CN116880049A - 一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，主要解决现有离轴三反光学系统存在成像视场小、无法实现入瞳前置，或无法适配制冷型探测器、不具备外置入瞳，或工程可实现性较差的技术问题。包括从物面至焦面依次排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；第一反射镜设置于靠近物面侧位置；第二反射镜设置于第一反射镜的反射光路上，并在第二反射镜和第三反射镜之间形成一次像面后，光线发散入射至第三反射镜；第三反射镜设置于第二反射镜的反射光路上，用于对经第二反射镜反射进入的光线进行反射，探测器冷窗和探测器冷阑依次设置于第三反射镜的反射光路上。
Description
技术领域
本发明涉及一种离轴三反光学系统，具体涉及一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统。
背景技术
具有前置入瞳的光学系统可独立完成光学成像功能，还可与无焦光学系统组合，构成更长焦距或更大视场的光学系统，实现光学系统的模块化，但对于含有冷光阑的制冷型探测器，在保证100％冷阑匹配的同时，采用二次曲面、偶次非球面等传统曲面形式的离轴三反光学系统，可用设计变量少，在大视场、小包络等技术要求下，当光学系统还需要具有前置入瞳时，难以实现良好的成像质量，给相关设计工作造成很大困难。
自由曲面具有非旋转对称特性，可大幅增加光学系统设计中的优化变量，实现光学系统的小型化和大视场化。更进一步地，随着加工技术的不断发展，光学自由曲面加工技术已愈加成熟，在成像领域已获得更加广泛的应用，将其应用于离轴成像光学系统设计也已成为一种趋势。
2018年刊载于中国期刊《红外与激光工程》第47卷第9期，题为《自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用》；2019年刊载于中国期刊《红外和毫米波学报》低38卷第1期，题为《三重共轭消杂散光光学系统的设计方法研究》；2019年刊载于中国期刊《光学学报》第39卷第11期，题为《制冷型自由曲面离轴反射光学系统设计》；2020年刊载于中国期刊《红外与激光工程》第49卷第8期，题为《大视场大相对孔径自由曲面成像系统设计》，2023年刊载于中国期刊《光学学报》第43卷第8期，题为《易于多面共体加工的自由曲面离轴三反系统设计》等中文文献中，公开的自由曲面离轴三反光学系统，均存在成像视场小、体积大、无法实现入瞳前置的问题。
公开号为CN103809277A、CN104898261B、CN103246053A、CN105334607A、CN107290845A等中国专利，公开了多种一次成像型离轴反射式光学系统，或具有大相对孔径、或具有宽成像视场，但均无法适配制冷型探测器，也不具备外置入瞳。
美国专利US4834517公开了一种制冷型离轴三反光学系统设计，分别给出了线视场1°×12°、光圈F3和线视场1°×10°、光圈F4的偏视场离轴三反光学系统，各工作面均采用二次曲面，具有前置入瞳，且实现了100％冷阑匹配，但所述设计中探测器焦平面相对冷光阑存在偏心和倾斜，需要使用离轴杜瓦，工程可实现性差。
综上，设计出具有较小体积、较大视场，且具有前置入瞳，工程可实现性较高，可适制冷型探测器的离轴三反光学系统，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有离轴三反光学系统存在成像视场小、体积大、无法实现入瞳前置，或无法适配制冷型探测器、不具备外置入瞳，或工程可实现性较差的技术问题，而提供一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特殊之处在于：
包括从物面至焦面依次排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；
所述第一反射镜设置于靠近物面侧位置，用于对视场范围内入射的光线进行反射、会聚，并反射至第二反射镜表面；所述第二反射镜设置于第一反射镜的反射光路上，用于将第一反射镜反射的光线进行二次反射，并在第二反射镜和第三反射镜之间形成一次像面后，光线发散入射至第三反射镜；所述第三反射镜设置于第二反射镜的反射光路上，用于对经第二反射镜反射进入的光线进行反射，所述探测器冷窗和探测器冷阑依次设置于第三反射镜的反射光路上，第三反射镜反射的光线依次经探测器冷窗和探测器冷阑，会聚至焦面上进行成像；
所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的反射面均为xy多项式自由曲面；
所述第一反射镜和第三反射镜均具有正光焦度，所述第二反射镜具有负光焦度；
以系统入瞳位置为参考面，以参考面的中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第一反射镜的顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第二反射镜的顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第三反射镜的顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；
定义所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α5，以逆时针绕ox轴正方向为正，则α5满足以下条件式：-5°<α5<+5°。
进一步地，定义所述第三反射镜的有效焦距为f1，所述第二反射镜的有效焦距为f’时，则|f’/f1|满足以下条件式：0.6≤|f’/f1|≤1.0；
进一步地，所述|f’/f1|的取值为0.79；
所述α5为0°。
进一步地，所述xy多项式自由曲面的方程式为：
其中：z为曲面矢高；c为曲面曲率；k为二次曲面系数；，Aj是多项式中第j项的系数,m和n为幂次，m+n≤10；N为项数，其取值不大于66；x和y在第一反射镜中取x2和y2，在第二反射镜中取x3和y3，在第三反射镜中取x4和y4。
进一步地，以所述探测器冷窗中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，52～62，65～75)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-29～-19，-29～-19)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-76～-66，119～129)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-97～-87，-29～-19)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，57.36，70)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-24.17，-24.86)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-71.92，124.70)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-92.6，-24.9)。
进一步地，所述第二三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为34.5°；
所述第三三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为2.9°；
所述第五三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为0°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明光学结构，无色差、透过率高、热稳定性好、内部辐射噪声低；相比现有报道的离轴三反光学系统，在入瞳前置的同时，实现100％冷光阑匹配，还具有大视场、低畸变、体积紧凑等优势。
2、本发明所述光学系统采用全反结构，无色差，使一个光学系统兼具宽波段探测能力，能够有效实现探测手段的小型化轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度，并能实现多谱段成像等功能。
3、本发明所述系统采用离轴三反光学结构，通过各镜片合理的空间布局，实现了整个成像光路在空间的U型折叠，保证了整个成像系统的紧凑化。
4、本发明所述光学系统采用准对称式光学结构，保证光学系统在各视场条件下均具有较好的畸变特性。
5、本发明采用离轴三反的光学结构，各光学元件相对光轴均存在偏心和倾斜，不会发生探测器的冷反射自成像，具有优良的冷反射抑制特性。
附图说明
图1是本发明实施例的光学结构示意图；
图2是本发明实施例的光学结构与坐标系示意图；
图3是本发明实施例的相对畸变分布示意图。
图中：1-物面，2-参考面，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-第三反射镜，6-探测器冷窗，7-探测器冷阑，8-焦面。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
图1和2为本发明入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统的一种优选实施例。从物面1至焦面8依次固联排列的主镜、次镜、三镜、探测器冷窗6和探测器冷阑7。主镜、次镜和三镜均为单片式反射镜，分别为第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5，且第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5均采用自由曲面面形。
光学系统入瞳中心与参考面2的中心位置重合。
在本实施例中，第一反射镜3设置于靠近物面1位置，用于对视场范围内入射的光线进行反射、会聚，并反射至第二反射镜4表面；第二反射镜4设置于第一反射镜3的反射光路上，用于将第一反射镜3反射的光线进行二次反射，并在第二反射镜4和第三反射镜5之间形成一次像面后，光线发散入射至第三反射镜5；第三反射镜5设置于第二反射镜4的反射光路上，用于对经第二反射镜4反射进入的光线进行反射，探测器冷窗6和探测器冷阑7依次设置于第三反射镜5的反射光路上，第三反射镜5反射的光线依次经探测器冷窗6和探测器冷阑7，会聚至焦面8上进行成像。
以图2中参考面2中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系，图1中水平向右为+Z轴，垂直纸面向里为+X轴，向上为+Y轴。
以第一反射镜3顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第二反射镜4顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第三反射镜5顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；以所述被探测器冷窗6中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系。
其中，第一反射镜3的反射面顶点坐标、第二反射镜4的反射面顶点坐标、第三反射镜5的反射面顶点坐标以及所在空间的坐标方向可在(x1,y1,z1)坐标系中给定；具体地，第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，52～62，65～75)；第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-29～-19，-29～-19)；第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-76～-66，119～129)；第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-97～-87，-29～-19)。
第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5的反射面均为关于xy多项式自由曲面，该xy多项式自由曲面的一般表达式为：
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Aj是多项式中第j项的系数,m和n为幂次，一般的，m+n≤10；
N为项数，其取值一般大于66。
x和y在第一反射镜3中取x2和y2，在第二反射镜4中取x3和y3，在第三反射镜5中取x4和y4。
具体到本实施例，第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5分别为关于(x3,y3)、(x4,y4)和(x5,y5)的8次多项式自由曲面。另外，本实施例的制冷型自由曲面离轴三反光学系统关于yz平面对称，仅保留x的偶次项即可，进一步改善了整个光学系统的可加工性。本实施例中，主镜、次镜和三镜反射面的xy多项式各参数详见表1。
此时，若取探测器冷窗6、探测器冷阑7和探测器焦面8构成探测器组件，第一反射镜3和第三反射镜5均具有正光焦度，第二反射镜4具有负光焦度，并与探测器组件依次固联，构成完整的成像系统。
此外，设第一反射镜3的有效焦距为f1，设第二反射镜4的有效焦距为f’时，|f’/f1|满足以下条件式：
0.6≤|f’/f1|≤1.0；(1)
条件式(1)是对光学系统第一反射镜3和第二反射镜4有效焦距进行限定的式子。通过满足该条件式(1)，能够保证整个光学系统横向包络的小型化，并能够对经第一反射镜在第一反射镜3和第二反射镜4之间所成一次像中存在的场曲和畸变良好地进行校正。条件式(1)中若低于其下限，则所述第一反射镜3无法对由于大视场化伴随产生的场曲和畸变进行良好校正，而使后续系统复杂化而成为问题。另一方面，在条件式(1)中若高于其上限，对光学系统的像差校正有利，但光学系统的横向尺寸增大，对整个光学系统的小型化造成困难。
此外，设所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α5，α5为绕第一三维直角坐标系ox轴正方向的转角，逆时针为正，则α5满足以下条件式：
-5°<α5<+5°；(2)
条件式(2)是对第三反射镜5转角进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够保证光学系统接近U型折转，实现纵向体积包络的紧凑化，并能够对经第二反射镜4产生像散良好地进行校正。条件式(2)中若高于其上限，则所述成像光学系统纵向尺寸变大，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(2)中若低于其下限，对光学系统的纵向尺寸的减小有利，但探测器的空间安装将变得困难，进而无法实现成像系统的小型化，而成为问题。
如上所述，该实施方式所涉及的离轴三反光学系统，通过同时满足上述各条件，在入瞳前置，实现100％冷光阑匹配的同时，能够实现小型化、大视场、低畸变，并能够在整个视场范围内对整个工作谱段范围的光产生的诸像差良好地进行校正，得到优良的光学性能。
图2是表示实施例所涉及的制冷型自由曲面离轴三反光学系统沿光轴的剖面图。本实施例光学系统共三个反射镜，从物面1到焦面8依次排列固联具有正光焦度的第一反射镜3、具有负光焦度的第二反射镜4和具有正光焦度的第三反射镜5。在成像面配置制冷型探测器组件等受光面。
以下，表示与实施例所涉及的变焦光学系统相关的各种数值数据。
F/#＝4，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D；
适配探测器阵列：1024×1024；
适配探测器像元：12μm×12μm；
工作谱段范围：3.0μm～5.0μm；
全视场角范围：8°×8°；
全视场相对畸变：≤5.0％；
消热温度范围：-45℃～+70℃；
如下的表1给出了第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5顶点相对(x1,y1,z1)坐标系的位置及反射面面型参数值；
注：NR为规一化半径，α为绕第一三维直角坐标系ox轴正方向的转角，逆时针为正。表中各尺寸单位为：毫米，角度单位为：度。
表2实施例·每种条件下的参数表
如图3所示，给出了本实施例光学系统全视场相对畸变分布示意图，从中可以看出，全视场相对畸变较小，几乎不会产生成像扭曲。
本实施例提供的制冷型离轴三反光学系统，无色差、透过率高、热稳定性好、辐射噪声低；相比现有报道的离轴三反光学系统，具有大视场、低畸变、体积紧凑、可空间折叠等优势，适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、低温光学遥感、红外告警监测等用途，特别地，尤其适用于使用制冷型探测器的各类模块化光电成像探测系统。
本实施例光学系统中的光学系统镜片总数仅为三片，具有较好的公差特性。各反射镜所用光学材料均为常用反射镜基底材料，均具有较好的可获得与可加工特性。
本实施例各反射镜基底材料和支撑结构均可采用普通铝合金材料，具有优良的可加工性能。
本实施例采用与光机结构材料线膨胀系数相匹配的反射镜基底材料，在典型工况，如-45℃～+70℃全温度范围内，可实现光学被动消热差，补偿因光机结构或镜面基底材料温度变化造成的离焦。
本实施例采用与反射镜基底材料线膨胀系数相同的光机结构材料，在极宽温度范围内不会发生离焦，保证优良成像，特别地，可应用于77K或更低温度环境的应用场景，满足各类低温光学的使用需求。具体的，可以适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、低温光学遥感、红外告警监测等用途。
Claims (7)
1.一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
包括从物面(1)至焦面(8)依次排列的第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)；
所述第一反射镜(3)设置于靠近物面(1)的位置，用于对视场范围内入射的光线进行反射、会聚，并反射至第二反射镜(4)表面；所述第二反射镜(4)设置于第一反射镜(3)的反射光路上，用于对第一反射镜(3)反射的光线进行反射，并在第二反射镜(4)和第三反射镜(5)之间形成一次像面后，将光线发散入射至第三反射镜(5)；所述第三反射镜(5)设置于第二反射镜(4)的反射光路上，用于对第二反射镜(4)反射的光线进行反射，所述探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)依次设置于第三反射镜(5)的反射光路上，第三反射镜(5)反射的光线依次经探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)，会聚至焦面(8)上进行成像；
所述第一反射镜(3)、第二反射镜(4)和第三反射镜(5)的反射面均为xy多项式自由曲面；所述第一反射镜(3)和第三反射镜(5)均具有正光焦度，所述第二反射镜(4)具有负光焦度；
以系统入瞳位置为参考面(2)，以参考面(2)的中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第一反射镜(3)的顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第二反射镜(4)的顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第三反射镜(5)的顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；
定义所述第四三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为α5，以逆时针绕ox轴正方向为正，则α5满足以下条件式：-5°<α5<+5°。
2.根据权利要求1所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
定义：所述第三反射镜(5)的有效焦距为f1，所述第二反射镜的有效焦距为f’；则|f’/f1|满足以下条件式：0.6≤|f’/f1|≤1.0。
3.根据权利要求2所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述|f’/f1|的取值为0.79；
所述α5的取值为0°。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述xy多项式自由曲面的方程式为：
其中：z为曲面矢高；c为曲面曲率；k为二次曲面系数；，Aj是多项式中第j项的系数,m和n为幂次，m+n≤10；N为项数，其取值不大于66；x和y在第一反射镜(3)中取x2和y2，在第二反射镜(4)中取x3和y3，在第三反射镜(5)中取x4和y4。
5.根据权利要求4所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
以所述探测器冷窗(6)中心为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，52～62，65～75)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-29～-19，-29～-19)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-76～-66，119～129)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-97～-87，-29～-19)。
6.根据权利要求5所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，57.36，70)；
所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-24.17，-24.86)；
所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-71.92，124.70)；
所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，-92.6，-24.9)。
7.根据权利要求6所述的一种入瞳前置制冷型自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于：
所述第二三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为34.5°；
所述第三三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为2.9°；
所述第五三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为0°。
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