CN114002860B - 宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，包括第一反射镜、第二反射镜、靶板、滤光片、光源、反光杯；光源为白炽灯或卤素灯，发出宽谱段光谱；光路出射顺序为，光源发出宽谱段光谱，经由反光杯整形，后经滤光片生成工作波段0.4～14μm的光谱，再经由靶板生成点目标或星点靶或四杆靶，再经由第二反射镜反射至第一反射镜，再经由第一反射镜反射至第二反射镜，再经由第二反射镜反射至第一反射镜，后以平行光出射，其中光线分别在第二反射镜、第一反射镜上反射两次。该光学系统具有宽波段、大视场、构型紧凑的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机载光电产品性能检测领域，具体是一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统。
背景技术
应用在机载光电探测领域的光学系统通常具有多个工作波段，典型的如可见光0.4-0.9μm、激光1.064μm、中波3-5μm、长波8-14μm。其对应检测用平行光管一般为反射式平行光管。这类平行光管多采用单反射镜系统或双反射镜系统实现，其中单镜系统为抛物面；双镜系统多采用主镜抛物面，次镜双曲面实现设计，总得来说其光学有效测试视场均不足0.5°。另一方面，对于单反射镜系统，其焦长比接近1；对于双反射镜系统，其焦长比在2左右，通常为了保证靶板的加工精度以及测试精度，光管的焦距都比较大，这就造成光管体积往往较大。无论是较小的光学有效测试视场，还是较大的体积，这都使得在非实验室环境下使用测试极其不便。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决非实验室环境下多谱段、大焦长比、大视场三方面的实际测试需求，本发明提出一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统。
技术方案
一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，所需光学焦距f＝500mm、口径100mm，视场角2.1°、F数5、波段0.4～14μm、光源尺寸Φ20mm，光路总长68mm；其特征在于包括第一反射镜、第二反射镜、靶板、滤光片、反光杯、光源；光路出射顺序为，光源发出宽谱段光谱，经由反光杯整形，后经滤光片生成工作波段0.4～14μm的光谱，再经由靶板生成点目标或星点靶或四杆靶，再经由第二反射镜反射至第一反射镜，再经由第一反射镜反射至第二反射镜，再经由第二反射镜反射至第一反射镜，后以平行光出射。
本发明进一步的技术方案：所述的反光杯为反射型器件，可对光源进行整形，提高光源照度。
本发明进一步的技术方案：所述的光源为白炽灯或卤素灯，发出高亮度宽谱段光谱。
本发明进一步的技术方案：所述的光源也可为高温黑体。
本发明进一步的技术方案：所述的靶板为标准球面，降低了系统校正像差的难度，从而为实现大视场设计提供基础。
本发明进一步的技术方案：所述的滤光片[4]对宽光谱光源进行滤波，生成0.4～14μm光谱，也可生成0.4～14μm光谱段内的任意光谱段，如0.4～0.9μm或3～5μm或8～12μm。
本发明进一步的技术方案：所述的第一反射镜[1]采用非球面设计，第二反射镜[2]采用分段非球面设计；
所述的非球面表达式如下：
其中，z是沿光轴方向上的光学表面矢高；c为曲率半径；k为二次曲面圆锥系数；r为光轴垂向上的半径高度；A是4次项系数；B是6次项系数；C是8次项系数；D是10次项系数。
本发明进一步的技术方案：上述的光学元件材料和支撑件材料的线膨胀系数应选择一致或接近，实现光学系统在较宽的温度范围内具有良好的光束准直性能。
有益效果
本发明提出的一种机载光电产品性能检测领域的宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，该系统具有工作波段宽、结构紧凑、大视场、温度环境适应性好等技术优点，解决了传统此类光学系统，体积较大、视场较小的技术难题。其中整个光路为全反射光路，光学元件和结构元件采用同种材料或热膨胀系数相近的材料，即可在较宽的工作温度范围内，具有较好的光束准直精度。
与现有技术相比，具有以下优势：
1、系统采用全反射构型，工作波段宽，在0.4μm-0.9μm、1.064μm、1.57μm、3μm-5μm和7.5μm-14μm均具有较好的成像像质；
2、光学元件少，且反射元件在宽波段均具有较高的反射率，如通过镀制铝膜、银膜或金膜，很容易在0.6μm～14μm波段达到97％以上，因此光学系统透过率较高；
3、靶板为标准球面，降低了系统校正像差的难度，从而为实现大视场设计提供基础，最终实现圆视场2.1°；
4、光线分别在第二反射镜、第一反射镜上反射两次，使得系统构型非常紧凑，最终实现500mm焦距的光学总长68mm(第二反射镜[2]顶点到靶板[3]中心)；
5、第一反射镜[1]采用非球面设计，第二反射镜[2]采用分段非球面设计，靶板为标准球面，考虑第一反射镜的光路复用，光学系统中可以为像差校正提供四个面型的优化自由度，可以同时校正球差、慧差、像散、畸变四种像差，这大大提升系统校正像差的能力；
5、光学元件材料和支撑件材料均选择铝合金6061，使得光学系统在很宽的温度范围内具备良好的成像像质。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统的具体实施例的结构示意图。
图2为本发明光学系统的波像差。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统的具体实施例的结构示意图。
本发明光学系统的部分参数如下：
a)工作波段：0.4μm-14μm；
b)口径：D＝100mm；
c)焦距：f＝500mm；
d)F数：5；
e)视场：2.1°；
f)光学系统外包络：＜105mm(W)×105mm(H)×70mm(L)。
该光学系统应用在机载光电产品性能检测领域，其工作波段宽，在0.4μm-0.9μm、1.064μm、1.57μm、3μm-5μm和7.5μm-14μm均具有较好的成像像质；光学元件少，且在宽波段均具有较高的反射率，如反射元件通过镀制铝膜、银膜或金膜，很容易在0.6μm～14μm波段达到97％以上；焦距长，500mm；口径大，100mm；视场大，圆视场2.1°；构型紧凑，光学总长68mm；工作温度范围宽，光学元件材料和支撑件材料的线膨胀系数选择一致或相近，即可在很宽的温度范围内具备良好的成像像质。
如图1所示，一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，所需光学焦距f＝500mm、口径100mm，视场角2.1°、F数5、波段0.4～14μm、光源尺寸Φ20mm，光路总长68mm。其特征是；包括第一反射镜1、第二反射镜2、靶板3、滤光片4、反光杯5、光源6；光源6为白炽灯或卤素灯，发出宽谱段光谱；光路出射顺序为，光源6发出宽谱段光谱，经由反光杯5整形，后经滤光片4生成工作波段0.4～14μm的光谱，再经由靶板3生成点目标或星点靶或四杆靶，再经由第二反射镜2反射至第一反射镜1，再经由第一反射镜2反射至第二反射镜1，再经由第二反射镜2反射至第一反射镜1，后以平行光出射。所述反光杯6为反射型器件，可对光源进行整形，提高光源照度。所述光源6为白炽灯或卤素灯，发出高亮度宽谱段光谱，也可为其它辐射光源，如高温黑体。所述靶板3为标准球面，降低了系统校正像差的难度，从而为实现大视场设计提供基础。所述滤光片4对宽光谱光源进行滤波，生成0.4～14μm光谱，也可生成0.4～14μm光谱段内的任意光谱段，如0.4～0.9μm或3～5μm或8～12μm。所述的光学系统，光线分别在第二反射镜2、第一反射镜1上反射两次。所述第一反射镜1采用非球面设计，第二反射镜2采用分段非球面设计。
上述非球面表达式如下：
其中，z是沿光轴方向上的光学表面矢高；c为曲率半径；k为二次曲面圆锥系数；r为光轴垂向上的半径高度；A是4次项系数；B是6次项系数；C是8次项系数；D是10次项系数。
表1给出了本实施例中宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统镜头参数。
表1
所述光学系统，其中光学元件材料和支撑件材料的线膨胀系数应选择一致或接近，实现光学系统在较宽的温度范围内具有良好的光束准直性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，所需光学焦距f＝500mm、口径100mm，视场角2.1°、F数5、波段0.4～14μm、光源尺寸Φ20mm，光路总长68mm；其特征在于包括第一反射镜[1]、第二反射镜[2]、靶板[3]、滤光片[4]、反光杯[5]、光源[6]；光路出射顺序为，光源[6]发出宽谱段光谱，经由反光杯[5]整形，后经滤光片[4]生成工作波段0.4～14μm的光谱，再经由靶板[3]生成点目标或星点靶或四杆靶，再经由第二反射镜[2]反射至第一反射镜[1]，再经由第一反射镜[1]反射至第二反射镜[2]，再经由第二反射镜[2]反射至第一反射镜[1]，后以平行光出射。
2.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的反光杯[5]为反射型器件，可对光源进行整形，提高光源照度。
3.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的光源[6]为白炽灯或卤素灯，发出高亮度宽谱段光谱。
4.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的光源[6]为高温黑体。
5.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的靶板[3]为标准球面，降低了系统校正像差的难度，从而为实现大视场设计提供基础。
6.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的滤光片[4]对宽光谱光源进行滤波，生成0.4～14μm光谱。
7.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述的第一反射镜[1]采用非球面设计，第二反射镜[2]采用分段非球面设计；
所述的非球面表达式如下：
其中，z是沿光轴方向上的光学表面矢高；c为曲率半径；k为二次曲面圆锥系数；
r为光轴垂向上的半径高度；A是4次项系数；B是6次项系数；C是8次项系数；D是10次项系数。
8.根据权利要求1所述的一种宽波段紧凑型大视场平行光管光学系统，其特征在于所述光学系统中的光学元件材料和支撑件材料的线膨胀系数应选择一致或接近，实现光学系统在较宽的温度范围内具有良好的光束准直性能。
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