CN114415358B - 折反射式光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种折反射式光学系统，包括：光轴全部共轴的主镜、次镜和红外焦平面探测器，主镜设置中心孔，次镜放置在主镜的前方，主镜和次镜为卡塞格林结构，红外焦平面探测器放置在主镜的后方；红外焦平面探测器从前到后依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和焦平面；光束经过主镜的反射后进入次镜，再次经过次镜的反射后进入红外焦平面探测器的内部，经过第一透镜后光束汇聚到第二透镜上，再经过第二透镜的折射后，第三透镜再次将光束汇聚在焦平面上，使汇聚后的光束被红外焦平面探测器接收。本发明通过将透镜部分封装到红外探测器内部的方式，结构紧凑，体积小，显著降低了光学系统的自身辐射，实现了较大的光学系统视场范围。

Description

折反射式光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种局部制冷折反射式光学系统

背景技术

红外低背景探测技术主要应用于深空环境，系统灵敏度与自身背景辐射关系较大，如何有效抑制探测系统自身背景辐射一直是重点研究方向。

现有技术一般光学元件与红外探测器分开设计，光学系统在前端，红外探测器在后端。对于制冷型红外探测器，光学系统设计时要与红外探测器实现冷阑匹配，达到100％的冷阑效率。传统折反射式光学系统由于透镜辐射能量较高，一般自身辐射很难抑制下来。为了降低光学系统的自身辐射，多采用全反射式光学系统，且光学反射镜的反射率尽量高，但是自身辐射依然不能满足信噪比提高的进一步需求。

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光学系统，通过将透镜部分封装到红外探测器内部的方式，显著降低了光学系统的自身辐射，大幅提升了光学系统的灵敏度。

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光学系统，包括：光轴全部共轴的主镜、次镜和红外焦平面探测器，主镜设置中心孔，次镜放置在主镜的前方，主镜和次镜为卡塞格林结构，红外焦平面探测器放置在主镜的后方；红外焦平面探测器从前到后依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和焦平面；

光束经过主镜的反射后进入次镜，再次经过次镜的反射后进入红外焦平面探测器的内部，经过第一透镜后光束汇聚到第二透镜上，再经过第二透镜的折射后，第三透镜再次将光束汇聚在焦平面上，使汇聚后的光束被红外焦平面探测器接收。

优选地，光束经过主镜和次镜的两次反射后在第一像面上成像，第一像面位于主镜和次镜中间。

优选地，第一透镜为红外焦平面探测器的窗口，放置在主镜的中心孔后面，第一透镜为Ge晶体材料，前表面为凸球面，后表面为凸非球面。

优选地，第二透镜为光学系统的孔径光阑，第二透镜为ZnSe材料，前表面为凸球面，后表面为凹球面。

优选地，第三透镜为Ge晶体材料，前表面为凸球面，后表面为凸球面。

优选地，焦平面为宽谱段长波红外焦平面阵列，用于对6.5μm～11.5μm的电磁波谱进行热辐射成像。

优选地，主镜和次镜的材料为铝合金、碳化硅、铍、铍铝或微晶玻璃。

优选地，主镜的反射面和次镜的反射面为标准二次曲面或高次非球面

与现有的技术相比，本发明通过将透镜部分封装到红外探测器内部的方式，整个光机系统的结构紧凑，体积小，可实现中等焦距长波红外光学系统的小型化；显著降低了光学系统的自身辐射，理论上与传统光学系统相比，发明后的光学系统的自身辐射为传统光学系统的1/4；通过利用主次镜和三片透镜，可以实现较大的光学系统视场范围，大幅提升了光学系统的灵敏度，畸变较小，传递函数达到或接近衍射极限，冷阑匹配达到100％。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的折反射式光学系统的光路示意图。

图2是根据本发明实施例提供的折反射式光学系统的MTF曲线示意图。

其中的附图标记包括：主镜1、次镜2、第一像面3、红外焦平面探测器4、第一透镜41；第二透镜42、第三透镜43和探测器的焦平面44。

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。

图1示出了根据本发明实施例提供的折反射式光学系统的光路图。

如图1所示，本发明实施例提供的折反射式光学系统包括：主镜1、次镜2、第一像面3、红外焦平面探测器4。

本发明提供的折反射式光学系统中的所有光学元件都布置在同一光轴上，主镜1为凹非球面反射镜，次镜2为凸非球面反射镜。主镜1的反射面与次镜2的反射面相对排布，主镜1和次镜2构成前组卡塞格林式光学系统。

主镜1和次镜2的可以为铝合金、碳化硅、铍、铍铝、微晶玻璃等材料。主镜1的反射面和次镜2的反射面是标准二次曲面，即抛物面、椭球面或双曲面，也可以是高次非球面；主镜1和次镜2的反射面的面形可以相同也可以不同。典型应用中主镜和次镜的面形为双曲面。

红外焦平面探测器4包括：第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43和探测器的焦平面44。第一透镜41、第二透镜42和第三透镜43的光轴与主镜1和次镜2的光轴为同一光轴。第一透镜41为红外焦平面探测器4的窗口，放置在主镜1的中心孔的后面；第二透镜42为光学系统的孔径光阑。

光束进入本发明提供的折反射光学系统后，经过主镜1的反射后进入次镜2，再次经过次镜2的反射后在第一像面3上成像，然后进入红外焦平面探测器4，经过红外焦平面探测器4内部第一透镜41后光束汇聚到第二透镜42上，再经过第二透镜42的发散后，第三透镜43再次将光束汇聚在探测器的焦平面44上，使汇聚后的光束被红外焦平面探测器4接收。

第一透镜41基于Ge晶体材料，其前表面为凸球面透镜，后表面为凸非球面透镜；第二透镜42基于ZnSe材料，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。第三透镜43基于Ge晶体材料，其前表面为凸球面面透镜，后表面为凸球面透镜。

冷阑放置在第二透镜42的后表面上，决定焦平面阵列接收目标辐射的立体角，抑制到达焦平面阵列的杂散光，冷阑作为光学系统的出瞳，物方与其共轭的入瞳尽量与主镜1重合，从而有效减少主镜孔径。

红外焦平面探测器的焦平面44为宽谱段长波红外焦平面阵列，用于对电磁波谱中6.5μm～11.5μm热辐射成像。

图2示出了根据本发明实施例提供的折反射式光学系统的MTF曲线。

如图2所示，发明实施例提供的折反射式光学系统在长波波段6.5μm～10.5μm的MTF曲线，长波波段像质在探测器空间频率16.7lp/mm处调制传递函数MTF＞0.4。

系统技术指标如下：

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 (8)

1.一种折反射式光学系统，其特征在于，包括：光轴全部共轴的主镜、次镜和红外焦平面探测器，所述主镜设置中心孔，所述次镜放置在主镜的前方，所述主镜和所述次镜为卡塞格林结构，所述红外焦平面探测器放置在所述主镜的后方；所述红外焦平面探测器从前到后依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜和焦平面；

所述第一透镜的前表面为凸球面，后表面为凸非球面；

所述第二透镜的前表面为凸球面，后表面为凹球面；

所述第三透镜的前表面为凸球面，后表面为凸球面；

光束经过所述主镜的反射后进入所述次镜，再次经过所述次镜的反射后进入所述红外焦平面探测器的内部，经过第一透镜后所述光束汇聚到所述第二透镜上，再经过所述第二透镜的折射后，所述第三透镜再次将光束汇聚在所述焦平面上，使汇聚后的光束被红外焦平面探测器接收；

所述光学系统的焦距为110mm，视场为4°×4°。

2.根据权利要求1所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述光束经过所述主镜和所述次镜的两次反射后在第一像面上成像，所述第一像面位于所述主镜和所述次镜中间。

3.根据权利要求2所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述第一透镜为红外焦平面探测器的窗口，放置在所述主镜的中心孔后面，所述第一透镜为Ge晶体材料。

4.根据权利要求2所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述第二透镜为所述光学系统的孔径光阑，所述第二透镜为ZnSe材料。

5.根据权利要求2所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述第三透镜为Ge晶体材料。

6.根据权利要求3或4或5所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述焦平面为宽谱段长波红外焦平面阵列，用于对6.5μm～11.5μm的电磁波谱进行热辐射成像。

7.根据权利要求6所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述主镜和所述次镜的材料为铝合金、碳化硅、铍、铍铝或微晶玻璃。

8.根据权利要求7所述的折反射式光学系统，其特征在于，所述主镜的反射面和所述次镜的反射面为标准二次曲面或高次非球面。

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