 倾斜，一般光学设计工作者通过常规的光学设计软件优化，可得到偏心(Y轴方 向)和倾斜(绕X轴)的值，其中次镜2的倾斜为α1(|α1|<6°)、偏心d1 (|d1|<8mm)，第四反射镜4的倾斜为α2(-30°<α2<0°)、偏心d2 (-90mm<d1<-70mm)。其中，Z轴沿所述卡塞格林结构的光轴方向，Y轴与Z轴 平行，X轴由Y轴和Z轴通过右手定则确定。
所述第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8位于同一光轴上，均为凹 面镜；第六反射镜6接收快速反射镜5的反射光，并将其反射至第七反射镜7； 第七反射镜7再将光线反射至第八反射镜8；其中，第六反射镜6位于第七反射 镜7与第八反射镜8之间；第二转折平面反射镜9用于反射从第八反射镜8出 射的光，然后反射到成像镜组。
成像镜组包括成像转折平面反射镜三和两个探测器；第三转折平面反射镜 10可在光路中切入和切出，通过切入和切出光路来选择不同波段的成像探测器； 探测器II位于第二转折平面反射镜9的焦平面上，第三转折平面反射镜10切 出时，第二转折平面反射镜9将光线聚焦到探测器II上进行成像；探测器I位 于成像转折平面反射镜9的焦平面上，当成像转折平面反射镜9切入时，将光 线聚焦到探测器I上进行成像；探测器I和II为响应可见光0.5～0.7μm、短波 红外0.9～1.5μm、中波红外3～5μm和长波8～12μm四种波段中的任意两种。
该系统的工作波段为可见光0.5～0.7μm、短波0.9～1.5μm、中波3～5μm 和长波8～12μm，通过切换转折平面反射镜10实现不同波段探测器探测。
所有反射镜材料为铝、铍或者铍铝。
所有与反射镜连接的结构件材料与反射镜材料相同，使得反射镜与结构件 的膨胀系统相同，使得温度对成像质量的影响降到最低。
该光学系统的工作温度范围为-50℃～+60℃；
第四反射镜4的非球面满足如下函数：
其中z为以非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic 系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a4、a6、a8为非球面系 数。
实施示例：
以下仅是作为本发明的一个优选实例，选用的系统焦距为F＝1500mm，焦比 值(F/D)为6，视场0.2°×0.2°。对照图1选取一系列较优数据如下表1、 表2、表3所示。
表2
表面 a4 a6 a8
S4 -2.74e-9 9.62e-13 -7.34e-17
表3
上述较佳实施例中第四反射镜4采用了非球面。
在本实施例的基础上，图4展示了本系统在0.5～0.7μm的光学传递函数MTF； 图5展示了本系统在0.9～1.5μm的光学传递函数MTF；图6展示了本系统在3～5 μm的光学传递函数MTF,图7展示了本系统在8～10μm的光学传递函数MTF,各 个波段的光学传递函数接近衍射极限，表明成像质量优良。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射式光学系统，其特征在于，包括望远系统光路和成像系统光路；所述望远系统光路从光束入射方向依次包括主镜1、次镜2、第一转折平面反射镜3、第四反射镜4以及快速反射镜5；所述主镜1和次镜2形成卡塞格林结构形式，主镜1开有中心孔；第一转折平面反射镜3位于次镜2的反射光路中，并将光束反射到卡塞格林结构光轴的一个侧面，第四反射镜4位于次镜2所成的第一像面之后，接收第一转折平面反射镜3的反射光束后，再将其反射至快速反射镜5；快速反射镜5位于第一转折平面反射镜3和第四反射镜4之间，并将接收的光束反射至成像系统光路；
所述成像系统光路沿光束传播方向依次包括第六反射镜6、第七反射镜7、第八反射镜8、第二转折平面反射镜9、第三转折平面反射镜10以及成像镜组；第六反射镜6、位于第七反射镜7和第八反射镜8之间；第六反射镜6将从快速反射镜5接收的光束反射至第七反射镜7，经第七反射镜7反射至第八反射镜8；所述第二转折平面反射镜9位于第八反射镜8的反射光路；
所述成像镜组包括两个响应不同波段光束的探测器，第一探测器和第二探测器；
第三转折平面反射镜10位于第二转折平面反射镜9的反射光路中，并可在光路中切入或者切出；第二探测器位于第二转折平面反射镜9的焦平面上；第一探测器位于第三转折平面反射镜10的焦平面上。
2.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述次镜2相对于X轴偏心并相对于Y轴倾斜；次镜2的倾斜为|α1|<6°；偏心|d1|<8mm；其中，Z轴沿所述卡塞格林结构的光轴方向，Y轴与Z轴平行，X轴由Y轴和Z轴通过右手定则确定。
3.如权利要求2所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述第四反射镜4相对于X轴偏心并相对于Y轴倾斜；倾斜为-30°<α2<0°，偏心-90mm<d1<-70mm。
4.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，第一探测器和第二探测器为响应可见光0.5μm～0.7μm、短波红外0.9μm～1.5μm、中波红外3μm～5μm和长波8μm～12μm四种波段中的任意两种。
5.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8位于同一光轴上，均为凹面镜。
6.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所有反射镜材料为铝、铍或者铍铝合金。
7.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所有与反射镜连接的结构件材料与反射镜材料相同。
8.如权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，系统中各光学器件的参数如下下表：
9.如权利要求8所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述第四反射镜(4)的非球面方程为：
其中，z为以非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a4、a6、a8为非球面系数，具体参数如下：
10.如权利要求8所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述次镜(2)、第四反射镜(4)和快速反射镜(5)的偏心以及倾斜参数如下表：
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112558286A (zh) * 2020-12-16 2021-03-26 航天科工微电子系统研究院有限公司 用于光电跟瞄装备的大口径动态调光大光程短波光学系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102736237A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 北京空间机电研究所 空间天文观测红外望远镜的光学系统
CN103293697A (zh) * 2013-06-21 2013-09-11 中科院南京天文仪器有限公司 大视场离轴主焦点式平行光管光学系统
CN105425392A (zh) * 2015-12-09 2016-03-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统
CN206248908U (zh) * 2016-11-09 2017-06-13 苏州大学 宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统
CN107167904A (zh) * 2017-06-22 2017-09-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种共口径反射式多光谱光学系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102736237A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 北京空间机电研究所 空间天文观测红外望远镜的光学系统
CN103293697A (zh) * 2013-06-21 2013-09-11 中科院南京天文仪器有限公司 大视场离轴主焦点式平行光管光学系统
CN105425392A (zh) * 2015-12-09 2016-03-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统
CN206248908U (zh) * 2016-11-09 2017-06-13 苏州大学 宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统
CN107167904A (zh) * 2017-06-22 2017-09-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种共口径反射式多光谱光学系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112558286A (zh) * 2020-12-16 2021-03-26 航天科工微电子系统研究院有限公司 用于光电跟瞄装备的大口径动态调光大光程短波光学系统

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