CN110221420B - 双视场共孔径离轴三反光学系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双视场共孔径离轴三反光学系统及设计方法，包括小视场离轴三反光学系统和大视场离轴三反光学系统；小视场离轴三反光学系统包括主镜、次镜、第一折转反射镜、三镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器；大视场离轴三反光学系统包括校正镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器。本发明采用打进打出校正镜的方式实现大、小视场切换，使大视场打入校正镜之后的像差与小视场望远镜的像差基本一致，不仅可以显著减小小视场望远镜的设计难度，而且望远镜的主镜、次镜和三镜均采用二次曲面，与高次非球面相比，降低了加工和装调难度。大视场打进的校正镜可以与中继光学系统做像差匹配设计，从而保证大视场的像质满足使用要求。

Description

双视场共孔径离轴三反光学系统及设计方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学系统及设计方法，尤其涉及一种具有打进打出校正镜的双视场共孔径离轴三反光学系统及设计方法。

背景技术

为满足光电仪器作用距离越来越远的要求，光电系统的口径越来越大，视场越来越小，而对体积重量的要求越来越严格。因此，光电系统多采用大口径望远镜在满足大口径的同时，压缩中继系统的尺寸和重量。为了扩大观瞄范围，一般需要在小视场瞄准的基础上，增加大视场满足搜索功能。

透射式大口径望远镜由于重量、材料等因素的限制使用较少。反射式大口径望远镜有共轴反射式和离轴反射式。共轴反射式结构，存在中心遮拦，而且难以共用大视场，使其在双视场及多视场应用中受到限制。离轴反射式结构可解决共轴反射式存在的中心遮拦问题，而且可以实现双视场或多视场。

专利U.S.Pat.No.3674334中介绍了一种离轴三反光学系统，可以很好的解决中心遮拦问题，但是其体积太大，使其使用受限。专利U.S.Pat.No.5309276在离轴三反的基础上引入了一块反射镜转折光路，大大压缩了系统的空间尺寸，但是只是不同传感器单一视场共光路设计。专利U.S.Pat.No.6970286 B1可以实现多视场并且对系统体积进行了压缩，但是大、小视场切换采用的是打进打出平面反射镜的方式，若要与大视场完全共用中继成像系统，则需头部三反系统的像差与平板尽可能的一致，因此，给设计带来一定的困难，致使三反系统的设计结果较为复杂，主镜、次镜和三镜均使用了高次非球面，导致其加工、测试及装调难度增大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双视场共孔径离轴三反光学系统及设计方法，可减小离轴三反系统的设计难度，离轴三反系统的主镜、次镜和三镜均采用二次曲面便可以满足成像质量的要求。

本发明的技术方案为：

所述一种双视场共孔径离轴三反光学系统，其特征在于：包括小视场离轴三反光学系统和大视场离轴三反光学系统；

所述小视场离轴三反光学系统包括主镜、次镜、第一折转反射镜、三镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器；来自目标的大口径光束依次经过主镜、次镜、第一折转反射镜、三镜、第二折转反射镜后平行出射，再通过中继光学系统进行会聚成像到探测器上；

大视场离轴三反光学系统包括校正镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器；目标的大口径光束依次经过校正镜、第二折转反射镜后平行出射，再通过中继光学系统进行会聚成像到探测器上。

进一步的优选方案，所述一种双视场共孔径离轴三反光学系统，其特征在于：离轴三反光学系统参数为：

主镜反射面曲率半径为-733.03mm，表面间隔为-295mm，二次曲面系数为-1，有效口径为200mm；

次镜反射面曲率半径为-255.67mm，表面间隔为124mm，二次曲面系数为-6.62，有效口径为50mm；

第一折转反射镜表面间隔为-302mm，有效口径为28mm；

三镜反射面曲率半径为520mm，表面间隔为420mm，二次曲面系数为-1，有效口径为85mm；

第二折转反射镜表面间隔为-146mm，有效口径为90mm；

中继光学系统中的第一透镜前表面曲率半径为-61.77mm，表面间隔为-13mm，后表面曲率半径为-78.80mm，表面间隔为-0.11mm，第一透镜有效口径为74mm；

第二透镜前表面曲率半径为-37.39mm，表面间隔为-8.5mm，后表面曲率半径为-31.02mm，表面间隔为-4.2mm，第二透镜有效口径为58mm；

第三透镜前表面曲率半径为-44.19mm，表面间隔为-8.5mm，二次曲面系数为-0.118，后表面曲率半径为-27.65mm，表面间隔为-176mm，第三透镜有效口径为47mm；

第四透镜前表面曲率半径为27.09mm，表面间隔为-8.7mm，后表面曲率半径为31.32mm，表面间隔为-73.4mm，第四透镜有效口径为25mm；

第五透镜前表面曲率半径为-28.26mm，表面间隔为-8.5mm，后表面曲率半径为-178.91mm，表面间隔为-0.26mm，第五透镜有效口径为23mm；

第六透镜前表面曲率半径为-292.73mm，表面间隔为-5mm，后表面曲率半径为-40.87mm，表面间隔为-9.5mm，第六透镜有效口径为19mm；

校正镜采用第三折转反射镜和校正透镜组成，校正透镜前表面曲率半径为-147.25mm，表面间隔为-10mm，后表面曲率半径为-140.12mm，表面间隔为-370mm，校正透镜有效口径为63mm。

所述双视场共孔径离轴三反光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计小视场离轴三反望远系统：

小视场离轴三反光学系统主镜与次镜构成望远物镜，三镜为望远目镜；

根据设定的小视场离轴三反光学系统焦距f'以及小视场离轴三反光学系统F数F^#，根据公式f'＝D×F^#确定小视场离轴三反光学系统入瞳直径D，并以D作为小视场离轴三反望远系统的入瞳直径D₀；

根据设定的小视场离轴三反望远系统F数，通过公式f₀'＝D₀×F确定望远系统物镜焦距f₀'；根据设定的望远镜倍率Γ，通过公式f₀'/f_e'＝Γ确定望远系统目镜焦距f_e'，通过公式f_e'＝D_e×F，确定离轴三反望远系统出瞳直径D_e；

根据设计结果搭建离轴三反望远系统初始结构；

步骤2：根据小视场离轴三反光学系统焦距f'和望远镜倍率Γ得到中继光学系统的焦距，以此搭建中继光学系统初始结构；为满足冷阑匹配，中继光学系统采用中间转像初始结构；

步骤3：将步骤1的离轴三反望远系统初始结构与步骤2的中继光学系统初始结构对接，进行像差优化设计，使最终的像质满足使用要求；

步骤4：在步骤3的基础上，用校正镜取代前端的离轴三反望远系统，中继光学系统固定不变，根据大视场焦距，以校正镜光学参数作为变量进行优化，使最终的像质满足使用要求。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在以下两个方面。

(一)本发明采用打进打出校正镜的方式实现大、小视场切换，使大视场打入校正镜之后的像差与离轴三反小视场望远镜的像差基本一致，即降低了离轴三反小视场望远镜的像差要求，不仅可以显著减小离轴三反小视场望远镜的设计难度，而且离轴三反望远镜的主镜、次镜和三镜均采用二次曲面，与高次非球面相比，大大降低了加工和装调难度，节约成本，缩短研制周期。

(二)本发明大视场打进的校正镜与中继光学系统做像差匹配设计，从而保证大视场的像质满足使用要求。

附图说明

图1为小视场离轴三反光学系统。主镜1、次镜2、第一折转反射镜3、三镜4、第二折转反射镜5、中继光学系统6、探测器7。

图2为大视场光学系统。校正镜8、第二折转反射镜5、中继光学系统6、探测器7。

具体实施方式

下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。

本发明的优选实施例是针对离轴三反系统，采用打进打出校正镜的方式，实现大、小视场共孔径设计。

一种打进打出校正镜的双视场共孔径离轴三反光学系统，由小视场离轴三反光学系统和大视场离轴三反光学系统构成。如图1所示，小视场离轴三反光学系统由主镜1、次镜2、第一折转反射镜3、三镜4、第二折转反射镜5、中继光学系统6及探测器7组成。来自目标的大口径光束依次经过主镜1、次镜2、第一折转反射镜3、三镜4、第二折转反射镜5后压缩成小口径光束平行出射，再通过中继光学系统6进行会聚成像到探测器7上。如图2所示，大视场离轴三反光学系统由校正镜8、第二折转反射镜5、中继光学系统6及探测器7组成。来自目标的大口径光束依次经过校正镜8、第二折转反射镜5后平行出射，再通过中继光学系统6进行会聚成像到探测器7上。

上述打进打出校正镜的双视场共孔径离轴三反光学系统，其设计方法包括以下步骤：

步骤1：设计小视场离轴三反望远系统：

小视场离轴三反光学系统主镜与次镜构成望远物镜，三镜为望远目镜；

根据设定的小视场离轴三反光学系统焦距f'＝700以及小视场离轴三反光学系统F数F^#＝3.89，根据公式f'＝D×F^#确定小视场离轴三反光学系统入瞳直径D＝180，并以D作为小视场离轴三反望远系统的入瞳直径D₀＝180；

根据设定的小视场离轴三反望远系统F数F＝4.62，通过公式f₀'＝D₀×F确定望远系统物镜焦距f₀'＝831.6；根据设定的望远镜倍率Γ＝3.2，通过公式f₀'/f_e'＝Γ确定望远系统目镜焦距f_e'＝260，通过公式f_e'＝D_e×F，确定离轴三反望远系统出瞳直径D_e＝56.25；

根据设计结果搭建离轴三反望远系统初始结构。

步骤2：根据小视场离轴三反光学系统焦距f'＝700和望远镜倍率Γ＝3.2得到中继光学系统的焦距为218.75，以此搭建中继光学系统初始结构；为满足冷阑匹配，中继光学系统采用中间转像初始结构；

步骤3：将步骤1的离轴三反望远系统初始结构与步骤2的中继光学系统初始结构对接，进行像差优化设计，使最终的像质满足使用要求；光学参数如表1所示，其中中继光学系统6由6片透镜组成。

步骤4：在步骤3的基础上，用校正镜取代前端的离轴三反望远系统，中继光学系统固定不变，根据大视场焦距(大小视场变倍比为3倍，即焦距为233)，以校正镜光学参数作为变量进行优化，使最终的像质满足使用要求。光学参数如表2所示，其中校正镜8由反射镜8-1和校正透镜8-2组成。

表1离轴三反小视场光学系统参数

表2大视场光学系统参数

Claims (2)

1.一种双视场共孔径离轴三反光学系统，其特征在于：包括小视场离轴三反光学系统和大视场离轴三反光学系统；

所述小视场离轴三反光学系统包括主镜、次镜、第一折转反射镜、三镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器；来自目标的大口径光束依次经过主镜、次镜、第一折转反射镜、三镜、第二折转反射镜后平行出射，再通过中继光学系统进行会聚成像到探测器上；

大视场离轴三反光学系统包括校正镜、第二折转反射镜、中继光学系统及探测器；目标的大口径光束依次经过校正镜、第二折转反射镜后平行出射，再通过中继光学系统进行会聚成像到探测器上；

所述双视场共孔径离轴三反光学系统通过以下步骤设计得到：

步骤1：设计小视场离轴三反望远系统：

小视场离轴三反光学系统主镜与次镜构成望远物镜，三镜为望远目镜；

根据设定的小视场离轴三反光学系统焦距f'以及小视场离轴三反光学系统F数F^#，根据公式f'＝D×F^#确定小视场离轴三反光学系统入瞳直径D，并以D作为小视场离轴三反望远系统的入瞳直径D₀；

根据设定的小视场离轴三反望远系统F数，通过公式f₀'＝D₀×F确定望远系统物镜焦距f₀'；根据设定的望远镜倍率Γ，通过公式f₀'/f_e'＝Γ确定望远系统目镜焦距f_e'，通过公式f_e'＝D_e×F，确定离轴三反望远系统出瞳直径D_e；

根据设计结果搭建离轴三反望远系统初始结构；

步骤2：根据小视场离轴三反光学系统焦距f'和望远镜倍率Γ得到中继光学系统的焦距，以此搭建中继光学系统初始结构；为满足冷阑匹配，中继光学系统采用中间转像初始结构；

步骤3：将步骤1的离轴三反望远系统初始结构与步骤2的中继光学系统初始结构对接，进行像差优化设计，使最终的像质满足使用要求；

步骤4：在步骤3的基础上，用校正镜取代前端的离轴三反望远系统，中继光学系统固定不变，根据大视场焦距，以校正镜光学参数作为变量进行优化，使最终的像质满足使用要求。

2.根据权利要求1所述一种双视场共孔径离轴三反光学系统，其特征在于：离轴三反光学系统参数为：

主镜反射面曲率半径为-733.03mm，表面间隔为-295mm，二次曲面系数为-1，有效口径为200mm；

次镜反射面曲率半径为-255.67mm，表面间隔为124mm，二次曲面系数为-6.62，有效口径为50mm；

第一折转反射镜表面间隔为-302mm，有效口径为28mm；

三镜反射面曲率半径为520mm，表面间隔为420mm，二次曲面系数为-1，有效口径为85mm；

第二折转反射镜表面间隔为-146mm，有效口径为90mm；

中继光学系统中的第一透镜前表面曲率半径为-61.77mm，表面间隔为-13mm，后表面曲率半径为-78.80mm，表面间隔为-0.11mm，第一透镜有效口径为74mm；

第二透镜前表面曲率半径为-37.39mm，表面间隔为-8.5mm，后表面曲率半径为-31.02mm，表面间隔为-4.2mm，第二透镜有效口径为58mm；

第三透镜前表面曲率半径为-44.19mm，表面间隔为-8.5mm，二次曲面系数为-0.118，后表面曲率半径为-27.65mm，表面间隔为-176mm，第三透镜有效口径为47mm；

第四透镜前表面曲率半径为27.09mm，表面间隔为-8.7mm，后表面曲率半径为31.32mm，表面间隔为-73.4mm，第四透镜有效口径为25mm；

第五透镜前表面曲率半径为-28.26mm，表面间隔为-8.5mm，后表面曲率半径为-178.91mm，表面间隔为-0.26mm，第五透镜有效口径为23mm；

第六透镜前表面曲率半径为-292.73mm，表面间隔为-5mm，后表面曲率半径为-40.87mm，表面间隔为-9.5mm，第六透镜有效口径为19mm；

校正镜采用第三折转反射镜和校正透镜组成，校正透镜前表面曲率半径为-147.25mm，表面间隔为-10mm，后表面曲率半径为-140.12mm，表面间隔为-370mm，校正透镜有效口径为63mm。

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