CN113687500B - 折转式探测器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光机电一体化技术领域，且公开了折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件，所述前端转折光路反射镜组件属离轴光学系统，所述后端透镜组件属同轴光学系统，前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件的光路连接是通过前端折转光路反射镜组件的最后一块平面反射镜。该折转式探测器光学系统，转折光路有良好的像差矫正能力，有效减小子午和弧矢方向的光程差，从而较为容易的矫正像差；转折光路能够有效缩短系统尺寸，从而降低制造成本，提高性能；后端透镜组件采用双胶合透镜、三胶合透镜，巧妙利用材料高低折射率的变化，在整个可见光范围对像差进行了有效矫正，尤其是色差和球差。

Description

折转式探测器光学系统

技术领域

本发明涉及光机电一体化技术领域，具体为折转式探测器光学系统。

背景技术

以四旋翼无人飞行器、特技模型飞机等为代表的“低空、慢速、小型”飞行器，其蓬勃发展为生活生产带来便利的同时，也为国防安全、公共安全带来严重威胁，如“低慢小”目标侵入机场净空区，对城市重要目标和区域的测绘拍摄，某些无资质、未经审批的利用航模进行地面测绘的行为等，对军、民空中秩序造成不小的影响和损失，也为低空、近区防御带来了新的课题与挑战。高功率激光防御系统具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在无人机防御中具有独特作用。

无人机成本低、体积小的特点，使其在现代战争中表现出了其特有的优势，特别是无人机蜂群般的攻击，使大多数防空武器都失去其效。因此针对无人机的防御，成为现代战争和安防研究的新课题。

常规的无人机拦截手段以狙击、网捕和电磁干扰为主，但成功率低，且有可能会造成附带伤害。而激光武器具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁干扰等优点。

激光武器(英文：Laser Weapon)，是用高能的激光对远距离的目标进行精确射击或用于防御导弹等的武器，分为战术激光武器(THEL)与战略激光武器两类。具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。激光武器具有高能量、高指向性，无视距离带来的弹道延迟等。可以实现远距离的精准打击和极高的打击效率，对无人机有着非常好的克制作用。

“高功率激光武器”作为“低慢小”目标防御的有效手段，目前国内外都在积极开展高能激光武器的研制如2015年英国国际防务展上，德国莱茵金属防务电子公司展示的集束激光武器系统，该系统装备4具20千瓦功率的激光发射器，可以通过叠加效应对目标发起攻击。该型武器能够在2秒内击毁数公里范围内迫击炮，并能同时击毁500米范围内的多架无人机。

高功率激光防御系统未来可进行地面部署或车载部署，机动灵活，稳定可靠，可广泛用于城市重要目标、密集区重大活动区域的低空安防。国内也有多家单位积极开展了相关研究，如中国工程物理研究院、中电27所、中电11所、中国航天科工集团等。如果2017、2019年阿布扎比武器和防务展、2018年珠海航展上，有关集团的高能激光演示系统都是展会焦点之一，该系统有着巨大市场需求和潜力。但成像质量和尺寸一直是高功率激光系统的痛点，因此需要重新设计。

发明内容

本发明的目的在于提供折转式探测器光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：折转式探测器光学系统，包括第一抛物反射镜，所述第一抛物反射镜左下角设置有第一平面反射镜，所述第一平面反射镜左侧设置有第二抛物反射镜，所述第二抛物反射镜底部设置有第二平面反射镜，所述第二平面反射镜右侧设置有第三平面反射镜，所述第三平面反射镜顶部设置有第四平面反射镜，所述第四平面反射镜右侧设置有第五平面反射镜，所述第五平面反射镜底部设置有第六平面反射镜，所述第六平面反射镜右侧设置有凸透镜，所述凸透镜右侧设置有三胶合透镜，所述三胶合透镜右侧设置有第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜右侧设置有第二双胶合透镜，所述第二双胶合透镜右侧设置有第三双胶合透镜。

优选的，所述第一抛物反射镜和第二抛物反射镜之间设置有第一空气间隔，第二抛物反射镜和第一平面反射镜之间设置有第二空气间隔，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间设置有第三空气间隔，第二平面反射镜和第三平面反射镜之间设置有第四空气间隔，第三平面反射镜和第四平面反射镜之间设置有第五空气间隔，第四平面反射镜和第五平面反射镜之间设置有第六空气间隔，第五平面反射镜和第六平面反射镜之间设置有第七空气间隔，第六平面反射镜和凸透镜之间设置有第八空气间隔，凸透镜和三胶合透镜之间设置有第九空气间隔，三胶合透镜和第一双胶合透镜之间设置有第十空气间隔，第一双胶合透镜和第二双胶合透镜之间设置有第十一空气间隔，第二双胶合透镜和第三双胶合透镜之间设置有第十二空气间隔，所述第三双胶合透镜右侧设置有成像面，第三双胶合透镜和成像面之间设置有第十三空气间隔。

优选的，所述第一抛物反射镜沿Y轴方向偏离-300mm～-100mm，第二抛物反射镜沿Y轴方向偏离-1mm～0mm，第一平面反射镜沿X轴旋转-90°～0°，第二平面反射镜沿X轴旋转0°～90°，第三平面反射镜沿X轴旋转0°～90°，第第四平面反射镜沿X轴旋转-90°～0°，第第五平面反射镜沿X轴旋转-90°～0°，第六平面反射镜沿X轴旋转0°～90°。

优选的，所述凸透镜前表面近似平面，后表面曲率半径范围为-200mm～-250mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为BAF5。

优选的，所述三胶和透镜设置有三片，第一片前后表面曲率半径范围分别为150mm～180mm和-90mm～-70mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-ZBAF3，第二片后表面曲率半径范围为40mm～60mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为TF3，第三片后表面近似平面，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-FK61。

优选的，所述第一双胶合透镜设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为-600mm～-500mm和-80mm～-60mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-ZK7；第二片后表面曲率半径范围为500mm～600mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-LAF50B。

优选的，所述第二双胶合透镜设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为40mm～60mm和-700mm～-600mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-BAK7；第二片后表面曲率半径范围为200mm～300mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-LAK11。

优选的，所述第三双胶合透镜设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为-170mm～-140mm和-100mm～-70mm，光学厚度为10mm～13mm，光学材料为H-LAK67；第二片后表面曲率半径范围为-300mm～-200mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-ZLAF53。

优选的，所述第一抛物反射镜和第二抛物反射镜之间的第一空气间隔范围为-500mm～-300mm，第二抛物反射镜和第一平面反射镜之间的第二空气间隔范围为200mm～300mm，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的第三空气间隔范围为-200mm～-100mm，第二平面反射镜和第三平面反射镜之间的第四空气间隔范围为400mm～600mm，第三平面反射镜和第四平面反射镜之间的第五空气间隔范围为-400mm～-200mm，第四平面反射镜和第五平面反射镜之间的第六空气间隔范围为200mm～300mm，第五平面反射镜和第六平面反射镜之间的第七空气间隔范围为-500mm～-400mm，第六平面反射镜和凸透镜之间的第八空气间隔范围为100mm～200mm，凸透镜和三胶合透镜之间的第九空气间隔范围为40mm～60mm，三胶合透镜和第一双胶合透镜之间的第十空气间隔范围为10mm～20mm，第一双胶合透镜和第二双胶合透镜之间的第十一空气间隔范围为10mm～30mm，第二双胶合透镜和第三双胶合透镜之间的第十二空气间隔范围为0mm～20mm，第三双胶合透镜和成像面之间的第十三空气间隔范围为0mm～100mm。

与现有技术相比，本发明提供了折转式探测器光学系统，具备以下有益效果：

1、该折转式探测器光学系统，转折光路有良好的像差矫正能力，有效减小子午和弧矢方向的光程差，从而较为容易的矫正像差。

2、该折转式探测器光学系统，转折光路能够有效缩短系统尺寸，从而降低制造成本，提高性能。

3、该折转式探测器光学系统，后端透镜组件采用双胶合透镜、三胶合透镜，巧妙利用材料高低折射率的变化，在整个可见光范围对像差进行了有效矫正，尤其是色差和球差。

4、该折转式探测器光学系统，从工程应用上设计，考虑同轴系统装配总长大，装配成本高，本发明前端采用离轴系统，矫正像差，减小系统总长。后端透镜组采用同轴系统，装配简单，利于装调。

5、该折转式探测器光学系统，设计结构紧凑、降低成本、使用范围广、可批量化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明工作时的光路图；

图2为本发明前端折转反射组工作时的光路图；

图3为本发明后端透镜组工作时的光路图；

图4为本发明工作时的传函MTF图；

图5为本发明工作时的点列图。

图中：1、第一抛物反射镜；2、第二抛物反射镜；3、第一平面反射镜；4、第二平面反射镜；5、第三平面反射镜；6、第四平面反射镜；7、第五平面反射镜；8、第六平面反射镜；9、凸透镜；10、三胶合透镜；11、第一双胶合透镜；12、第二双胶合透镜；13、第三双胶合透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-5，本发明提供技术方案：

实施例一

如图1、图2、图3所示，本实施例提供折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件。前端折转光路第一抛物反射镜1曲率半径为-953mm，沿Y轴方向偏离-270mm，折转光路第二抛物反射镜2曲率半径为-152mm，沿Y轴方向偏离-0.4mm，折转光路第一平面反射镜3沿X轴旋转-45°，折转光路第二平面反射镜4沿X轴旋转45°，折转光路第三平面反射镜5沿X轴旋转45°，折转光路第四平面反射镜6沿X轴旋转-45°，折转光路第五平面反射镜7沿X轴旋转-45°，折转光路第六平面反射镜8沿X轴旋转45°。

后端透镜组件第一透镜为凸透镜9，前表面近似平面，后表面曲率半径为-218mm，光学厚度为15mm，光学材料为BAF5；后端透镜组件第二透镜为三胶和透镜10，第一片前后表面曲率半径分别为168mm和-85mm，光学厚度为15mm，光学材料为H-ZBAF3，第二片后表面曲率半径为47mm，光学厚度为6mm，光学材料为TF3，第三片后表面近似平面，光学厚度为15mm，光学材料为H-FK61。后端透镜组件第一双胶合透镜11，第一片前后表面曲率半径分别为-590mm和-74mm，光学厚度为15mm，光学材料为H-ZK7；第二片后表面曲率半径为558mm，光学厚度为8mm，光学材料为H-LAF50B。后端透镜组件第二双胶合透镜12，第一片前后表面曲率半径分别为42mm和-630mm，光学厚度为13mm，光学材料为H-BAK7；第二片后表面曲率半径为255mm，光学厚度为8mm，光学材料为H-LAK11。后端透镜组件第三双胶合透镜13，第一片前后表面曲率半径分别为-160mm和-100mm，光学厚度为10mm，光学材料为H-LAK67；第二片后表面曲率半径为-222mm，光学厚度为8mm，光学材料为H-ZLAF53。空气间隔包括：第一抛物反射镜1和第二抛物反射镜2之间的第一空气间隔为-400mm，第二抛物反射镜2和第一平面反射镜3之间的第二空气间隔为260mm，第一平面反射镜3和第二平面反射镜4之间的第三空气间隔为-160mm，第二平面反射镜4和第三平面反射镜5之间的第四空气间隔为534mm，第三平面反射镜5和第四平面反射镜6之间的第五空气间隔为-381mm，第四平面反射镜6和第五平面反射镜7之间的第六空气间隔为258mm，第五平面反射镜7和第六平面反射镜8之间的第七空气间隔为-440mm，第六平面反射镜8和凸透镜9之间的第八空气间隔为100mm，凸透镜9和三胶合透镜10之间的第九空气间隔为44mm，三胶合透镜10和第一双胶合透镜11之间的第十空气间隔为15mm，第一双胶合透镜11和第二双胶合透镜12之间的第十一空气间隔为20mm，第二双胶合透镜12和第三双胶合透镜13之间的第十二空气间隔为3.3mm，第三双胶合透镜13和成像面之间的第十三空气间隔为50mm。

图4～图5所示为上述光学镜头工作时，利用Zemax光学设计软件制作的最佳实施例的传函MTF图、点列图。

实施例二

本实施例提供折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件。后端透镜组件第一透镜为凸透镜9，前表面近似平面，后表面曲率半径为-216mm，光学厚度为15mm；后端透镜组件第二透镜为三胶和透镜10，第一片前后表面曲率半径分别为170mm和-84mm，光学厚度为15mm，第二片后表面曲率半径为47mm，光学厚度为6mm，第三片后表面近似平面，光学厚度为15mm。后端透镜组件第一双胶合透镜11，第一片前后表面曲率半径分别为-575mm和-74mm，光学厚度为15mm；第二片后表面曲率半径为578mm，光学厚度为8mm。第二双胶合透镜12，第一片前后表面曲率半径分别为42mm和-633mm，光学厚度为13mm；第二片后表面曲率半径为251mm，光学厚度为8mm。第三双胶合透镜13，第一片前后表面曲率半径分别为-160mm和-100mm，光学厚度为10mm；第二片后表面曲率半径为-222mm，光学厚度为8mm。

其余同实施例一。

实施例三

本实施例提供一种折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件。后端透镜组件第一透镜为凸透镜9，前表面近似平面，后表面曲率半径为-216mm，光学厚度为15mm；后端透镜组件第二透镜为三胶和透镜10，第一片前后表面曲率半径分别为170mm和-83mm，光学厚度为15mm，第二片后表面曲率半径为47mm，光学厚度为6mm，第三片后表面曲率半径为-3318mm，光学厚度为15mm。后端透镜组件第一双胶合透镜11，第一片前后表面曲率半径分别为-533mm和-74mm，光学厚度为15mm；第二片后表面曲率半径为583mm，光学厚度为8mm。第二双胶合透镜12，第一片前后表面曲率半径分别为42mm和-627mm，光学厚度为13mm；第二片后表面曲率半径为253mm，光学厚度为8mm。第三双胶合透镜13，第一片前后表面曲率半径分别为-158mm和-103mm，光学厚度为10mm；第二片后表面曲率半径为-218mm，光学厚度为8mm。

凸透镜9和三胶合透镜10之间的第九空气间隔为45mm，三胶合透镜10和第一双胶合透镜11之间的第十空气间隔为15mm，第一双胶合透镜11和第二双胶合透镜12之间的第十一空气间隔为19mm，第二双胶合透镜12和第三双胶合透镜13之间的第十二空气间隔为3.3mm，第三双胶合透镜13和成像面之间的第十三空气间隔为50mm。

其余同实施例一。

折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件。前端转折光路反射镜组件属离轴光学系统，后端透镜组件属同轴光学系统。前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件的光路连接是通过前端折转光路反射镜组件的最后一块平面反射镜。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.折转式探测器光学系统，包括前端折转光路反射镜组件与后端透镜组件，其特征在于：所述前端折转光路反射镜组件由第一抛物反射镜(1)、第二抛物反射镜(2)、第一平面反射镜(3)、第二平面反射镜(4)、第三平面反射镜(5)、第四平面反射镜(6)、第五平面反射镜(7)和第六平面反射镜(8)组成；

所述后端透镜组件由凸透镜(9)、三胶合透镜(10)、第一双胶合透镜(11)、第二双胶合透镜(12)和第三双胶合透镜(13)组成；

所述第一抛物反射镜(1)左下角设置有第一平面反射镜(3)，所述第一平面反射镜(3)左侧设置有第二抛物反射镜(2)，所述第二抛物反射镜(2)底部设置有第二平面反射镜(4)，所述第二平面反射镜(4)右侧设置有第三平面反射镜(5)，所述第三平面反射镜(5)顶部设置有第四平面反射镜(6)，所述第四平面反射镜(6)右侧设置有第五平面反射镜(7)，所述第五平面反射镜(7)底部设置有第六平面反射镜(8)，所述第六平面反射镜(8)右侧设置有凸透镜(9)，所述凸透镜(9)右侧设置有三胶合透镜(10)，所述三胶合透镜(10)右侧设置有第一双胶合透镜(11)，所述第一双胶合透镜(11)右侧设置有第二双胶合透镜(12)，所述第二双胶合透镜(12)右侧设置有第三双胶合透镜(13)；

所述第一抛物反射镜(1)沿Y轴方向偏离-300mm～-100mm，第二抛物反射镜(2)沿Y轴方向偏离-1mm～0mm，第一平面反射镜(3)沿X轴旋转-90°～0°，第二平面反射镜(4)沿X轴旋转0°～90°，第三平面反射镜(5)沿X轴旋转0°～90°，第第四平面反射镜(6)沿X轴旋转-90°～0°，第第五平面反射镜(7)沿X轴旋转-90°～0°，第六平面反射镜(8)沿X轴旋转0°～90°；

所述凸透镜(9)前表面近似平面，后表面曲率半径范围为-200mm～-250mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为BAF5；

所述三胶和透镜(10)设置有三片，第一片前后表面曲率半径范围分别为150mm～180mm和-90mm～-70mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-ZBAF3，第二片后表面曲率半径范围为40mm～60mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为TF3，第三片后表面近似平面，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-FK61；

所述第一双胶合透镜(11)设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为-600mm～-500mm和-80mm～-60mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-ZK7；第二片后表面曲率半径范围为500mm～600mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-LAF50B；

所述第二双胶合透镜(12)设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为40mm～60mm和-700mm～-600mm，光学厚度为13mm～17mm，光学材料为H-BAK7；第二片后表面曲率半径范围为200mm～300mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-LAK11；

所述第三双胶合透镜(13)设置有两片，第一片前后表面曲率半径范围分别为-170mm～-140mm和-100mm～-70mm，光学厚度为10mm～13mm，光学材料为H-LAK67；第二片后表面曲率半径范围为-300mm～-200mm，光学厚度为5mm～8mm，光学材料为H-ZLAF53。

2.根据权利要求1所述的折转式探测器光学系统，其特征在于：所述第一抛物反射镜(1)和第二抛物反射镜(2)之间设置有第一空气间隔，第二抛物反射镜(2)和第一平面反射镜(3)之间设置有第二空气间隔，第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(4)之间设置有第三空气间隔，第二平面反射镜(4)和第三平面反射镜(5)之间设置有第四空气间隔，第三平面反射镜(5)和第四平面反射镜(6)之间设置有第五空气间隔，第四平面反射镜(6)和第五平面反射镜(7)之间设置有第六空气间隔，第五平面反射镜(7)和第六平面反射镜(8)之间设置有第七空气间隔，第六平面反射镜(8)和凸透镜(9)之间设置有第八空气间隔，凸透镜(9)和三胶合透镜(10)之间设置有第九空气间隔，三胶合透镜(10)和第一双胶合透镜(11)之间设置有第十空气间隔，第一双胶合透镜(11)和第二双胶合透镜(12)之间设置有第十一空气间隔，第二双胶合透镜(12)和第三双胶合透镜(13)之间设置有第十二空气间隔，所述第三双胶合透镜(13)右侧设置有成像面，第三双胶合透镜(13)和成像面之间设置有第十三空气间隔。

3.根据权利要求2所述的折转式探测器光学系统，其特征在于：所述第一抛物反射镜(1)和第二抛物反射镜(2)之间的第一空气间隔范围为-500mm～-300mm，第二抛物反射镜(2)和第一平面反射镜(3)之间的第二空气间隔范围为200mm～300mm，第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(4)之间的第三空气间隔范围为-200mm～-100mm，第二平面反射镜(4)和第三平面反射镜(5)之间的第四空气间隔范围为400mm～600mm，第三平面反射镜(5)和第四平面反射镜(6)之间的第五空气间隔范围为-400mm～-200mm，第四平面反射镜(6)和第五平面反射镜(7)之间的第六空气间隔范围为200mm～300mm，第五平面反射镜(7)和第六平面反射镜(8)之间的第七空气间隔范围为-500mm～-400mm，第六平面反射镜(8)和凸透镜(9)之间的第八空气间隔范围为100mm～200mm，凸透镜(9)和三胶合透镜(10)之间的第九空气间隔范围为40mm～60mm，三胶合透镜(10)和第一双胶合透镜(11)之间的第十空气间隔范围为10mm～20mm，第一双胶合透镜11和第二双胶合透镜12之间的第十一空气间隔范围为10mm～30mm，第二双胶合透镜(12)和第三双胶合透镜(13)之间的第十二空气间隔范围为0mm～20mm，第三双胶合透镜(13)和成像面之间的第十三空气间隔范围为0mm～100mm。