CN111258042A

CN111258042A - 一种折反射双波段无焦光学系统

Info

Publication number: CN111258042A
Application number: CN201911393165.9A
Authority: CN
Inventors: 刘琳; 彭晴晴; 闯家亮
Original assignee: CETC 11 Research Institute
Current assignee: CETC 11 Research Institute
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明公开了一种折反射双波段无焦光学系统，按照光线传播方向，包括依次同轴设置的主镜、次镜和双波段透镜组，其中：所述主镜，用于接收入射光并反射至所述次镜；所述次镜，用于将主镜反射出的光光线反射至所述双波段透镜组；所述双波段透镜组，用于将次镜反射出的光线折射后出射。本发明的折反射双波段无焦光学系统，具有视场大、尺寸紧凑、覆盖中长波红外双波段的优点，尤其适用于大口径、长焦距但体积重量要求苛刻的机载环境。

Description

一种折反射双波段无焦光学系统

技术领域

本发明涉及关学设计技术领域，尤其涉及一种折反射双波段无焦光学系统。

背景技术

近年来，大口径光学系统的应用越来越广泛，在对远距离目标进行探测时，具有高能量集中度与高分辨率的优势。并且随着目标特性越来越复杂，对目标的红外辐射探测也不局限于单一波段，更多的是需要中长波双波段进行融合，来提高目标的辐射特征，以便更好的实现复杂背景下对目标的探测与识别。大口径光学都采用反射式光学系统，与透射式光学系统相比，反射式光学系统具有焦距长、口径大、无色差成像质量高等很多优点。目前广泛应用的同轴反射式光学都是基于卡塞格林系统的，但是普遍存在视场小、遮拦比和长度矛盾不能很好地平衡、只限于一个波段等缺陷。

现有的双波段折反射光学系统，双波段共孔径都是由主次镜构成的卡塞格林系统，而分光是在主次镜系统的焦点后进行的。系统仅通过主次镜系统构成的共孔径光学，其实质是反射式光学，因此，无法实现大视场。而且在焦点后分光，系统长度很长，体积较大。此外，双波段也主要是在短波红外 (1μm～3μm)和中波红外，但无法将波段延伸至长波红外。

发明内容

本发明实施例提供一种折反射双波段无焦光学系统，用以实现大口径、大视场、中长波红外双波段的性能。

本发明实施例提供一种折反射双波段无焦光学系统，按照光线传播方向，包括依次同轴设置的主镜、次镜和双波段透镜组，其中：

所述主镜，用于接收入射光并反射至所述次镜；

所述次镜，用于将主镜反射出的光光线反射至所述双波段透镜组；

所述双波段透镜组，用于将次镜反射出的光线折射后出射。

可选的，所述主镜为凹面镜，所述次镜为凸面镜；

其中，所述主镜的面形为预设值，所述次镜的面形为轴对称高次非球面。

可选的，主镜和次镜的组合焦距与所述折反射双波段无焦光学系统的系统倍率的积在预设范围内。

可选的，所述双波段透镜组为正屈光度透镜组，所述双波段透镜组包括三片连续设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜。

可选的，所述第一透镜为凹面朝向次镜的负透镜；

所述第二透镜为双面凸的正透镜；

所述第三透镜为凹面朝向次镜的正透镜；

所述折反射双波段无焦光学系统的一次像面的焦点在所述次镜与第一透镜之间。

可选的，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜分别采用不同的材料制成。

可选的，所述折反射双波段无焦光学系统的总长小于等于150mm，系统遮拦比0.2≤α≤0.5，系统倍率满足1/6≤r≤1，系统F数满足1.4≤F≤4，系统的视场角3°≤θ≤4°；

所述主镜口径D满足，200mm≤D≤500mm。

可选的，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面形均为高次非球面。

可选的，所述折反射双波段无焦光学系统的系统波段满足，中波3μm～5μm，长波7.7μm～10.3μm。

本实施例提出一种折反射双波段无焦光学系统，具有视场大、尺寸紧凑、覆盖中长波红外双波段的优点，尤其适用于大口径、长焦距但体积重量要求苛刻的机载环境。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例折反射双波段无焦光学系统的光路示意图；

图2为本发明实施例折反射双波段无焦光学系统的中波成像MTF图；

图3为本发明实施例折反射双波段无焦光学系统的长波成像MTF图；

图4为本发明实施例折反射双波段无焦光学系统的中波畸变和场曲图；

图5为本发明实施例折反射双波段无焦光学系统的长波畸变和场曲图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种折反射双波段无焦光学系统，如图1所示，按照光线传播方向，包括依次同轴设置的主镜1、次镜2和双波段透镜组，其中：

所述主镜1，用于接收入射光并反射至所述次镜2；

所述次镜2，用于将主镜1反射出的光光线反射至所述双波段透镜组；

所述双波段透镜组，用于将次镜反射出的光线折射后出射。

本实施例的一种基于卡式系统的折反射双波段无焦光学系统，本发明在卡塞格林系统的反射式基础上，加入双波段透镜组，实现了系统视场的增大，折反射双波段无焦光学系统在出射端后进行双波段分光，具有视场大、尺寸紧凑、覆盖中长波红外双波段的优点，尤其适用于大口径、长焦距但体积重量要求苛刻的机载环境。

可选的，所述主镜为凹面镜，所述次镜为凸面镜；

具体的，在本实施例中，如图1所示，主镜1为凹面镜，次镜2为凸面镜，其中在本发明的一种实施方式中，次镜的面形为轴对称高次非球面，主镜的面形可以是K＝-1。

本实施例中，次镜采用高次非球面可以进一步消除彗差，具体的分析过程如下：

卡式系统像差系数，满足：

其中，β为系统焦距f′与主镜焦距f′₁的比值，

b是主镜后截距。e₁、e₂分别是主次镜的偏心率。S_Ⅰ～S_Ⅴ分别为系统的球差、彗差、象散、场曲和畸变。

考虑到加工和检测工艺，本实施例中主镜1沿用传统卡式的抛物面镜。抛物面镜的偏心率为

为了保证系统结构的紧凑性，b的选择根据系统空间尺寸而定。主镜焦距则是根据主镜的F数确定，考虑大口径抛物面镜的实际加工能力，本实施例中F数不小于1.5。令S_Ⅰ＝0，S_Ⅱ＝0，即，主次镜消除系统球差和彗差，解出

和主次镜的组合焦距。

后续透镜组的残留像差为象散、场曲和畸变，共轴球面系统的像差为：

S_I'＝∑luni(i'-u)(i-i')

S_Ⅱ'＝∑luni(i'-u)(i-i')(i_p/i)

S_Ⅲ'＝∑luni(i'-u)(i-i')(i_p/i)²

S_Ⅳ'＝∑j²(n'-n)/nn'r)

S_Ⅴ'＝∑(S_Ⅲ+S_Ⅳ)(i_p/i)

其中，S‘_Ⅰ和S‘_Ⅱ校正为0。其余象散、场曲和畸变应保证全系统的像差为 0。即S_Ⅲ+S’_Ⅲ＝0，S_Ⅳ+S’_Ⅳ＝0，S_Ⅴ+S’_Ⅴ＝0。

采用上述初级像差公式，可以计算得到系统的初始结构。典型的卡式望远系统，主次镜均采用抛物面镜，只能校正球差。而本实施例中次镜采用高次非球面，可以进一步消除视场增大引起的彗差。后续透镜组在初始结构参数的基础上采用高次非球面，可以进一步优化系统成像质量。

具体的说，在本实施例中，折反射双波段无焦光学系统的系统倍率r和主次镜的组合焦距f₀，满足：146≤f₀×r≤876。

可选的，所述双波段透镜组为正屈光度透镜组，所述双波段透镜组包括三片连续设置的第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33。

可选的，所述第一透镜31为凹面朝向次镜的负透镜；

所述第二透镜32为双面凸的正透镜；

所述第三透镜33为凹面朝向次镜的正透镜；

所述折反射双波段无焦光学系统的一次像面的焦点在所述次镜与第一透镜31之间。

具体的说，在本实施例中，如图1所示，双波段透镜组具有正屈光度，双波段透镜组包括三片连续设置的第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33，双波段透镜组用于将中间像面的焦点发散为平行光，第一透镜31为凹面朝向次镜的负透镜；第二透镜32为双面凸的正透镜；第三透镜33为凹面朝向次镜的正透镜，折反射双波段无焦光学系统的一次像面的焦点在所述次镜与第一透镜31之间，满足100％冷光阑效率，第三透镜33的后表面距离主镜1的距离满足：L₂≥0。

本实施例中采用双波段透镜组，实现了中长波双波段的成像；双波段透镜组由三片透镜组成，矫正了双波段的色差，实现了接近衍射极限的成像效果。

具体的说，在长焦距、大孔径、双波段光学系统中，除了以上初级色差，还存在很大的色差，严重影响了光学系统的成像质量。红外双波段的色差校正一直都存在较大的难度，传统的校色差方法都是通过不同色散材料的搭配来消除色差的，但是红外材料稀少，双波段的色差补偿往往还残留较大的“二级光谱”。

在本实施例中，反射式主次镜系统不产生色差，而透射组件的色差主要是由材料在不同波段的色散引起的。为了平衡系统的色差，本实施例在选材料阶段，还分析了不同材料的色散特性选择色散小的材料，例如在本实施例中，第一透镜、第二透镜以及第三透镜分别选用ZnSe、Ge、ZnS材料制成，不同红外材料在中长波波段的色散系数，如表1所示。

表1不同红外材料在中长波波段的色散系数

材料	折射率N<sub>aver</sub>	ν<sub>1</sub>(MWIR)	ν<sub>2</sub>(MWIR)	ν<sub>1</sub>/ν<sub>2</sub>
					Ge	4.00	103.58	958	0.107
ZnSe	2.42	192.42	58.04	3.315
					ZnS	2.22	113.02	22.94	4.926

根据表1常用的锗材料在中波波段的色散较大，而ZnS和ZnSe的色散在中长波相对较小，本实施例中通过合理的光焦度匹配，可以避免较大的色差。同时，为了覆盖系统双波段的需求，很好的校正系统的双波段色差，本实施例在透镜组中采用谐衍射光学元件，具体的，谐衍射光学元件就是在光学零件的表面加工出二元台阶面，形成谐衍射效应，本实施例中，谐衍射光学元件消除色差的需要满足以下条件：

带有谐衍射面的光学系统在中红外波段(波段1)和长波红外波段(波段2) 应满足：

总的光焦度应满足：

波段1的轴向色差应等于零：

其中

分别是在波段1的三个折射透镜的光焦度，

是在波段1的谐衍射面的光焦度。

分别是在波段1的材料的色散因子，

是在波段1的谐衍射面的色散因子。

同理，波段2的轴向色差应等于零：

由此本实施例中选取合适的谐衍射光学零件的参数，可以在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差的要求，同时使系统设计结构紧凑、片数少、透射比高。

本实施例中衍射光学元件具有平像场的性质，利用衍射光学零件，可以进一步的改善视场增大后的像质。

综上，为了增大视场本实施例中采用了：

(1)次镜采用高次非球面，消除彗差；

(2)在中间像面后采用透镜组，消除畸变和象散；

(3)利用谐衍射光学元件消除场曲和色差，增大视场。

为了实现双波段成像优良采用了：

(1)采用在中长波具有低色散特性的红外材料；

(2)采用谐衍射光学校正双波段残留色差。

表2表面参数

表2列出了本发明折反射双波段无焦光学系统的表面参数的一种实施方式，在表2中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例说来，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。玻璃材料和备注栏分别是该透镜的制作所用的材料及透镜编号。此外，在表2中，表面S1、S2分别为主镜1和次镜2的光学反射表面，表面S3和S4分别为第一透镜31远离和靠近第二透镜32的表面；表面S5和S6分别为第二透镜32 远离和靠近第三透镜33的表面；表面S7和S8分别为第三透镜33远离和靠近光阑stop4的表面。

表3非球面系数

表面序号	K	A	B	C
					S1	-1	0	0	0
S2	0	1.3042e-007	-5.36796e-012	1.1249e-016
					S3	0	6.8266e-007	2.4079e-010	5.58163e-014
S4	0	-1.2309e-006	9.2731e-010	-7.6353e-013
					S5	0	-2.9011e-006	2.938961e-009	0
S6	0	-1.0489e-006	-4.8248e-014	6.8475e-011
					S7	0	-1.2060e-006	1.59722e-010	-2.34568e-014
S8	0	-5.3855e-007	-2.8269e-011	0

表3列出了本发明实施例中的一种非球面系数的实施方式，本实施例中非球面以面顶点为基准的光轴方向的位变定义如下：

Z＝(1/R)*Y^2/[1+[1-(1+K)*(Y/R)^2]^0.5]+A*(Y^4)+B*(Y^6)+C*(Y^8)

其中，Z表示光轴方向的位变，Y表示光轴的高，R表示近轴曲率半径， K表示锥面度系数，A、B、C分别表示非球面系数。

所述主镜口径D满足，200mm≤D≤500mm。

具体的说，如表4列出了本发明一种实施方式中的主要参数。

表4系统参数

在表4中包括遮拦比、F数、视场角及倍率、口径等。由于本实施例仅采用3片透镜就达到了很大的倍率和视场，以及双波段的高清晰度像质效果，且系统结构紧凑，体积重量轻，因而相对于传统技术，具有提高性能及简化镜头结构的功效。

图2和图3为本发明折反射双波段无焦光学系统的中波、长波成像光学传递函数(modulation transfer function,MTF)曲线图，且其横轴为每毫米的线对数(line pairper millimeter)，纵轴为对比度数值，图4和图5为中波和长波的场曲和畸变图。从图2至图5的图形曲线可以看出其中波波段的MTF、场曲、畸变及点弥散斑均方根直径均在标准的范围内。

由此可见，本实施例中波红外连续变焦镜头具有良好的成像质量。

综上，本发明折反射双波段无焦光学系统在卡塞格林系统的反射式基础上，加入透镜组，实现了系统视场的增大。

本发明实施例采用双波段透镜组，实现了中长波双波段的成像；双波段透镜组由三片透镜组成，矫正了双波段的色差，实现了接近衍射极限的成像效果。

本发明实施例的双波段透镜组均采用高次非球面，使整个透镜组结构更加紧凑，实现了透镜组的长度限于主次镜内部的光学系统，极大的缩小了光学系统的长度，大大降低了系统的体积重量。

本发明实施例提出的折反射双波段无焦光学系统，具有视场大、尺寸紧凑、覆盖红外双波段等优点，能够解决机载远程探测设备的急迫需求，适应大口径、长焦距、体积重量要求苛刻的系统发展。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，按照光线传播方向，包括依次同轴设置的主镜、次镜和双波段透镜组，其中：

所述主镜，用于接收入射光并反射至所述次镜；

所述双波段透镜组，用于将次镜反射出的光线折射后出射。

2.如权利要求1所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述主镜为凹面镜，所述次镜为凸面镜；

3.如权利要求1所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，主镜和次镜的组合焦距与所述折反射双波段无焦光学系统的系统倍率的积在预设范围内。

4.如权利要求1所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述双波段透镜组为正屈光度透镜组，所述双波段透镜组包括三片连续设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜。

5.如权利要求4所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜为凹面朝向次镜的负透镜；

所述第二透镜为双面凸的正透镜；

所述第三透镜为凹面朝向次镜的正透镜；

6.如权利要求4所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜分别采用不同的材料制成。

7.如权利要求1所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述折反射双波段无焦光学系统的总长小于等于150mm，系统遮拦比0.2≤α≤0.5，系统倍率满足1/6≤r≤1，系统F数满足1.4≤F≤4，系统的视场角3°≤θ≤4°；

所述主镜口径D满足，200mm≤D≤500mm。

8.如权利要求4所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的面形均为高次非球面。

9.如权利要求1所述的折反射双波段无焦光学系统，其特征在于，所述折反射双波段无焦光学系统的系统波段满足，中波3μm～5μm，长波7.7μm～10.3μm。