CN116068742A - 中长波共口径折反式光学系统 - Google Patents
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Abstract
中长波共口径折反式光学系统涉及光学系统技术领域，解决了现有需要一种长焦距、通光口径大、材料成本低的红外光学系统，包括：一次成像透镜组、第一准直镜组、第一反射镜、第二准直镜组、第二反射镜、分光镜、中波二次成像镜组、中波三次成像镜组、长波二次成像镜组和长波三次成像镜组；入射光束依次经一次成像透镜组第一次成像、第一准直镜组压缩口径、第一反射镜反射、第二准直镜组准直、第二反射镜反射后入射到分光镜，经过分光镜分为中波红外光和长波红外光,中波红外光经中波二次和三次成像镜组得到中波红外图像；长波红外光依次经长波二次和三次成像镜组得到长波红外图像。本发明实现了具有长焦距、通光口径大、材料成本低的红外光学系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及中长波共口径折反式光学系统。
背景技术
随着航空领域信息战争的发展需求，红外系统由于全时域工作的特点，在航空领域占据越发重要的位置，单波段成像的局限性，同时促进了多波段融合技术的发展。中波/长波的多波段融合载荷也成为航天载荷的一个重要方向。目前，国内航空载荷中大多红外镜头仍然采用透射式结构，并且不同工作波段的载荷有独立的成像结构和视场。对于大口径的红外镜头，红外材料随着口径的增大，主镜成本也在不断提高，镜头的体积和重量也随着焦距的增长而提高。由于受到空间的限制，独立的成像镜头的口径也不会做到很大，能量的收集能力是有一定局限性的。专利号CN201521027483.0的专利提供了长焦距225mm，F数1.5的镜头，主镜是口径160mm的单晶锗；专利号CN201210090732.5的专利提供了长焦距750mm，F数4的镜头，主镜是200mm的单晶硅。这些大口径的红外透射材料成本都极高。
目前，大口径的红外航空载荷镜头，主要都是以同轴透射式系统为主。每个波段有自己一套独立的成像镜头，由于红外系统不同于可见系统，不能有渐晕的存在，所以透射式镜头的主镜以大口径的红外透镜为主，材料成本较高。由于航空载荷有着重量和体积的要求，这就限制了这种分立式的镜头做不到更长的焦距和更大的通光口径。
因此需要设计一种长焦距、通光口径大、材料成本低的红外光学系统。
发明内容
为了解决现有红外镜头无法兼顾长焦距、大通光口径和低材料成本的问题，本发明提供中长波共口径折反式光学系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
中长波共口径折反式光学系统，包括：一次成像镜组、第一准直镜组、第一反射镜、第二准直镜组、第二反射镜、分光镜、中波二次成像镜组、中波三次成像镜组、长波二次成像镜组和长波三次成像镜组；所述一次成像镜组包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜和次反射镜构成卡塞格林结构；
入射光束中的中波红外光和长波红外光均依次经一次成像镜组第一次成像、第一准直镜组压缩口径、第一反射镜反射、第二准直镜组准直、第二反射镜反射后入射到分光镜，经过分光镜分为中波红外光和长波红外光，中波红外光依次中波二次成像镜组、中波三次成像镜组得到中波红外图像；长波红外光依次经长波二次成像镜组、长波三次成像镜组得到长波红外图像。
本发明的有益效果是：
本发明的中长波共口径折反式光学系统实现了具有长焦距、通光口径大、材料成本低的红外光学系统，该光学系统最大程度的压缩了中波和长波在长焦模式下的尺寸，进而确保了更低的重量，更低的成本。通过采用卡塞格林结构，提高了入射光束的采集能力。通过中/长波的共准直光路，可以实现中/长波的完善准直，有利于放宽各成像通道的间隔公差，而且可以将各通道成像传函提高到衍射极限，且实现100％冷光阑匹配。随着不同工程项目所需要的口径的变化，该系统还可以等比例缩放，并进行简单的优化，即可以满足不同的设计指标。
附图说明
图1是中长波共口径折反式光学系统的光学结构三维示意图；
图2是中长波共口径折反式光学系统共准直结构的位置关系示意图；
图3是中长波共口径折反式光学系统中波通道的位置关系示意图；
图4是中长波共口径折反式光学系统长波通道的位置关系示意图；
图5是中长波共口径折反式光学系统中波通道0视场的传递函数；
图6是中长波共口径折反式光学系统中波通道0.7视场的传递函数；
图7是中长波共口径折反式光学系统中波通道边缘视场的传递函数；
图8是中长波共口径折反式光学系统长波通道0视场的传递函数；
图9是中长波共口径折反式光学系统长波通道0.7视场的传递函数；
图10是中长波共口径折反式光学系统长波通道边缘视场的传递函数；
图11是中长波共口径折反式光学系统中波通道的场曲畸变图；
图12是中长波共口径折反式光学系统长波通道的场曲畸变图；
图13是中长波共口径折反式光学系统中波通道的点列图；
图14是中长波共口径折反式光学系统长波通道的点列图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
中长波共口径折反式光学系统，包括：一次成像镜组、第一准直镜组A1、第一反射镜RE1、第二准直镜组A2、第二反射镜RE2、分光镜FL1、中波二次成像镜组B1、中波三次成像镜组B2、长波二次成像镜组C1和长波三次成像镜组C2。入射光束中的中波红外光和长波红外光均依次经一次成像镜组第一次实物成像、第一准直镜组A1压缩口径、第一反射镜RE1反射、第二准直镜组准直、第二反射镜RE2反射后入射到分光镜FL1，经过分光镜FL1分为中波红外光和长波红外光，中波红外光经中波二次成像镜组B1第二次成像后入射到中波三次成像镜组B2第三次成像，即得到光学系统的中波红外图像；长波红外光依次经长波二次成像镜组C1第二次成像、长波三次成像镜组C2第三次成像，得到光学系统的长波红外图像。一次成像镜组包括主反射镜和次反射镜，主反射镜设置中心孔，次反射镜放置在主反射镜的前方，第一准直镜组A1放置在主反射镜的后方，主反射镜和次反射镜为卡塞格林结构。
本发明的中长波共口径折反式光学系统实现了具有长焦距、通光口径大、材料成本低的红外光学系统，该光学系统最大程度的压缩了中波和长波在长焦模式下的尺寸，进而确保了更低的重量，更低的成本。本发明通过主反射镜、次反射镜和第一反射镜RE1构成三反卡塞格林，提高了光学系统对目标信号的能量采集能力。通过第一准直镜组A1、和第二准直镜组A2作为中/长波的共准直光路，可以实现中/长波的完善准直，有利于放宽各成像通道的间隔公差，而且可以将各通道成像传函提高到衍射极限，且能够实现100％冷光阑匹配。随着不同工程项目所需要的口径的变化，该光学系统还可以等比例缩放，并进行简单的优化，即可以满足不同的设计指标。
下文主要以长波红外作为分光镜FL1的透射光束进行详述，如图1至图4。
本发明的中长波共口径折反式光学系统，包括一次成像镜组、第一准直镜组A1、第一反射镜RE1、第二准直镜组A2、第二反射镜RE2、分光镜FL1、中波二次成像镜组B1、中波三次成像镜组B2、第三反射镜RE3、长波二次成像镜组C1和长波三次成像镜组C2。
入射光束经一次成像镜组一次成像后入射到第一准直镜组A1，经第一准直镜组A1压缩口径后经第一反射镜RE1反射至第二准直镜组A2，经第二准直镜组A2准直后入射到第二反射镜RE2，经第二反射镜RE2反射后入射到分光镜FL1，经过分光镜FL1分为中波红外光束和长波红外光束，长波中波红外光束经中波二次成像镜组B1二次成像后入射到中波二次成像镜组B2，经中波三次成像镜组B2透射后三次成像；长波红外光束依次经第三反射镜RE3反射、长波二次成像镜组C1二次成像、长波三次成像镜组C2三次成像。第一反射镜RE1和第二反射镜RE2能够实现中波和长波的全反射，第三反射镜RE3能够实现长波波段的全反射。
图1至图4中为分光镜FL1透射的光为长波红外光。
本发明的光学系统包括中波红外通道和长波红外通道，一次成像镜组、第一准直镜组A1、第一反射镜RE1、第二准直镜组A2和第二反射镜RE2作为中波红外通道和长波红外通道的共用通道。入射光束中具有中波红外光和长波红外光。经一次成像镜组第一次成像的像为中波红外通道的第一次成像，也为光学系统的长波红外通道的第一次成像。光学系统的中波红外的二次实像成像位于中波二次成像镜组B1和中波三次成像镜组B2之间。光学系统的长波红外的二次实像成像位于长波二次成像镜组C1和长波三次成像镜组C2之间。
上述一次成像镜组包括主反射镜和次反射镜。次反射镜、主反射镜、第一准直镜组A1和第一反射镜RE1顺次设置。光学系统的第一次成像位于次反射镜和第一准直镜组A1之间，优选的是位于主反射镜和第一准直镜组A1之间。主反射镜上设有一个通孔，通孔位于主反射镜光轴上，，即通孔为上述中心孔次反射镜对应通孔设置，入射光束经主反射镜反射至次反射镜上，再经次反射镜反射后穿过主反射镜上的通孔后，入射到第一准直镜组A1上。
次反射镜、主反射镜、第一准直镜组A1、第一反射镜RE1、第二准直镜组A2和第二反射镜RE2顺次设置。第二反射镜RE2、分光镜FL1和第三反射镜RE3顺次设置。第三反射镜RE3、长波二次成像镜组C1和长波三次成像镜组C2顺次设置。分光镜FL1、中波二次成像镜组B1和中波三次成像镜组B2顺次设置。
第一准直镜组A1包括沿光束传输方向顺次设置的第一透镜A1-1、第二透镜A1-2和第三透镜A1-3。第二准直镜组A2包括沿光束传输方向顺次设置的第四透镜A2-1、第五透镜A2-2、第六透镜A2-3和第七透镜A2-4。中波二次成像镜组B1包括沿光束传输方向顺次设置的第八透镜B1-1、第九透镜B1-2和第十透镜B1-3。中波三次成像镜组B2包括沿光束传输方向顺次设置的第十一透镜B2-1、第十二透镜B2-2、第十三透镜B2-3和第十四透镜B2-4。长波二次成像镜组C1包括沿光束传输方向顺次设置的第十五透镜C1-1、第十六透镜C1-2和第十七透镜C1-3。长波三次成像镜组C2包括沿光束传输方向顺次设置的第十八透镜C2-1、第十九透镜C2-2、第二十透镜C2-3和第二十一透镜C2-4。
表1为中波通道系统参数。表2为长波通道系统的部分参数。表1和表2中表面序号为沿光束传输方向编号，例如第一透镜A1-1沿光束传输方向的表面顺次为S3和S4。第一反射镜RE1、第二反射镜RE2和第三反射镜RE3均为平面反射镜。主反射镜(即主镜)的反射面为S1，次反射镜(即次镜)的反射面为S2，S1、S2均为球面。
表1
表2
中波通道中有5片镜为非球面透镜，共5个非球面表面，分别是第八透镜B1-1的光束出射面S18、第九透镜B1-2的光束出射面S20、第十透镜B1-3的光束出射面S22、第十二透镜B2-2的光束入射面S25和第十四透镜B2-4的光束入射面S29。长波通道中有4片镜为非球面透镜，共4个非球面表面，分别是第十五透镜C1-1的光束入射面S31、第十六透镜C1-2的光束出射面S34、第二十透镜C2-3的光束入射面S41和第二十一透镜C2-4的光束入射面S43。中波二次成像镜组B1、中波三次成像镜组B2、长波二次成像镜组C1和长波三次成像镜组C2的其余面均为球面。第一准直镜组A1和第二准直镜组A2中的透镜面均为球面。
非球面系数公式
其中z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，a2,a3,a4,a5,a6为高次非球面系数，表3为中波通道5个表面非球面系数，表4为长波通道4个表面非球面系数。
表3
| 表面序号 | k | <![CDATA[a<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>4</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>5</sub>]]> |
| S18 | 0 | 2.72e-7 | 1.92e-10 | -8.7e-14 | 2.3e-16 |
| S20 | 0 | -5.94e-6 | 1.30e-8 | -2.92e-11 | 2.67e-14 |
| S22 | 0 | 4.59e-6 | -3.91e-9 | 5.37e-12 | 2.19e-15 |
| S25 | 0 | 2.29e-5 | -1.00e-7 | 1.10e-9 | -5.17e-12 |
| S29 | 0 | -1.74e-5 | 2.97e-8 | 1.41e-10 | -3.12e-13 |
表4
| 表面 | k | <![CDATA[a<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>4</sub>]]> | <![CDATA[a<sub>5</sub>]]> |
| S31 | 0 | -5.42e-8 | 5.3e-11 | -1.88e-14 | 0 |
| S34 | 0 | -6.03e-7 | 9.03e-10 | -1.58e-12 | 0 |
| S41 | 0 | -1.45e-5 | 3.08e-8 | -3.48e-11 | 0 |
| S43 | 0 | 9.77e-6 | 2.36e-8 | -1.24e-10 | 6.66e-13 |
如图5至图14，示出了本实施例光学系统对3.7微米、4微米、4.2微米和4.8微米光束的成像质量，可知本发明中长波共口径折反式光学系统的成像质量高。
本发明设计的中长波共口径折反式光学系统，基于中/长波成像理论，结合Cassegrain反射结构，实现了中波和长波共口径成像系统。该系统适用于1280×1024像素，像元尺寸15μm，F数4的中波探测器和640×512像素，像元尺寸15μm，F数2的长波探测器。中波成像通道和长波通道的焦距分别达到1120mm和560mm，两通道视场角度一致，可实现图像融合功能。
本发明的光学系统最大程度的压缩了中波和长波在长焦模式下的尺寸，进而确保了更低的重量，更低的成本。同时孔径光阑设置在主反射镜上，中/长波通道都以Cassegrain结构主反射镜的全口径通光，提高了目标信号的能量采集能力。中波长波通道通过焦距和探测器的匹配，实现了两通道视场角的一致性，可以实现图像融合功能。通过中/长波的共准直光路，可以实现中/长波的完善准直，有利于放宽各成像通道的间隔公差，而且可以将各通道成像传函提高到衍射极限，且实现100％冷光阑匹配。随着不同工程项目所需要的口径的变化，该系统还可以等比例缩放，并进行简单的优化，即可以满足不同的设计指标。
Claims (10)
1.中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，包括：一次成像镜组、第一准直镜组(A1)、第一反射镜(RE1)、第二准直镜组(A2)、第二反射镜(RE2)、分光镜(FL1)、中波二次成像镜组(B1)、中波三次成像镜组(B2)、长波二次成像镜组(C1)和长波三次成像镜组(C2)；所述一次成像镜组包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜和次反射镜构成卡塞格林结构；
入射光束中的中波红外光和长波红外光均依次经一次成像镜组第一次成像、第一准直镜组(A1)压缩光束、第一反射镜(RE1)反射、第二准直镜组准直、第二反射镜(RE2)反射后入射到分光镜(FL1)，经过分光镜(FL1)分为中波红外光和长波红外光，中波红外光依次中波二次成像镜组(B1)、中波三次成像镜组(B2)得到中波红外图像；长波红外光依次经长波二次成像镜组(C1)、长波三次成像镜组(C2)得到长波红外图像。
2.如权利要求1所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第三反射镜(RE3)，分光镜(FL1)分光得到的长波红外光能够经第三反射镜(RE3)反射后入射到长波二次成像镜组(C1)上，分光镜(FL1)分光得到的中波红外光能够入射到中波二次成像镜组(B1)上。
3.如权利要求1所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述主反射镜上设有中心孔，次反射镜放置在主反射镜的前方，第一准直镜组(A1)放置在主反射镜的后方，入射光束中的中波红外光和长波红外光均依次经主反射镜反射至次反射镜上，经次反射镜反射后穿过所述中心孔后照射到第一准直镜组上。
4.如权利要求3所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述主反射镜的反射面S1的曲率半径R1为505mm<R1<510mm，圆锥系数为-1，次反射镜的反射面S2的曲率半径R2为135mm<R2<140mm，圆锥系数为-2.6，主反射镜和次反射镜的间隔为200mm，次反射镜和第一准直镜组(A1)的间隔为262mm。
5.如权利要求1所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述第一准直镜组(A1)包括沿光束传输方向顺次设置的第一透镜(A1-1)、第二透镜(A1-2)和第三透镜(A1-3)；所述第二准直镜组(A2)包括沿光束传输方向顺次设置的第四透镜(A2-1)、第五透镜(A2-2)、第六透镜(A2-3)和第七透镜(A2-4)。
6.如权利要求5所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述第一透镜(A1-1)的光束入射面S3的曲率半径R3为40mm<R3<43mm，光束出射面S4的曲率半径R4为75mm<R4<78mm；第二透镜(A1-2)的光束入射面S5的曲率半径R5为60mm<R5<63mm，光束出射面S6的曲率半径R6为50mm<R6<52mm；第三透镜(A1-3)的光束入射面S7的曲率半径R7为740mm<R7<746mm，光束出射面S8的曲率半径R8为177mm<R8<179mm；第四透镜(A2-1)的光束入射面S9的曲率半径R9为53mm<R9<55mm，光束出射面S10的曲率半径R10为139mm<R10<144mm；第五透镜(A2-2)的光束入射面S11的曲率半径R11为28mm<R11<31mm，光束出射面S12的曲率半径R12为122mm<R12<125mm；第六透镜(A2-3)的光束入射面S13的曲率半径R13为86mm<R13<88mm，光束出射面S14的曲率半径R14为56mm<R14<58mm；第七透镜(A2-4)的光束入射面S15的曲率半径R15为587mm<R15<590mm，光束出射面S16的曲率半径R16为117mm<R16<120mm。
7.如权利要求1所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述中波二次成像镜组(B1)包括沿光束传输方向顺次设置的第八透镜(B1-1)、第九透镜(B1-2)和第十透镜(B1-3)；所述中波三次成像镜组(B2)包括沿光束传输方向顺次设置的第十一透镜(B2-1)、第十二透镜(B2-2)、第十三透镜(B2-3)和第十四透镜(B2-4)；所述长波二次成像镜组(C1)包括沿光束传输方向顺次设置的第十五透镜(C1-1)、第十六透镜(C1-2)和第十七透镜(C1-3)；所述长波三次成像镜组(C2)包括沿光束传输方向顺次设置的第十八透镜(C2-1)、第十九透镜(C2-2)、第二十透镜(C2-3)和第二十一透镜(C2-4)。
8.如权利要求1所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述第八透镜(B1-1)的光束出射面S18、第九透镜(B1-2)的光束出射面S20、第十透镜(B1-3)的光束出射面S22、第十二透镜(B2-2)的光束入射面S25、第十四透镜(B2-4)的光束入射面S29、第十五透镜(C1-1)的光束入射面S31、第十六透镜(C1-2)的光束出射面S34、第二十透镜(C2-3)的光束入射面S41和第二十一透镜(C2-4)的光束入射面S43均为非球面。
9.如权利要求8所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述非球面系数公式为：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，a2,a3,a4,a5,a6为高次非球面系数；
所述S18的非球面系数公式为：
所述S20的非球面系数公式为：
所述S22的非球面系数公式为：
所述S25的非球面系数公式为：
所述S29的非球面系数公式为：
所述S31的非球面系数公式为：
所述S34的非球面系数公式为：
所述S41的非球面系数公式为：
所述S43的非球面系数公式为：
10.如权利要求9所述的中长波共口径折反式光学系统，其特征在于，所述第八透镜(B1-1)的光束入射面S17的曲率半径R17为39mm<R17<40mm，光束出射面S18的曲率半径R18为39mm<R18<42mm；所述第九透镜(B1-2)的光束入射面S19的曲率半径R19为570mm<R17<575mm，光束出射面S20的曲率半径R20为72mm<R20<75mm；所述第十透镜(B1-3)的光束入射面S21的曲率半径R21为45mm<R21<52mm，光束出射面S22的曲率半径R18为-116mm<R18<120mm；所述第十一透镜(B2-1)的光束入射面S23的曲率半径R23为108mm<R23<110mm，光束出射面S24的曲率半径R24为36mm<R24<38mm；所述第十二透镜(B2-2)的光束入射面S25的曲率半径R25为68mm<R25<69mm，光束出射面S26的曲率半径R26为40mm<R26<42mm；所述第十三透镜(B2-3)的光束入射面S27的曲率半径R27为60mm<R27<62mm，光束出射面S28的曲率半径R28为30mm<R28<33mm；所述第十四透镜(B2-4)的光束入射面S29的曲率半径R29为35mm<R29<37mm，光束出射面S30的曲率半径R30为104mm<R30<106mm；所述第十五透镜(C1-1)的光束入射面S31的曲率半径R31为66mm<R31<68mm，光束出射面S32的曲率半径R32为117mm<R32<119mm；所述第十六透镜(C1-2)的光束入射面S33的曲率半径R33为92mm<R33<94mm，光束出射面S34的曲率半径R34为65mm<R34<66mm；所述第十七透镜(C1-3)的光束入射面S35的曲率半径R35为50mm<R35<52mm，光束出射面S36的曲率半径R36为25mm<R36<26mm；所述第十八透镜(C2-1)的光束入射面S37的曲率半径R37为46mm<R37<48mm，光束出射面S38的曲率半径R38为36mm<R38<38mm；所述第十九透镜(C2-2)的光束入射面S39的曲率半径R39为239mm<R39<241mm，光束出射面S40的曲率半径R40为344mm<R40<345mm；
所述第二十透镜(C2-3)的光束入射面S41的曲率半径R41为69mm<R41<71mm，光束出射面S42的曲率半径R42为126mm<R42<128mm；所述第二十一透镜(C2-4)的光束入射面S43的曲率半径R43为17mm<R43<18mm，光束出射面S44的曲率半径R44为17mm<R44<18mm。
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Also Published As
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