CN116909004A - 一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统探测技术领域.本发明提供的光学系统包含主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4，采用更高性能的自由曲面，Zernike自由曲面，能够简化系统结构，实现集成化，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，最大限度的提高和改善系统性能，可以实现很好的成像质量。

Description

一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统

技术领域

本发明公开了一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，主要用于红外探测器领域，涉及光学镜头与光学设计领域，特别涉及一种红外探测系统。

背景技术

近年来，红外探测技术不断进行更新迭代，各种光学系统不断飞速发展，反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点，因此被广泛应用于红外探测等领域，目前红外探测领域中，光学系统主要有同轴反射式和离轴反射等几种类型，市面上大多都是基于离轴三反或者离轴四反系统的红外探测器，存在着系统体积大，宽视场像散以及场曲难以矫正，像差平衡能力会受到限制，成像质量不高等一系列问题，针对这些这一系列问题，本发明设计了一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统，该系统很好的解决了像差难以平衡，体积大难装配，成像质量不高等问题，为红外探测领域提供了一种更好的技术支持。

近年来，我国的的工业化能力得到显著提高，非球面加工技术不断进步，离轴四反系统的应用也更加广泛，离轴系统所采用的光学元件更多的是非球面。如公开号为CN106646839A，专利名称为深紫外谱段离轴四反光学成像系统的中国专利，采用了非球面设计。传统的离轴四反系统通常采用四片反射镜设计，存在整个系统体积大，难装调，以及像差难以平衡等问题。

传统球面的反射镜，会使反射系统的结构设计复杂，难于降低体积质量，并且像差难以校正。相比传统球面，非球面系统使初级球差、慧差和像散可得到校正。传统非球面的面型具有旋转对称性（轴对称），子午和弧矢方向的曲率半径并不相互独立，使得在宽视场像散和场曲难以校正，并且像差平衡能力收到限制，难以满足成像质量要求。

发明内容

为了解决现在现有离轴系统的光学元件采用四片反射镜设计，存在整个红外探测器系统体积大，难装调，以及采用轴对称非球面，存在宽视场像散何场曲像差难以校正，其像差平衡能力受到限制，难以满足成像质量要求的问题。本发明提供一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统，可以实现的很好的成像质量。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，所述光学系统采用离轴系统式反射结构，所述光学系统包括主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4；四个反射镜之间在空间上排列成“W”形状，主反射镜1与第三反射镜3相对距离X满足85.59mm<X<91.24mm，次级反射镜2与第四反射镜4相对距离X满足61.85mm<X<65.00mm；

红外波段的光线先后通过主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3以及第四反射镜4，经过所述光学系统后，红外波段的光线汇聚到像面，像面尺寸大小为10mm×10mm，最大半视场角为2°×2°，所述光学系统满足关系式：0.03<TTL/f<0.12；其中，TTL为所述光学系主反射镜1的物侧面到所述光学系统第四反射镜4像侧面在光轴上的距离，f为所述光学系统的焦距；

进一步的，所述光学系统还满足关系式：278.86mm<TTL/TAN(HFOV)<946.28mm；其中，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TAN(HFOV)为HFOV的正切值。

进一步的，所述光学系统满足以下关系式：571.43mm<D/TAN(HFOV)<1367.43mm；

其中，D为所述主反射镜1的物侧面的最大有效半口径，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TAN(HFOV)为HFOV的正切值。

进一步的，所述主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4使用自由曲面Zernike非球面进行设计优化，采用全局倾斜偏心的方式进行排列，装调所述光学系统时按照空间上的相对位置进行排列摆放。

进一步的，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行优化，所述反射镜的透镜半径M满足：9.17mm<M<46.3mm。

与传统的旋转对称球面和非球面相比，自由曲面具有极大的设计自由度，光学面型可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成,像差平衡和校正能力强,同时随着加工工艺和装调技术不断发展,使得此类系统应用成为未来发展趋势,自由曲面不仅能够最大程度上的简化系统结构。实现集成化，还能最大限度的提高和改善系统性能。因此，本发明设计采用更高性能的自由曲面，Zernike自由曲面，增加整个系统设计的自由度，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使得红外探测器系统在装配上能够更简易方便，并且在成像质量能够得到大幅提升。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明光学系统采用基于自由曲面的四片式反射镜设计而成的红外探测器，体积小，可降低装调难度，并且可以减少系统体积，降低成本，主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4均采用Zernike面，可以校正宽视场的像差，提升整个系统的成像质量。

(2)本发明达到的系统参数：系统焦距达到260mm以上，F数达到6.5，系统总长最小达到9.76mm，系统的视场角达到2°×2°，系统的MTF能在50lp/mm达到0.48以上。

附图说明

图1是本申请第一实施例公开的光学镜头的结构示意图；

图2A是本申请第一实施例公开的光学镜头的均方根光斑半径图；

图2B是本申请第一实施例公开的光学镜头的场曲图；

图2C是本申请第一实施例公开的光学镜头的畸变曲线图；

图3是本申请第二实施例公开的光学镜头的结构示意图；

图4A是本申请第二实施例公开的光学镜头的均方根光斑半径图；

图4B是本申请第二实施例公开的光学镜头的场曲图；

图4C是本申请第二实施例公开的光学镜头的畸变曲线图；

图5是本申请第三实施例公开的光学镜头的结构示意图；

图6A是本申请第三实施例公开的光学镜头的均方根光斑半径图；

图6B是本申请第三实施例公开的光学镜头的场曲图；

图6C是本申请第三实施例公开的光学镜头的畸变曲线图。

具体实施方式

与传统的旋转对称球面和非球面相比，自由曲面具有极大的设计自由度，光学面型可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成，像差平衡和校正能力强。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本申请的名词解释为：

HFOV：为水平半视场角；

TTL：光学总长，是指由镜头中镜片的第一面到像面的距离。

针对目前红外探测领域的发展和需求，本发明提供一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统，基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统按照光路顺序分别为：主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4，红外波段的光线依次经由主反射镜1反射，次反射镜2反射、第三反射镜3反射，第四反射镜4反射后汇集到焦平面上；该系统采用自由曲面的设计达到减小系统总长、体积，校正像差，提升系统成像质量的目的。

以下将通过结合实施例、具体参数以及附图说明对本发明的整个光学系统进行详细说明。

实施例一

如图1所示，基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统按照光路顺序分别为：主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4，红外波段的光线依次通过上述系统的结构，最终汇集于像面上。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图1中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；主反射镜1与第三反射镜3相对距离X满足85.59mm<X<91.24mm，次级反射镜2与第四反射镜4相对距离X满足61.85mm<X<65.00mm。

具体地，以实施例一镜头参数的焦距f=280mm、光学镜头光圈数FNO=7，光学镜头的最大视场半角HFOV=2°，TTL=33.12mm为例，光学镜头的其他参数由下表一给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图1所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表一中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚反射镜像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表一中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表一中的折射率在参考波长0.9um下得到，焦距在参考波长0.9um下得到。在实施例一中，主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3和第四反射镜4分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：

式中，Z为自由曲面矢高,c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数,为Ai为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标；N为项数。

本实施例的镜头数据表如下表一,下表二，给出了可用于第一实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G8、G10、G11、G14、G15。

表一 红外探测系统的镜头参数

此光学系统具有一定视场角，最大视场半角HFOV=2°×2°，像面尺寸大小为10mm×10mm，光学总长达到33.12mm，焦距达到280mm，此系统满足关系式：278.86mm<TTL/TAN(HFOV)<946.28mm，在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果，在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装调上的难度并且能够增加其便携性；

此光学系统满足关系式：0.03<TTL/f<0.12，在减少整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果的同时，此光学系统的焦距达到了280mm，使红外探测的探测距离能够变远；此系统在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

此系统还满足关系式：572.73mm<D/TAN(HFOV)<1325.93mm,在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，降低了整个光学系统中主反射镜的口径，此光学系统主反射镜的孔径为20mm,达到缩小整体系统口径的效果，达到缩小系统体积的效果；此系统在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装配上的难度并且增加了便携性。

此系统满足关系式：9mm<M<47mm,M为所述系统中所有反射镜的透镜半径，使光学系统的所有反射镜口径更小，达到缩小系统体积的效果，此系统中所有反射镜口径最小为12.7726mm，口径最大为23.8746mm,在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

表二 Zernike面各项系数

使用Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8、G10、G11、G14、G15这八项，增加了整个系统设计的自由度，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使得红外探测器系统在装配上能够更简易方便，并且在成像质量能够得到大幅提升。

请参阅图2A-2C，图2A-2C示出了实施例一中的光学镜头的像差图，其中，图2A示出了实施例一中的光学镜头在归一化视场下的均方根光斑半径图。图2A中，沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y轴方向表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图2A可以看出，实施例一中的光学镜头的球差数值较佳，说明本实施例中的光学镜头的成像质量较好。

请参阅图2B，图2B为实施例一中的光学镜头在定义的0.9um波长下的场曲图，沿X轴方向的横坐标表示场曲，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场，由图2B可以看出，在0.9um波长下，光学镜头的场曲得到了较好的补偿。

请参阅图2C，图2C为实施例一中的光学镜头定义的0.9um波长下的畸变曲线图，其中，沿X轴方向的横坐标表示线性畸变，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场。由图2C可以看出，在0.9um波长下，该光学系统的畸变得到了很好的矫正。

实施例二

如图3所示，基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统按照光路顺序分别为：主反射镜5，次级反射镜6，第三反射镜7，第四反射镜8，红外波段的光线依次通过上述系统的结构，最终汇集于像面上。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图3中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；主反射镜5与第三反射镜7相对距离X满足85.59mm<X<91.24mm，次级反射镜6与第四反射镜8相对距离X满足61.85mm<X<65.00mm。

具体地，以实施例二镜头参数的焦距f=313mm、光学镜头光圈数FNO=7.8，光学镜头的最大视场半角HFOV=2°×2°，TTL=9.76mm为例，光学镜头的其他参数由下表三给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图3所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表三中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚反射镜像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表三中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表三中的折射率在参考波长0.9um下得到，焦距在参考波长0.9um下得到。在第二实施例中，主反射镜5，次级反射镜6，第三反射镜7和第四反射镜8分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：

式中:Z为自由曲面矢高,c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数,为Ai为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标；N为项数。

本实施例的镜头数据表如下表三,下表四给出了可用于第一实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G8、G10。

表三 红外探测系统的镜头参数

此光学系统具有一定视场角，最大视场半角HFOV=2°×2°，像面尺寸大小为10mm×10mm，光学总长达到9.76mm，焦距达到313mm。此光学系统满足关系式：278.86mm<TTL/TAN(HFOV)<946.28mm，在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果，在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装调上的难度并且能够增加其便携性；

此系统还满足关系式：0.03<TTL/f<0.12，在减少整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果的同时，此光学系统的焦距达到了313mm，使红外探测的探测距离能够变远；此系统在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

此系统满足关系式：572.73mm<D/TAN(HFOV)<1325.93mm,在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，降低了整个光学系统中主反射镜的口径，此光学系统主反射镜的孔径为32.7316mm,达到缩小整体系统口径的效果，达到缩小系统体积的效果；此系统在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装配上的难度并且增加了便携性。

此系统满足关系式：9mm<M<47mm,M为所述系统中所有反射镜的透镜半径，使光学系统的所有反射镜口径更小，达到缩小系统体积的效果，此系统中所有反射镜口径最小为15.7601mm，口径最大为32.7316mm,在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

表四 Zernike面各项系数

使用Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8、G10这五项，增加了整个系统设计的自由度，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使得红外探测器系统在装配上能够更简易方便，并且在成像质量能够得到大幅提升。

请参阅图4A-4C，图4A-4C示出了实施例二的光学镜头的像差图，其中，图4A示出了实施例二中的光学镜头在归一化视场下的均方根光斑半径图。图4A中，沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y轴方向表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图4A可以看出，实施例二中的光学镜头的球差数值较佳，说明本实施例中的光学镜头的成像质量较好。

请参阅图4B，图4B为实施例二中的光学镜头在定义的0.9um波长下的场曲图，沿X轴方向的横坐标表示场曲，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场，由图4B可以看出，在0.9um波长下，光学镜头的场曲得到了较好的补偿。

请参阅图4C，图4C为实施例二中的光学镜头定义的0.9um波长下的畸变曲线图，其中，沿X轴方向的横坐标表示线性畸变，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场。由图4C可以看出，在0.9um波长下，该光学系统的畸变得到了很好的矫正。

实施例三

如图5所示,基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统按照光路顺序分别为：主反射镜9，次级反射镜10，第三反射镜11，第四反射镜12，红外波段的光线依次通过上述系统的结构，最终汇集于像面上。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图5中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；主反射镜9与第三反射镜11相对距离X满足85.59mm<X<91.24mm，次级反射镜10与第四反射镜12相对距离X满足61.85mm<X<65.00mm。

具体地，以实施例三镜头参数的焦距f=262mm、光学镜头光圈数FNO=6.5，光学镜头的最大视场半角HFOV=2°×2°，TTL=25mm为例，光学镜头的其他参数由下表五给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图5所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表五中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚镜片像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表五中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表五中的折射率在参考波长0.9um下得到，焦距在参考波长0.9um下得到。在第三实施例中，主反射镜9，次级反射镜10，第三反射镜11和第四反射镜12分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：

式中:Z为自由曲面矢高,c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数,为Ai为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标；N为项数。

本实施例的镜头数据表如下表五,下表六给出了可用于第三实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G7、G8。

表五 红外探测系统的镜头参数

此光学系统具有一定视场角，最大视场半角HFOV=2°×2°，像面尺寸大小为10mm×10mm，光学总长达到25mm，焦距达到262mm。

此系统满足关系式：278.86mm<TTL/TAN(HFOV)<946.28mm，在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果，在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装调上的难度并且能够增加其便携性；

此系统满足关系式：0.03<TTL/f<0.12，在减少整个光学系统的总长，达到缩小系统体积的效果的同时，此光学系统的焦距达到了262mm，使红外探测的探测距离能够变远；此系统在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

此系统满足关系式：572.73mm<D/TAN(HFOV)<1325.93mm,在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，降低了整个光学系统中主反射镜的口径，此光学系统主反射镜的孔径为46.3052mm,达到缩小整体系统口径的效果，达到缩小系统体积的效果；此系统在用于红外探测系统时，能够减少红外探测系统在装配上的难度并且增加了便携性。

此系统满足关系式：9mm<M<47mm,M为所述系统中所有反射镜的透镜半径，使光学系统的所有反射镜口径更小，达到缩小系统体积的效果，此系统中所有反射镜口径最小为9.1773mm，口径最大为46.3052mm,在用于红外探测系统时，使得红外探测系统在装调上的难度降低并且增加了便携性。

表六 Zernike面各项系数

使用Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8这四项，增加了整个系统设计的自由度，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使得红外探测器系统在装配上能够更简易方便，并且在成像质量能够得到大幅提升。

请参阅图6A-6C，图6A-6C示出了实施例三的光学镜头的像差图，其中，图6A示出了实施例三中的光学镜头在归一化视场下的均方根光斑半径图。图6A中，沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y轴方向表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图6A可以看出，实施例三中的光学镜头的球差数值较佳，说明本实施例中的光学镜头的成像质量较好。

请参阅图6B，图6B为实施例三中的光学镜头在定义的0.9um波长下的场曲图，沿X轴方向的横坐标表示场曲，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场，由图6B可以看出，在0.9um波长下，光学镜头的场曲得到了很好的补偿。

请参阅图6C，图6C为实施例三中的光学镜头定义的0.9um波长下的畸变曲线图，其中，沿X轴方向的横坐标表示线性畸变，沿Y轴方向的纵坐标表示归一化视场。由图6C可以看出，在0.9um波长下，该光学系统的畸变得到了很好的矫正。

本专利申请的技术效果为提供一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统。采用更高性能的自由曲面，Zernike自由曲面，能够简化系统结构，实现集成化，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，最大限度的提高和改善系统性能，可以实现很好的成像质量。

以上对本发明实施例公开的光学镜头进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的光学镜头及其设计核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，其特征在于，所述光学系统采用离轴系统式反射结构，所述光学系统包括主反射镜（1）、次级反射镜（2）、第三反射镜（3）、第四反射镜（4）；四个反射镜之间在空间上排列成“W”形状，主反射镜（1）与第三反射镜（3）相对距离X满足85.59mm<X<91.24mm，次级反射镜（2）与第四反射镜（4）相对距离X满足61.85mm<X<65.00mm；

红外波段的光线先后通过主反射镜（1）、次级反射镜（2）、第三反射镜（3）以及第四反射镜（4），经过所述光学系统后，红外波段的光线汇聚到像面，像面尺寸大小为10mm×10mm，最大半视场角为2°×2°，所述光学系统满足关系式：0.03<TTL/f<0.12；其中，TTL为所述光学系主反射镜（1）的物侧面到所述光学系统第四反射镜（4）像侧面在光轴上的距离，f为所述光学系统的焦距；

所述光学系统还满足关系式：278.86mm<TTL/TAN(HFOV)<946.28mm；其中，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TAN(HFOV)为HFOV的正切值。

2.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：

571.43mm<D/TAN(HFOV)<1367.43mm；

其中，D为所述主反射镜（1）的物侧面的最大有效半口径，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TAN(HFOV)为HFOV的正切值。

3.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，所述主反射镜（1）、次级反射镜（2）、第三反射镜（3）、第四反射镜（4）使用自由曲面Zernike非球面进行设计优化。

4.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行优化，所述反射镜的透镜半径M满足：9.17mm<M<46.3mm。