CN114326069A - 一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，包括：光学系统、中继光学系统和中间像面；其中，主光学系统为离轴反射系统，中继光学系统为透射系统；目标辐射的长波红外光线经主光学系统反射后经过中间像面进入中继光学系统，再经过中继光学系统折射后汇聚到像面；中间像面与主光学系统的距离为805mm，中间像面与中继光学系统的距离为112mm。本发明具有大口径、长焦距、大视场、低畸变和杂散光抑制能力强的特点，满足多种遥感应用需求。
Description
技术领域
本发明属于红外遥感成像技术领域，尤其涉及一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统。
背景技术
长波红外谱段具有全天时遥感探测能力，在环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域具有广泛的应用前景。目前，用于空间遥感探测的长波红外光学系统存在以下几个主要问题，严重限制了其在遥感领域所能发挥的作用：其一，现有的长波红外光学系统焦距较短，口径较小，不能实现高空间分辨率和高温度灵敏度成像；其二，现有的长波红外光学系统视场角较小，成像幅宽窄，不能实现高时间分辨率成像；其三，现有的长波红外光学系统成像畸变大，不能实现高精度目标探测；其四，现有的长波红外光学系统通常采用杜瓦制冷的方式来抑制内部杂散光，杂散光抑制能力较弱。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，具有大口径、长焦距、大视场、低畸变和杂散光抑制能力强的特点，满足多种遥感应用需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，包括：光学系统、中继光学系统和中间像面；其中，主光学系统为离轴反射系统，中继光学系统为透射系统；目标辐射的长波红外光线经主光学系统反射后经过中间像面进入中继光学系统，再经过中继光学系统折射后汇聚到像面；中间像面与主光学系统的距离为805mm，中间像面与中继光学系统的距离为112mm。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，所述主光学系统包括主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)；其中，目标辐射的长波红外光线依次经主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)反射后进入中继光学系统；主光学系统的焦距为1120mm。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，所述中继光学系统包括前透镜组(FG)、窗口(W)和后透镜组(BG)；其中，前透镜组(FG)包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，后透镜组(BG)包括第四透镜(L4)、第五透镜(L5)和第六透镜(L6)；经中继光学系统反射的目标辐射的长波红外光线依次经前透镜组(FG)、窗口(W)和后透镜组(BG)折射后汇聚到像面(Image)；中继光学系统的焦距为290mm。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，主反射镜(PM)、次反射镜(SM)、三反射镜(TM)组成和前透镜组(FG)的工作温度为20℃，窗口(W)的工作温度为10℃，后透镜组(BG)的工作温度为-53℃。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，主反射镜(PM)和三反射镜(TM)均为10阶离轴非球面，主反射镜(PM)的离轴量为402.8mm，三反射镜(TM)的离轴量为-260.8mm。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，第二透镜(L2)的后表面(FS)为6阶XY多项式自由曲面。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，所述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统的通光口径为500mm，焦距1200mm，工作谱段范围为8μm～10μm，视场角为10°×1°。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，中间像面尺寸为196mm×19.6mm，中间像面位于三反射镜和第一透镜之间；中间像面与三反射镜的距离为805mm，中间像面与第一透镜的距离为112mm。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)均采用SiC基底材料，主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)的表面均镀增反膜，在8μm～10μm谱段范围内的反射率大于0.98。
上述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统中，第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)和第六透镜(L6)的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；第三透镜(L3)的材料为Znse，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；窗口(W)的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明系统具有大视场、长焦距成像能力，可在8μm～10μm谱段范围实现500mm、焦距1200mm、视场角10°×1°成像，解决目前用于空间遥感探测的长波红外光学焦距短、视场小和口径小的难题，实现长波红外高分辨率空间遥感探测。
(2)本发明系统可利用中间像面和系统出瞳进行外部杂散光抑制，外部杂散光抑制能力提升3倍；采用分工作温度区域设计，后透镜组工作在-53℃的低温状态，将内部杂散光减小2个数量级，有利益提升系统的温度灵敏度。
(3)本发明系统涉及的第二透镜后表面采用6阶XY多项式自由曲面，将系统相对畸变绝对值减小到0.1％，有利于提高长波红外空间遥感的探测精度，采用单点金刚石车床车削加工和高精度轮廓仪进行面形检测，工程可行性好。
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为本发明一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统图；
图2为本发明中继光学系统图；
图3为本发明光学系统在各视场的调制传递函数曲线图；
图4为本发明光学系统的网格畸变图。
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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统图。如图1所示，该系统包括主光学系统、中继光学系统和中间像面，主光学系统由主反射镜PM、次反射镜SM和三反射镜TM组成，中继光学系统由前透镜组FG、窗口W和后透镜组BG组成，其中前透镜组FG包括第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，后透镜组BG包括第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6；其中，主反射镜PM和三反射镜TM均为10阶离轴非球面，主反射镜PM的离轴量为402.8mm，三反射镜TM的离轴量为-260.8mm；中间像面位于三反射镜和第一透镜之间，中间像面尺寸为196mm×19.6mm，中间像面与三反射镜TM的距离为805mm，中间像面与第一透镜L1的距离为112mm；第三透镜L3的后表面与窗口W的距离为22.9mm，第四透镜L4的前表面与窗口W的距离为21.8mm。
与传统的同轴折反射系统相比，离轴折反射系统具有大视场成像能力，成像视场角提升了5倍；与传统的离轴反射系统相比，离轴折反射系统可利用中间像面、系统出瞳等抑制外部杂散光，杂散光抑制能力提升了3倍。
目标辐射的长波红外光线依次经主反射镜PM、次反射镜SM和三反射镜TM反射后进入中继光学系统，再依次经前透镜组FG、窗口W和后透镜组BG折射后汇聚到像面Image。
具有多个工作温度区域，主反射镜PM、次反射镜SM、三反射镜TM组成和前透镜组FG的工作温度为20℃，窗口W的工作温度为10℃，后透镜组BG的工作温度为-53℃，将系统内部杂散光减小2个数量级。
主反射镜PM和三反射镜TM均为10阶离轴非球面，主反射镜PM的离轴量为402.8mm，三反射镜TM的离轴量为-260.8mm；
第二透镜L2的后表面FS为6阶XY多项式自由曲面，不具有旋转对称性；面形表达式如下式，采用单点金刚石车床车削加工，采用高精度轮廓仪进行面形检测。
其中，z(x,y)为不同坐标位置的自由曲面矢高；等号右端为自由曲面矢高的具体计算表达式；x为自由曲面沿X轴方向的坐标；y为自由曲面沿Y轴方向的坐标；c为自由曲面顶点曲率半径的倒数；k为自由曲面二次曲面系数；C1、C2…C27为XY多项式的系数，x、y、x2、xy…y6为XY多项式的展开项。
系统通光口径为500mm，焦距1200mm，工作谱段范围为8μm～10μm，视场角为10°×1°；系统相对畸变绝对值小于0.1％；系统具有中间像面，中间像面尺寸为196mm×19.6mm，中间像面位于三反射镜和第一透镜之间；系统的出瞳位于窗口的后表面，出瞳口径为78mm。
主反射镜PM、次反射镜SM和三反射镜TM均采用SiC基底材料，表面镀增反膜，在8μm～10μm谱段范围内的反射率大于0.98；第一透镜L1、第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；第三透镜L3的材料为Znse，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；窗口(W)的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
如图1所示，本实施例的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，工作谱段为8μm～10μm，系统口径为500mm，焦距为1200mm，视场角为10°×1°。
系统包括主光学系统和中继光学系统，主光学系统的焦距为1120mm，中继光学系统的焦距为290mm，主光学系统和中继光学系统通过中间像面连接成全系统，中间像面尺寸为196mm×19.6mm，中间像面与三反射镜的距离为805mm，与第一透镜的距离为112mm。
如图2所示，中继光学系统由前透镜组、窗口和后透镜组组成，前透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，后透镜组包括第四透镜、第五透镜和第六透镜，窗口位于第三透镜后表面和第四透镜前表面之间，与第三透镜后表面的距离为23mm，与第四透镜前表面之间的距离为22mm。
光学系统的出瞳位于窗口后表面位置处，口径为78mm。
如图3所示，光学系统各视场的调制传递函数均接近衍射极限，具有良好的成像质量。
如图4所示，光学系统的最大相对畸变绝对值小于0.1％。
表1、自由曲面参数
本发明系统具有大视场、长焦距成像能力，可在8μm～10μm谱段范围实现500mm、焦距1200mm、视场角10°×1°成像，解决目前用于空间遥感探测的长波红外光学焦距短、视场小和口径小的难题，实现长波红外高分辨率空间遥感探测；本发明系统可利用中间像面和系统出瞳进行外部杂散光抑制，外部杂散光抑制能力提升3倍；采用分工作温度区域设计，后透镜组工作在-53℃的低温状态，将内部杂散光减小2个数量级，有利益提升系统的温度灵敏度；本发明系统涉及的第二透镜后表面采用6阶XY多项式自由曲面，将系统相对畸变绝对值减小到0.1％，有利于提高长波红外空间遥感的探测精度，采用单点金刚石车床车削加工和高精度轮廓仪进行面形检测，工程可行性好。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于包括：光学系统、中继光学系统和中间像面；其中，
主光学系统为离轴反射系统，中继光学系统为透射系统；
目标辐射的长波红外光线经主光学系统反射后经过中间像面进入中继光学系统，再经过中继光学系统折射后汇聚到像面；
中间像面与主光学系统的距离为805mm，中间像面与中继光学系统的距离为112mm。
2.根据权利要求1所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：所述主光学系统包括主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)；其中，
目标辐射的长波红外光线依次经主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)反射后进入中继光学系统；
主光学系统的焦距为1120mm。
3.根据权利要求2所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：所述中继光学系统包括前透镜组(FG)、窗口(W)和后透镜组(BG)；其中，
前透镜组(FG)包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，后透镜组(BG)包括第四透镜(L4)、第五透镜(L5)和第六透镜(L6)；
经中继光学系统反射的目标辐射的长波红外光线依次经前透镜组(FG)、窗口(W)和后透镜组(BG)折射后汇聚到像面；
中继光学系统的焦距为290mm。
4.根据权利要求2所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：主反射镜(PM)、次反射镜(SM)、三反射镜(TM)组成和前透镜组(FG)的工作温度为20℃，窗口(W)的工作温度为10℃，后透镜组(BG)的工作温度为-53℃。
5.根据权利要求2所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：主反射镜(PM)和三反射镜(TM)均为10阶离轴非球面，主反射镜(PM)的离轴量为402.8mm，三反射镜(TM)的离轴量为-260.8mm。
6.根据权利要求3所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：第二透镜(L2)的后表面(FS)为6阶XY多项式自由曲面。
7.根据权利要求1所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：所述长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统的通光口径为500mm，焦距1200mm，工作谱段范围为8μm～10μm，视场角为10°×1°。
8.根据权利要求3所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：中间像面尺寸为196mm×19.6mm，中间像面位于三反射镜和第一透镜之间；中间像面与三反射镜的距离为805mm，中间像面与第一透镜的距离为112mm。
9.根据权利要求2所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)均采用SiC基底材料，主反射镜(PM)、次反射镜(SM)和三反射镜(TM)的表面均镀增反膜，在8μm～10μm谱段范围内的反射率大于0.98。
10.根据权利要求3所述的长波红外多温区自由曲面离轴折反射光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)和第六透镜(L6)的材料均为锗，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；
第三透镜(L3)的材料为Znse，前表面和后表面均镀增透膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.98；
窗口(W)的材料为锗，前表面和后表面均镀带通膜，在8μm～10μm谱段范围内的透过率大于0.92，在其他谱段的透过率小于0.5％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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