CN114236798A - 折反射式无焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种折反射式无焦光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜、色差校正镜组和第四反射镜；光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后，光束穿过第四反射镜的中心孔进入色差校正镜组，经过色差校正透镜的折射后进入第三反射镜，经过第三反射镜和第四反射镜的两次反射后，光束再次经过色差校正透镜，穿过第三反射镜的中心孔进入场镜组，场镜组用于缩小光束范围，使缩小范围的光束进入准直镜，经准直镜的折射后以平行光出射。本发明提供的光学系统能够接收可见光和中波红外波段的光线而不产生色差，具有大口径、多波段、共口径的优点，且光学元件都位于同一光轴上，结构紧凑，很大程度上降低了系统的装调难度。

Description

折反射式无焦光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种折反射式无焦光学系统。

背景技术

无焦光学系统即为入射和出射波前均为平面波的光学系统，对光束没有汇聚和发散作用也称做望远镜系统。无焦光学系统除了用于传统的望远镜、激光扩束以外，还可以作为成像光学系统的一部分来使用。特别是在需要像移补偿或稳像的光学系统，利用无焦光学系统对光束的缩放作用，在无焦光学系统和成像光学系统之间设置小口径平面镜(即快速反射镜Fast Steering Mirror)，通过快速反射镜转动来消除探测器曝光期间内目标和图像之间相对运动，例如卫星、机载、车辆等动平台的光学系统。

当口径超过200mm时，受透镜材料限制，光学系统已不适合采用纯透射形式实现。采用离轴反射式无焦光路，虽然能够解决大口径、多波段、共孔径难题，但加工、装调难度大且加工成本高。

对于大口径、多波段、共口径的无焦光学系统设计，传统透射式光学系统受材料和镀膜技术所限，设计难度大、系统复杂且尺寸较大，采用离轴反射式光路，则存在加工、装调难度大且加工成本高的问题，而采用折反射式无焦光路则存在系统型式复杂、色差难校正的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种折反射式无焦光学系统。本发明提供的光学系统由四块反射镜、色差校正镜组、场镜组和准直镜构成，且仅采用一种透射材料，可同时适用于可见光和中波红外波段的成像，能够校正二级光谱，成像质量在两个波段均接近衍射极限。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种折反射式无焦光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜、色差校正镜组和第四反射镜；

第一反射镜设置有中心孔，第二反射镜放置在第一反射镜的前方，与第二反射镜构成卡塞格林式结构；

色差校正镜组位于第一反射镜的中心孔处，色差校正镜组从前到后依次包括：色差校正透镜和第三反射镜；第三反射镜设置有中心孔；

第四反射镜位于第二反射镜和色差校正镜组之间，第四反射镜设置有中心孔，第四反射镜的反射面与与第二反射镜的反射面方向相同；

色差校正镜组的后方依次设置有场镜组和准直镜；

光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后，光束穿过第四反射镜的中心孔进入色差校正镜组，经过色差校正透镜的折射后进入第三反射镜，经过第三反射镜和第四反射镜的两次反射后，光束再次经过色差校正透镜，穿过第三反射镜的中心孔进入场镜组，场镜组用于缩小光束范围，使缩小范围的光束进入准直镜，经准直镜的折射后以平行光出射。

优选地，色差校正透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面，色差校正透镜为标准球面透镜；第三反射镜的反射面为凹面，第三反射镜为椭球面。

优选地，第一反射镜的反射面为凹面，第二反射镜的反射面为凸面；第一反射镜为椭球面，第二反射镜为标准球面。

优选地，第四反射镜的反射面为凹面，第四反射镜为标准球面。

优选地，场镜组位于第三反射镜中心孔的后方，场镜组从前到后依次包括：第一场镜和第二场镜；第一场镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；第二场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；第一场镜和第二场镜均为标准球面透镜。

优选地，准直镜的前后表面均为凸面，准直镜为二次曲面透镜。

优选地，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的材料为：SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。

优选地，色差校正透镜、第一场镜、第二场镜和准直镜的材料为BaF₂。

优选地，在第四反射镜的中心孔处形成有第一像面，在第一场镜和第二场镜之间形成有第二像面，在准直镜的后方形成有第三像面，平行光经过第三像面后出射。

与现有的技术相比，本发明提供的光学系统的优点为：

1)大口径、多波段、共口径；

本发明提供的光学系统能够接收可见光和中波红外波段的光线而不产生色差，具有大口径、多波段、共口径的优点，可适用于需要像移补偿的多谱段光学系统。

2)结构紧凑，适装性好；

本发明提供的光学系统采用四片反射镜和4片透镜，且位于同一光轴上，结构紧凑；同时，系统设计包含3次成像，有实出瞳，装配容易实现，很大程度上降低了系统的装调难度。

3)成像质量好，畸变小，二级光谱被校正；

本发明提供的光学系统利用光学镜组的合理设计及匹配，实现了较大的角放大倍率，使成像质量在可见光波段接近衍射极限；畸变量较小，仅为-0.184％；系统中的色差校正镜组较好地校正了二级光谱，同时实现可见光和中波红外均为平面波出射。

4)系统结构简单，仅含一种透射材料；

系统中所有透镜仅采用了一种透射材料，在保证系统性能的前提下，大幅降低了折反式光学系统的复杂性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在中波红外波段的光学传递函数曲线示意图。

图3是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在可见光波段的光学传递函数曲线示意图。

图4是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在中波红外波段的轴向像差曲线示意图。

图5是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在可见光波段的轴向像差曲线示意图。

其中的附图标记包括：第一反射镜1、第二反射镜2、色差校正镜组3、色差校正透镜31、第三反射镜32、第四反射镜4、场镜组5、第一场镜51、第二场镜52、准直镜6、第一像面A1、第二像面A2、第三像面A3。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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，而不构成对本发明的限制。

本发明提出一种折反射式红外无焦光学系统，将来自目标的入射平行宽光束压缩呈平行细光束，无焦光学系统后可放置成像物镜，实现光学系统成像，成像物镜可为单波段(可见光或中波红外)物镜，也可为多波段(可见光和中波红外)物镜。

图1示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构。

如图1所示，本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统包括：第一反射镜1、第二反射镜2、色差校正镜组3、第四反射镜4、场镜组5、准直镜6、第一像面A1、第二像面A2、第三像面A3。

光学系统的入瞳或孔径光阑均位于第一反射镜1上；第一反射镜1设置有中心孔，第二反射镜2位于第一反射镜1的前方，第一反射镜1和二反射镜2的反射面相反，第一反射镜1和第二反射镜2构成卡塞格林式结构，第一反射镜1的反射面为凹面，第二反射镜2的反射面为凸面；第一反射镜1为椭球面，第二反射镜2为标准球面。

色差校正镜组3位于第一反射镜1的中心孔处，色差校正镜组3包括：色差校正透镜31和第三反射镜32。色差校正透镜31位于第三反射镜32的前方；色差校正透镜31的光焦度为负，色差校正透镜31的前表面为凹球面，后表面为凸球面，色差校正透镜31为标准球面透镜；第三反射镜32的反射面为凹面，第三反射镜32为椭球面。

第四反射镜4位于第二反射镜2和色差校正透镜31之间，第四反射镜4设置有中心孔，第四反射镜4的反射面与第三反射镜32的反射面相反，第四反射镜4与第三反射镜32构成卡塞格林式结构；第四反射镜4的反射面为凹面，第四反射镜4为标准球面。

色差校正镜组3和场镜组5均位于第一反射镜1的中心孔处。

场镜组5位于第三反射镜32的中心孔的后方，场镜组5从前到后依次包括：第一场镜51和第二场镜52。第一场镜51的前表面为凸球面，后表面为凹球面；第二场镜52的前表面为凹球面，后表面为凸球面；第一场镜51和第二场镜52均为标准球面透镜。

准直镜6位于场镜组5的后方，准直镜6的前后表面均为凸面，准直镜6为二次曲面透镜。第三像面A3位于准直镜6的后方。

为了减少中心遮拦，第一像面A1位于第四反射镜4的中心孔处，色差校正镜组3位于第一反射镜1的中心孔处，场镜组5位于第三反射镜32的中心孔后方，第二像面A2位于第一场镜51和第二场镜52之间。

第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜32、第四反射镜4的材料为：SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。

色差校正组透镜31、场镜组5和准直镜6的材料均为BaF₂。色差校正组3、场镜组5和准直镜6还可以采用其他种类的透镜。

入射光束经第一反射镜1和第二反射镜2反射后，在第四反射镜4的中心孔处形成第一像面A1，光束穿过第四反射镜4的中心孔后进入色差校正镜组3，经过色差校正透镜31的透射后进入第三反射镜32，经过第三反射镜32和第四反射镜4的两次反射后，经过色差校正透镜31的透射后，穿过第三反射镜32的中心孔进入场镜组，经过第一场镜51的透射后形成第二像面A2，光束再次经过第二场镜的透射后，缩小光束范围，使得光束进入准直镜6，光束经过准直镜6的折射后变为平行光，平行光通过第三像面A3出射。本发明提供的光学系统有实出瞳，出瞳既可为望远镜头的出瞳，也可作为后继的快速反射镜位置用于像移补偿。

本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统技术指标为：

工作波段：可见光波段0.55μm-0.85μm，红外波段3.7μm-4.8μm；入瞳直径：250mm；视场角Φ：1.2°；视放大率：10.02^×(红外)；10.04^×(可见)。

图2示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在中波红外波段的光学传递函数曲线。

图3示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在可见光波段的光学传递函数曲线。

如图2和图3所示，本发明提供的光学系统在可见光波段和中波红外波段的成像质量均达到衍射极限。

图4示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在中波红外波段的轴向像差曲线。

图5示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学系统结构在可见光波段的轴向像差曲线。

如图4和图5所示，本发明提供的光学系统的成像二级光谱被校正。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种折反射式无焦光学系统，其特征在于，包括：第一反射镜、第二反射镜、色差校正镜组和第四反射镜；

所述第一反射镜设置有中心孔，所述第二反射镜放置在所述第一反射镜的前方，与所述第二反射镜构成卡塞格林式结构；

所述色差校正镜组位于所述第一反射镜的中心孔处，所述色差校正镜组从前到后依次包括：色差校正透镜和第三反射镜；所述第三反射镜设置有中心孔，所述第三反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面朝向相同；

所述第四反射镜位于所述第二反射镜和所述色差校正镜组之间，所述第四反射镜设置有中心孔，所述第四反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面朝向相反；

所述色差校正镜组的后方依次设置有场镜组和准直镜；

光束经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的两次反射后，所述光束穿过所述第四反射镜的中心孔进入所述色差校正镜组，经过所述色差校正透镜的折射后进入所述第三反射镜，经过所述第三反射镜和所述第四反射镜的两次反射后，所述光束再次经过色差校正透镜，穿过所述第三反射镜的中心孔进入所述场镜组，所述场镜组用于缩小光束范围，使缩小范围的光束进入所述准直镜，经所述准直镜的折射后以平行光出射。

2.根据权利要求1所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述色差校正透镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面，所述色差校正透镜为标准球面透镜；所述第三反射镜的反射面为凹面，所述第三反射镜为椭球面。

3.根据权利要求2所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的反射面为凹面，所述第二反射镜的反射面为凸面；所述第一反射镜为椭球面，所述第二反射镜为标准球面。

4.根据权利要求3所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第四反射镜的反射面为凹面，所述第四反射镜为标准球面。

5.根据权利要求4所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述场镜组位于所述第三反射镜中心孔的后方，所述场镜组从前到后依次包括：第一场镜和第二场镜；所述第一场镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；所述第二场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述第一场镜和所述第二场镜均为标准球面透镜。

6.根据权利要求5所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述准直镜位于所述场镜组的后方，所述准直镜的前后表面均为凸面，所述准直镜为二次曲面透镜。

7.根据权利要求6所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的材料为：SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。

8.根据权利要求7所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，所述色差校正透镜、所述第一场镜、所述第二场镜和所述准直镜的材料为BaF₂。

9.根据权利要求8所述的折反射式无焦光学系统，其特征在于，在所述第四反射镜的中心孔处形成有第一像面，在所述第一场镜和所述第二场镜之间形成有第二像面，在所述准直镜的后方形成有第三像面，所述平行光经过所述第三像面后出射。

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