CN112180576B - 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统 - Google Patents

一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112180576B
CN112180576B CN202010910780.9A CN202010910780A CN112180576B CN 112180576 B CN112180576 B CN 112180576B CN 202010910780 A CN202010910780 A CN 202010910780A CN 112180576 B CN112180576 B CN 112180576B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coordinate system
rectangular coordinate
dimensional rectangular
axis
reflector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010910780.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112180576A (zh
Inventor
曲锐
陈卫宁
杨洪涛
曹剑中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Original Assignee
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS filed Critical XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority to CN202010910780.9A priority Critical patent/CN112180576B/zh
Publication of CN112180576A publication Critical patent/CN112180576A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112180576B publication Critical patent/CN112180576B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors
    • G02B17/0642—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明提供了一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统，解决现有离轴三反光学系统，存在或视场角小、或体积包络大、或无法适配制冷型探测器的问题。该系统包括从物面至焦面依次固连排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜均具有正光焦度，第三反射镜的放大倍率为m5，m5满足条件式：1.58<|m5|<2.85；第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面和第三反射镜的反射面为xy多项式自由曲面；第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α3，以逆时针绕ox轴正方向为正，α3满足条件式：55°<α3<90°。该系统具有大视场、低畸变、体积紧凑的特点。

Description

一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统
技术领域
本发明涉及一种离轴三反光学系统，具体涉及一种体积紧凑、可适配制冷型红外探测器且具备较大成像视场的自由曲面离轴三反光学系统。
背景技术
离轴三反光学系统因具有消像散、无色差、抗热性能好等优点，已在多个领域获得应用。但采用二次曲面、偶次非球面等传统曲面形式的离轴三反光学系统，可用设计变量少，在大视场、小包络等技术要求下，难以实现良好的成像质量。而，自由曲面具有非旋转对称特性，可大幅增加光学系统设计中的优化变量，实现光学系统的小型化和大视场化。更进一步地，随着加工技术的不断发展，光学自由曲面加工技术已愈加成熟，在成像领域已获得更加广泛的应用，将其应用于离轴成像光学系统设计也已成为一种趋势。
另一方面，针对制冷型探测器，光学系统出瞳还应与探测器冷阑匹配，以实现高的冷阑效率。而，相较于一次成像的制冷型离轴三反光学系统，具有中间像面的制冷型离轴三反光学系统，可通过二次成像对主镜口径进行压缩，有利于光学系统的小型化和轻量化。但，离轴反射光学系统为非旋转对称系统，冷光阑匹配较难，且二次像面的存在也对光学设计中的可优化变量数量提出了更多的要求。
对于一些文献公开的离轴三反光学系统，多应用于非制冷型光学系统中，在制冷型光学系统中的应用较少，而且已有文献公开的制冷型离轴三反光学系统也存在或视场角小、或体积包络大等问题。
例如：公开号为CN103809277A、CN104898261B、CN103246053A、CN105334607A、CN107290845A的中国专利，公开了多种一次成像型离轴反射式光学系统，或具有大相对孔径、或具有宽成像视场，但均无法适配制冷型探测器。
公开号为US4834517的美国专利，公开了一种制冷型离轴三反光学系统设计，分别给出了线视场1°×12°、光圈F3和线视场1°×10°、光圈F4的偏视场离轴三反光学系统，各工作面均采用二次曲面，但所述设计中探测器焦平面相对冷光阑存在偏心和倾斜，需要使用离轴杜瓦，工程可实现性差。
2019年，刊载于中国期刊《红外和毫米波学报》第38卷第1期，题为《三重共轭消杂散光光学系统的设计方法研究》的中文文献，公开了一种离轴三反射式消像散光学系统，工作波段为2.1～4.8μm，焦距400mm，系统F数为4，一维线视场7°，离轴角为5°，但其结构同上述专利，无法实现大的矩形视场。
2018年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》第47卷第9期，题为《自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用》的中文文献中，公开了一种采用自由曲面面型的离轴三反光学系统设计，工作波段3～5μm，焦距450mm，F数为2，视场角为3.662°×2.931°，实现了较大的视场，但各反射镜相对位置接近，无法实现更为紧凑的空间折叠，使得光学系统的体积较大。
2019年，刊载于中国期刊《光学学报》第39卷第11期，题为《制冷型自由曲面离轴反射光学系统设计》的中文文献中，公开了一种自由曲面离轴三反光学系统，工作波段为8～12μm，F数为2.5，焦距为300mm，视场角为3°×5°，该光学构型类似上述文献，同样较难实现空间折叠，使得光学系统的体积较大。
因此，设计出具有较小体积、较大视场，且可适用于制冷型探测器的离轴三反光学系统，难度较大。
发明内容
为了解决现有离轴三反光学系统，存在或视场角小、或体积包络大、或无法适配制冷型探测器的技术问题，本发明提供了一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特殊之处在于：包括从物面至焦面依次固连排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；
所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜均具有正光焦度；
设所述第三反射镜的放大倍率为m5，m5满足以下条件式：
1.58<|m5|<2.85；
以空间中任一点为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第一反射镜顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第二反射镜顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第三反射镜顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；
第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面和第三反射镜的反射面为xy多项式自由曲面；
设所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α3，以逆时针绕ox轴正方向为正，α3满足以下条件式：
55°<α3<90°。
进一步地，所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面和第三反射镜的反射面均为关于xy的7次多项式自由曲面，该xy的7次多项式自由曲面方程式为：
Figure BDA0002663184370000031
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数；
x,y在第一反射镜中取x2,y2，在第二反射镜取x3,y3，在第三反射镜中取x4,y4；
A3、A4、……A36为多项式中展开项的系数。
进一步地，以所述探测器冷窗中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-51～-40，94～106)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-155～-145,111～125)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，70～85,175～183)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-21～-10,184～195)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-45.90408，100)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-151.92808，119.92451)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，77，182.16541)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-15.28099，185.84676)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为41.401°；
所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为80.0175°；
所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为78.4783°；
所述第五三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为90°。
进一步地，所述第二反射镜和第三反射镜之间设有平面折叠反射镜。
进一步地，以所述探测器冷窗中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述平面折叠反射镜为原点定义第六三维直角坐标系(x6,y6,z6)，并取第六三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，38～50，98～102)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-163～-169，81～87)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-91～-97,32～39)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-118～-113，123～130)
所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-50～-43,140～149)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，43.02，100)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-164.88，83.96)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-93.52，35.98)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-116.46，127.2)；
所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-48.04，142.61)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为34.62°；
所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为59.19°；
所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为0.42°；
所述第五三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-11.75°；
所述第六三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为28.05°。
进一步地，还包括设置在第三反射镜和探测器冷窗之间的滤光片。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明光学系统通过对第三反射镜放大倍率的限定，能够保证整个光学系统纵向包络的小型化，并能够对经第一反射镜和第二反射镜所成一次像中存在的场曲和畸变良好地进行校正；以及通过对第二反射镜转角的限定，能够压缩光学系统横向体积，并能够对经第一反射镜产生的像散良好地进行校正，使得本发明光学系统具有大视场、低畸变、体积紧凑等优势。
2、本发明光学系统镜片总数仅为三片，具有较好的公差特性，各反射镜所用光学材料均可为常用反射镜基底材料，均具有较好的可获得与可加工特性。
3、本发明光学系统采用全反结构，无色差，使一个光学系统兼具宽波段探测能力，能够有效实现探测手段的小型化、轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度，并能实现多谱段成像等功能。
4、本发明光学系统采用准对称式光学结构，保证光学系统在各视场条件下均具有较好的畸变特性。
5、本发明光学系统可在第二反射镜与第三反射镜之间设置平面折叠反射镜，用于改变光束的传播方向，压缩整个光学系统的体积，进一步实现小型化。
6、本发明光学结构，各光学元件相对光轴均存在偏心和倾斜，不会发生探测器的冷反射自成像，具有优良的冷反射抑制特性。
7、本发明光学系统无色差、透过率高、热稳定性好、辐射噪声低。
8、本发明光学系统适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、低温光学遥感、红外告警监测等领域。
附图说明
图1是本发明制冷型自由曲面离轴三反光学系统的光学结构示意图；
图2是本发明制冷型自由曲面离轴三反光学系统实施例一的光学结构与坐标系示意图；
图3是本发明制冷型自由曲面离轴三反光学系统实施例一的相对畸变分布示意图；
图4是本发明制冷型自由曲面离轴三反光学系统实施例二的光学结构与坐标系示意图；
图5是本发明制冷型自由曲面离轴三反光学系统实施例三的光学结构与坐标系示意图；
其中，附图标记如下：
1-物面，2-参考面，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-探测器冷窗，7-探测器冷阑，8-焦面，9-平面折叠反射镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
实施例一
如图1和图2所示，一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统，包括从物面至焦面8依次固联排列的主镜、次镜、三镜、探测器冷窗6和探测器冷阑7；主镜、次镜和三镜均为单片式反射镜，分别为第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，且第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5的反射面均采用自由曲面面形。
第一反射镜3位在制冷型自由曲面离轴三反光学系统靠近物面侧位置，对视场范围内入射的光线进行反射、会聚，并入射至第二反射镜4表面；第二反射镜4将第一反射镜3反射的光线二次反射，并在第二反射镜4与第三反射镜5之间形成一次成像面后，光线发散入射至第三反射镜5；第三反射镜5对经第二反射镜4反射进入的光线进行反射，并经探测器冷窗6和探测器冷阑7，最终会聚至探测器焦面8上，完成成像。
以图2中参考面2中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系，图1中水平向右为+Z轴，垂直纸面向里为+X轴，向上为+Y轴；
以第一反射镜3顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以第二反射镜4顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以第三反射镜5顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；以被探测器冷窗6中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
其中，第一反射镜3的反射面顶点坐标、第二反射镜4的反射面顶点坐标、第三反射镜5的反射面顶点坐标(即第二三维直角坐标系的原点坐标、第三三维直角坐标系的原点坐标、第四三维直角坐标系的原点坐标)以及所在空间三维直角坐标系的方向均可在(x1,y1,z1)坐标系中给定；具体地，第二三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，-51～-40，94～106)，即x2取值为0,y2取值为-51～-40,z2取值为94～106；第三三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，-155～-145,111～125)，即x3取值为0,y3取值为-155～-145,z3取值为111～125；第四三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，70～85,175～183)，即x4取值为0,y4取值为70～85,z4取值为175～183；第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-21～-10,184～195)，即x5取值为0,y5取值为-21～-10,z5取值为184～195。
第一反射镜3的反射面、第二反射镜4的反射面和第三反射镜5的反射面为关于xy多项式自由曲面，xy多项式自由曲面的一般表达式为：
Figure BDA0002663184370000081
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Aj是多项式中第j项的系数,
Figure BDA0002663184370000082
m和n为幂次，一般地，m+n≤10；
N为项数，其取值为一般不大于66；
在第一反射镜3中x,y分别取x2,y2，在第二反射镜4中x,y分别取x3,y3，在第三反射镜5中x,y分别取x4,y4。
在本实施例中，第一反射镜3为关于(x2,y2)的7次多项式自由曲面，第二反射镜4为关于(x3,y3)的7次多项式自由曲面，第三反射镜5为关于(x4,y4)的7次多项式自由曲面，另外，本实施例制冷型自由曲面离轴三反光学系统关于yz平面对称，仅保留x的偶次项即可。进一步改善了整个光学系统的可加工性；此时，xy的7次多项式自由曲面的方程表达式为：
Figure BDA0002663184370000083
Figure BDA0002663184370000091
本实施例光学系统共三个反射镜，从物面1到焦面8依次排列固联具有正光焦度的第一反射镜3、具有正光焦度的第二反射镜4和具有正光焦度的第三反射镜5。在成像面配置由探测器冷窗6、探测器冷阑7和探测器焦面8构成的探测器组件等受光面，三个反射镜与探测器组件依次固联，构成完整的成像系统。
设第三反射镜5的放大倍率为m5，m5满足以下条件式：
1.58<|m5|<2.85； (1)
条件式(1)是对第三反射镜5放大倍率范围进行限定的式子。通过满足该条件式(1)，能够保证整个光学系统纵向包络的小型化，并能够对经第一反射镜3和第二反射镜4所成一次像中存在的场曲和畸变良好地进行校正。条件式(1)中若低于其下限，则所述成像光路变长，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(1)中若高于其上限，对光学系统的纵向小型化有利，但场曲和畸变的校正变得困难，所成图像发生扭曲变形。
设第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α3，α3为绕第一三维直角坐标系ox轴正方向的转角，逆时针为正。α3满足以下条件式：
55°<α3<90°； (2)
条件式(2)是对第二反射镜4转角进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够压缩光学系统横向体积，并能够对经第一反射镜3产生的像散良好地进行校正。条件式(2)中若低于其下限，则所述成像光学系统横向尺寸变长，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(2)中若高于其上限，对光学系统的横向尺寸减小有利，但像散的校正变得困难，光学性能劣化，而成为问题。
如上所述，本实施例离轴三反光学系统，通过同时满足上述各条件，能够实现小型化、大视场、低畸变，并能够在整个视场范围内对整个工作谱段范围的光产生的诸像差良好地进行校正，得到优良的光学性能。
以下，表示与实施例所涉及的离轴三反光学系统相关的一个具体试验数据：
F/#＝2，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D
适配探测器阵列：256×256
适配探测器像元：30μm×30μm
工作谱段范围：7.7μm～9.3μm
全视场角范围：6°×6°
全视场相对畸变：≤2.6％
消热温度范围：-45℃～+70℃
第一反射镜3反射面、第二反射镜4反射面、第三反射镜5反射面的xy多项式各参数详见下表1。
表1各镜片顶点相对第一三维直角坐标系的位置及反射面面型参数值
Figure BDA0002663184370000101
Figure BDA0002663184370000111
注：NR为规一化半径，α为绕第一三维直角坐标系ox轴正方向的转角，逆时针为正；表中各尺寸单位为：毫米，角度单位为：度。
表2实施例·每种条件下的参数表
Figure BDA0002663184370000112
如图3所示，给出了实施例光学系统全视场相对畸变分布示意图，从中，可以看出全视场相对畸变较小，几乎不会产生成像扭曲。
本实施例制冷型离轴三反光学系统，无色差、透过率高、热稳定性好、辐射噪声低；相比现有离轴三反光学系统，具有大视场、低畸变、体积紧凑等优势，适用于各类光电探测瞄准、低温光学遥感、红外告警监测等用途。
本实施例光学系统还可在探测器冷窗6前加入可更换滤光片。当光学系统需要工作于不同谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。
本实施例各反射镜基底材料和支撑结构均可采用普通铝合金材料，具有优良的可加工性能；可采用与光机结构材料线膨胀系数相匹配的反射镜基底材料，在典型工况，如-45℃～+70℃全温度范围内，可实现光学被动消热差，补偿因光机结构或镜面基底材料温度变化造成的离焦。
本实施例光学系统采用与反射镜基底材料线膨胀系数相同的光机结构材料，在极宽温度范围内不会发生离焦，保证优良成像，特别地，可应用于77K或更低温度环境的应用场景，满足各类低温光学的使用需求。
实施例二
如图4所示，与实施例一不同之处在于：在第二反射镜4与第三反射镜5之间设置平面折叠反射镜9，第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、探测器窗口的反射面面型参数值保持不变，平面折叠反射镜9对第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和探测器组件的位置进行调整。第一反射镜3和第二反射镜4位于平面反射镜的入射光轴上；第三反射镜5位于平面反射镜的出射光轴上。平面反射镜可改变光束的传播方向，压缩整个光学系统的体积，进一步实现小型化。
实施例三
如图5所示，与实施例一不同之处在于：在第二反射镜4与第三反射镜5之间设置平面折叠反射镜9，并保持与实施例一相同的技术指标，在满足条件式(1)和条件式(2)的情况下，各反射镜面型参数和相对位置关系发生变化，进一步改变了光束的传播方向，压缩了整个光学系统的体积，可满足体积要求更为严格环境下的应用要求。
本实施例中，第一反射镜3反射面、第二反射镜4反射面、第三反射镜5反射面的xy多项式各参数及其余各部的相对位置关系详见下表3。
表3各反射镜顶点相对第一三维直角坐标系的位置及反射面面型参数值
Figure BDA0002663184370000121
Figure BDA0002663184370000131
Figure BDA0002663184370000141
注：NR为规一化半径，α为绕坐标系ox轴正方向的转角，逆时针为正。表中各尺寸单位为：毫米，角度单位为：度。
表4实施例·每种条件下的参数表
Figure BDA0002663184370000142
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：包括从物面(1)至焦面(8)依次固连排列的第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)；
所述第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)均具有正光焦度；
设所述第三反射镜(5)的放大倍率为m5，m5满足以下条件式：
1.58<|m5|<2.85；
以空间中任一点为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第一反射镜(3)顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第二反射镜(4)顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述第三反射镜(5)顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；
第一反射镜(3)的反射面、第二反射镜(4)的反射面和第三反射镜(5)的反射面为xy多项式自由曲面；
设所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α3，以逆时针绕ox轴正方向为正，α3满足以下条件式：
55°<α3<90°。
2.根据权利要求1所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(3)的反射面、第二反射镜(4)的反射面和第三反射镜(5)的反射面均为关于xy的7次多项式自由曲面，该xy的7次多项式自由曲面方程式为：
Figure FDA0002663184360000021
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数；
x,y在第一反射镜(3)中取x2,y2，在第二反射镜(4)取x3,y3，在第三反射镜(5)中取x4,y4；
A3、A4、……A36为多项式中展开项的系数。
3.根据权利要求2所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
以所述探测器冷窗(6)中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-51～-40，94～106)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-155～-145,111～125)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，70～85,175～183)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-21～-10,184～195)。
4.根据权利要求3所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-45.90408，100)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-151.92808，119.92451)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，77，182.16541)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-15.28099，185.84676)。
5.根据权利要求4所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为41.401°；
所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为80.0175°；
所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为78.4783°；
所述第五三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为90°。
6.根据权利要求1或2所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：所述第二反射镜(4)和第三反射镜(5)之间设有平面折叠反射镜(9)。
7.根据权利要求6所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
以所述探测器冷窗(6)中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
以所述平面折叠反射镜(9)为原点定义第六三维直角坐标系(x6,y6,z6)，并取第六三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，38～50，98～102)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-163～-169，81～87)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-91～-97,32～39)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-118～-113，123～130)
所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0、-50～-43,140～149)。
8.根据权利要求7所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，43.02，100)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-164.88，83.96)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-93.52，35.98)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-116.46，127.2)；
所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-48.04，142.61)。
9.根据权利要求8所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为34.62°；
所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为59.19°；
所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为0.42°；
所述第五三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-11.75°；
所述第六三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为28.05°。
10.根据权利要求1或2所述制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：还包括设置在第三反射镜(5)和探测器冷窗(6)之间的滤光片。
CN202010910780.9A 2020-09-02 2020-09-02 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统 Active CN112180576B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010910780.9A CN112180576B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010910780.9A CN112180576B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112180576A CN112180576A (zh) 2021-01-05
CN112180576B true CN112180576B (zh) 2021-09-14

Family

ID=73924622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010910780.9A Active CN112180576B (zh) 2020-09-02 2020-09-02 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112180576B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115657406A (zh) * 2022-11-07 2023-01-31 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种全铝自由曲面相机

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL113789A (en) * 1994-05-23 1999-01-26 Hughes Aircraft Co A non-focusing device with three hinged mirrors and a corrective mirror
CN103246053A (zh) * 2013-04-09 2013-08-14 长春理工大学 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统
CN110031957B (zh) * 2018-01-12 2021-01-05 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统
CN109917535B (zh) * 2019-02-24 2021-03-30 西安应用光学研究所 制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统
CN110161717B (zh) * 2019-04-25 2024-05-31 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种无遮拦全球面反射平行光管光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112180576A (zh) 2021-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112213847B (zh) 大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统
CN107167904B (zh) 一种共口径反射式多光谱光学系统
CN112305738B (zh) 自由曲面反射式红外成像系统
CN109283671B (zh) 一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统
CN111679428B (zh) 基于近轴像差理论的多光路光学系统初始结构搜索方法
CN116577921A (zh) 大口径同轴三反光学系统及其超轻量化碳化硅反射镜组件
CN109239898A (zh) 一种紧凑型同轴折反射式望远物镜
CN112180576B (zh) 一种制冷型自由曲面离轴三反光学系统
CN113126271A (zh) 自由曲面光学望远系统
CN113640978A (zh) 一种基于自由曲面的离轴三反光学系统
CN106019534B (zh) 一种1.3～5um宽波段红外成像镜头
CN111913291A (zh) 一种大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统
WO2023124008A1 (zh) 一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统
CN114035309B (zh) 一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统
CN112666695B (zh) 一种可见光红外双波段大视场同轴折反射式光学系统及成像方法
CN113671680B (zh) 一种离轴两反多光合一光学主系统
CN111487754B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
CN107121760A (zh) 一种宽波段制冷红外折反射全景镜头
CN113238368A (zh) 一种无二次遮拦面视场折轴三反望远物镜
CN113311577A (zh) 一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统
CN116859568A (zh) 一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统
CN116880049A (zh) 一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统
CN111487753B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
CN107817598A (zh) 一种长焦距共口径反射式光学系统
CN114326070B (zh) 一种大口径长焦距多光谱短波红外光学系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant