CN207216122U - 一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头 - Google Patents

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刘自强
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Abstract

本实用新型公开了一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，包括球罩、反射系统和透射系统三部分，球罩材料为硫化锌，反射系统包括一片凹面非球面主反射镜，一片凸面非球面次反射镜，透射系统包括四片镜片，第一片镜片为双凹锗镜片，第二片为凸面朝向像方的硒化锌正透镜，第三片为凸面朝向物方的硫化锌负透镜，第四片为凸面朝向物方的锗正透镜，四片镜片各有一个面为非球面。本实用新型中镜头的F数为0.89，适用于分辨率640×480像元大小17μm的中波制冷探测器，在‑40°到60°实现光学无热化成像。

Description

一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于长波非制冷探测器的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头。
背景技术
卡塞格林系统具有大口径、短总长、方便无热化设计、容易与短波红外激光系统融合等优异特性，较多的应用于航天和军事领域。由于支撑结构件和次镜结构件的遮挡，常规卡塞格林系统光圈较小，造成此类镜头热源成像灵敏度的下降。另一方面，衍射面的使用会降低镜头能量透过率，降低系统温差灵敏度，并且增加镜头加工难度和成本。设计一种大光圈无衍射面的卡塞格林系统的任务亟待解决。
实用新型内容
本实用新型提供了一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，主镜口径122mm，压缩了次反射镜口径，F数高达0.89。透射系统使用4片透射镜片纠正像差，未使用衍射面，提升了镜头热成像灵敏度，降低了镜头加工难度和成本。
要解决的技术问题是提供一种F数为0.89，光学总长短，体积小，装调方便、成像质量高的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头。其工作波段为8～12微米，焦距为100mm，适配分辨率为640x512，像元大小17微米的非制冷探测器，光学系统总长118.5mm。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，由物方到像方依次包括，球罩、次反射镜、主反射镜、透射成像组以及探测器部分；
所述球罩无光焦度，为一片凸面朝向物方的等厚球面球罩；
所述次反射镜为一片非球面铝质反射镜，通光口径44mm。
所述主反射镜，为一片非球面铝质反射镜，外圆口径112mm，内孔口径为48mm。
所述透射成像组具有正光焦度，包括由物方到像方的四片镜片。第一片镜片为双凹锗镜片，第二片为凸面朝向像方的硒化锌正透镜，第三片为凸面朝向物方的硫化锌负透镜，第四片为凸面朝向物方的锗正透镜。四片镜片各有一面为非球面。
在所述透射成像组与像方空间之间为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面。
所述镜头的水平视场角范围为：2w＝6.2°。
所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝100mm，F数＝0.89，光学系统总长＝118.5mm，适配探测器分辨率640×480，像元大小17μm。镜头全视场平均在23lp/mm处MTF>0.4。
所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
本实用新型的有益效果为：光圈F＝0.89，光学系统总长为118.5mm，主镜外圆口径112mm，内孔口径为48mm，次镜通光口径为44mm，结构紧凑。有效地压缩了次镜面积，减小对光束的遮挡。透射成像系统有4片透镜，未使用衍射面，这样可以更好的消除大口径主镜和大视场带来的像差，提升系统公差敏感度。镜头全视场在23lp/mm处MTF>0.4，接近系统衍射极限。
附图说明
图1是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头的光学系统图；
图2是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头在20°环境下的点列图；
图3是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头20°环境下的光学传递函数图(截止分辨率为23lp/mm)；
图4是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头20°环境下的象散畸变图；
图5是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头在-40°环境下的点列图；
图6是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头-40°环境下的光学传递函数图(截止分辨率为23lp/mm)；
图7是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头-40°环境下的象散畸变图；
图8是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头在60°环境下的点列图；
图9是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头60°环境下的光学传递函数图(截止分辨率为23lp/mm)；
图10是本实用新型提供的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头60°环境下的象散畸变图；
其中，200-物空间，110-球罩，120-次反射镜，130-主反射镜，140-透射成像组，310-探测器组件后固定组，312-探测器保护窗口，314-像面，S1～S12为镜头各个表面。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。
该实施例是本实用新型应用于长波非制冷型分辨率640×512像元尺17μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1为本实用新型的光学系统图，所述镜头的结构相同，以其为例作为说明。
如图1所示，其中，200-物空间，110-球罩，120-反射系统，122次反射镜，124主反射镜，130-透射成像组，300-探测器组件后固定组，312-探测器保护窗口，314-像面，S1～S12为镜头各个表面。
从物空间200处开始，球罩110为一片无光焦度，凸面朝向物方的等厚球面球罩。次反射镜122为一片非球面铝质反射镜，通光口径44mm。主反射镜124，为一片非球面铝质反射镜，外圆口径112mm，内孔口径为48mm，主反射镜124穿过透射成像组130。次反射镜122和主反射镜124组成反射系统120。透射成像组130具有正光焦度，包括由物方到像方的四片镜片。第一片镜片132为双凹锗镜片，S5面为非球面；第二片镜片134为凸面朝向像方的硒化锌正透镜，S8面为非球面；第三片镜片136为凸面朝向物方的硫化锌负透镜，S10面为非球面；第四片镜片138为凸面朝向物方的锗正透镜，S12面为非球面。
在所述透射成像组与像方空间之间为长波非制冷探测器部分300，包括保护窗口310和像面312。
以上所述4片透镜表面均镀增透膜。
表1为本实用新型光学结构参数：
表1
表面 曲率半径 厚度(间隔) 材料 口径
S1 84.5 5 ZNS 120
S2 79.5 78.5 114.5
S3 -112.3199 -38.5 MIRROR 112
S4 -64.938 25 MIRROR 44
S5 -69.8668 2.09 GERMANIUM 35
S6 94.8299 1.38 34.6
S7 -2208.975 5.5 ZNSE 35
S8 -35.359 1 35.9
S9 36.999 5.6 ZNS 39.6
S10 23.132 1.57 35.5
S11 24.261 8 GERMANIUM 38
S12 36.684 12.55 32.8
以上4片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S3，S4，S5，S8，S10，S12的非球面系数：表2
表面 K α2 α3 α4 α5
S3 0.547 1.1415597e-007 6.3661381e-012 4.8539709e-016 6.9401325e-020
S4 -3.075 -9.2158677e-008 -8.8421133e-010 1.6021308e-012 -1.1897301e-015
S5 2.9360959e-005 -9.0871835e-008 1.7130424e-010 -1.0181783e-013
S8 3.3989389e-005 -7.4161602e-008 3.8225259e-012 2.3516333e-013
S10 -3.1768666e-005 1.5993477e-007 -4.8588803e-010 2.9623729e-013
S12 7.362311e-006 -1.2426937e-008 1.47936e-010 -2.4898012e-013
下面参照像差分析图对本实用新型的效果做进一步详细的描述。
图2-图4是图1所述的长波红外卡塞格林镜头的在20°环境分析图，图2是点列图、图3是MTF图(光学传递函数图)、图4是象散畸变图。
图5-图7是图1所述的长波红外卡塞格林镜头的在-40°环境分析图，图5是点列图、图6是MTF图(光学传递函数图)、图7是象散畸变图。
图8-图10是图1所述的长波红外卡塞格林镜头的在60°环境分析图，图8是点列图、图9是MTF图(光学传递函数图)、图10是象散畸变图。
从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利班大小，MTF接近衍射极限，畸变<1％。
由此可见，本实用新型大光圈无衍射面卡塞格林式镜头具有良好的成像质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于：由物方到像方依次包括球罩、次反射镜、主反射镜、透射成像组以及探测器部分；
所述球罩无光焦度，为一片凸面朝向物方的等厚球面球罩；
所述次反射镜为一片非球面铝质反射镜，通光口径44mm；
所述主反射镜为一片非球面铝质反射镜，外圆口径112mm，内孔口径为48mm；
所述透射成像组具有正光焦度，包括由物方到像方的四片镜片，第一片镜片为双凹锗镜片，第二片为凸面朝向像方的硒化锌正透镜，第三片为凸面朝向物方的硫化锌负透镜，第四片为凸面朝向物方的锗正透镜，四片镜片各有一面为非球面；
在所述透射成像组与像方空间之间为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面。
2.根据权利要求1所述的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝100mm，F数＝0.89，光学系统总长＝118.5mm，适配探测器分辨率640×480，像元大小17μm。
3.根据权利要求1所述的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于，所述镜头全视场平均在23lp/mm处MTF>0.4。
4.根据权利要求1所述的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距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，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
5.根据权利要求1所述的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中未使用衍射面。
6.根据权利要求1所述的大光圈无衍射面卡塞格林式镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝6.2°。
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