CN215494325U - 长波红外大口径离轴成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种长波红外大口径离轴成像系统，以解决现有的透射式系统无法实现大口径，折反式系统前后部分成像不完善，且反射和透射调试难度大，共轴反射式系统存在中心遮拦，离轴反射式系统成像质量不好，且离轴高次非球面的加工及检测难度较大的问题。该系统包括离轴望远分系统和透射聚焦分系统。离轴望远分系统包括第一装调平台以及设置在第一装调平台上且沿光路依次设置的离轴抛物面主镜和离轴抛物面次镜，离轴抛物面主镜和离轴抛物面次镜构成离轴两反结构。透射聚焦分系统包括第二装调平台以及设置在第二装调平台上且位于离轴抛物面次镜后方出射光路上的透射聚焦镜组。

Description

长波红外大口径离轴成像系统

技术领域

本实用新型涉及红外光学系统领域，具体涉及一种适用于远距离目标的长波红外大口径离轴成像系统。

背景技术

由于物体自身存在分子和原子无规则的运动，其表面会不断地辐射红外线。温度越高的物体，分子和原子运动越激烈，向外辐射的红外线就越多，越适合用红外成像设备对其进行观测。成像系统口径越大，集光能力越强，其探测能力也就越强。

光学成像系统从形式上可分为透射式系统(折射式系统)、反射式系统、折反式系统三大类，对于小口径系统来说，由于材料尺寸受限小，具有折射率可选性高、易于加工等特点，小口径系统通常采用折射方式。随着系统口径的增大(通常口径超过200mm)，为了校正系统色差，折射式系统所用的透镜数量通常较多，导致系统超重，尺寸较大，这时反射式系统的优势就凸显出来。反射式系统无色差，使用的镜片数量少，在尺寸重量方面具有较大优势。当系统口径大于300mm时，只能采用反射式系统或折反式系统。

常规折反式系统前后部分成像不完善，反射和透射调试难度较大。而对于反射式系统，又存在共轴和离轴两种方式。共轴反射式系统由于主次镜同轴放置，存在中心遮拦，导致能量有所损失，对于远距离探测目标不利。离轴反射式系统中间光路大多不是完善光路，即不是最终像，成像质量不好，造成系统装配难度加大，无法判断装调工作是否到位；此外，系统中的离轴高次非球面加工通常需要补偿器进行检测，加工及检测难度大，成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的透射式系统无法实现大口径，常规折反式系统前后部分成像不完善，且反射和透射调试难度大，共轴反射式系统存在中心遮拦，离轴反射式系统成像质量不好，且离轴高次非球面的加工及检测难度较大的问题，而提供一种长波红外大口径离轴成像系统。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种长波红外大口径离轴成像系统，其特殊之处在于：

包括位于光路前端的离轴望远分系统和位于光路后端的透射聚焦分系统；

所述离轴望远分系统包括第一装调平台以及设置在第一装调平台上且沿光路依次设置的离轴抛物面主镜和离轴抛物面次镜；所述离轴抛物面主镜和离轴抛物面次镜构成离轴两反结构；进入离轴两反结构的入射光束经两次反射后，以平行光形式出射，并进入透射聚焦分系统；

所述透射聚焦分系统包括第二装调平台以及设置在第二装调平台上且位于离轴抛物面次镜后方出射光路上的透射聚焦镜组；进入透射聚焦分系统的光束通过透射聚焦镜组后进行二次成像。

进一步地，所述离轴望远分系统和透射聚焦分系统形成的总焦距为460mm。

进一步地，所述离轴望远分系统的压缩倍率为3倍；

所述透射聚焦分系统的焦距为153mm。

进一步地，所述离轴抛物面主镜的反射面为抛物面，其顶点曲率半径为-1350mm；

所述离轴抛物面次镜的反射面为抛物面，其顶点曲率半径为-450mm；

所述透射聚焦镜组包括沿光路依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜的入射表面为衍射非球面，其最佳拟合球面曲率半径为925.35mm；所述第一透镜的出射表面为平面；所述第一透镜的厚度为17.5mm；

所述第二透镜的入射表面为球面，其曲率半径为89.87mm；所述第二透镜的出射表面为球面，其曲率半径为123.94mm；所述第二透镜的厚度为15mm；

所述第三透镜的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为-18.29mm；所述第三透镜的出射表面为球面，其曲率半径为25.79mm；所述第三透镜的厚度为16mm；

所述第四透镜的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为69.72mm；所述第四透镜的出射表面为平面；所述第四透镜的厚度为12mm；

所述离轴抛物面主镜与离轴抛物面次镜的中心间隔为-450mm；

所述离轴抛物面次镜与第一透镜的中心间隔为365mm；

所述第一透镜与第二透镜的中心间隔为48.63mm；

所述第二透镜与第三透镜的中心间隔为34.02mm；

所述第三透镜与第四透镜的中心间隔为25.4mm；

所述第四透镜与探测器窗口的中心间隔为6.5mm。

进一步地，所述离轴抛物面主镜的材料为K9玻璃；

所述离轴抛物面次镜的材料为K9玻璃；

所述第一透镜的材料为锗；

所述第二透镜的材料为硫系玻璃；

所述第三透镜的材料为锗；

所述第四透镜的材料为锗。

进一步地，所述离轴望远分系统的入射光口径为300mm。

本实用新型相比现有技术的有益效果是：

本实用新型提供的长波红外大口径离轴成像系统，采用了两个分系统拼接的形式，前端的离轴望远分系统采用离轴两反结构组成完善光路，光束经两次反射后，以平行光形式射出，为完善像，后端的透射聚焦分系统也为完善成像，两个分系统的装配调试过程可以分别进行，装配调试完成后再进行系统集成，大大降低了装配难度，有效解决了常规折反式系统前后部分成像不完善，装调难度大的问题。

离轴望远分系统中，采用两块离轴抛物面镜形成平行光路，离轴抛物面是非球面加工中最为简单的一种，加工精度高，成本相对较低。

附图说明

图1是本实用新型长波红外大口径离轴成像系统一个实施例的结构示意图(未示出第一装调平台和第二装调平台)；

图中，11-离轴抛物面主镜，12-离轴抛物面次镜；2-透射聚焦镜组，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜。

图2是本实用新型实施例的全系统传递函数图；图中，横坐标表示空间频率，纵坐标表示对比度，不同的曲线代表不同视场角下目标和像的对比度。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的长波红外大口径离轴成像系统作进一步详细说明。

对于长焦距系统来说，焦距越长，口径越大。大口径的透射式系统材料难以解决，共轴反射式系统存在中心遮拦，会损失能量，视场角通常在0.5°以内，难以解决大视场角的问题。因此，本实用新型给出了一种大口径离轴成像系统的实现形式，其中，前端采用离轴反射式系统，通过离轴两反的方式形成平行光路，将系统口径进行压缩(不存在中心遮拦，也就没有能量损失)，压缩后的系统视场角度变大；后端采用透射式系统进行二次成像，一是解决大视场问题，二是二次成像后能满足100％的冷光阑效率，杂光抑制性能好。

设计参数：

总焦距：460mm

波段：8μm～12μm

F数：1.67

像元尺寸：25μm

视场角：2°

总焦距和压缩倍率的分配如下式所示：

f_总＝β×f

式中f_总为系统总焦距，β为前端望远的压缩倍率，f为后端聚焦的焦距。

具体来说，本实施例提供的长波红外大口径离轴成像系统如图1所示，包括位于光路前端的离轴望远分系统和位于光路后端的透射聚焦分系统。离轴望远分系统的压缩倍率为3倍，透射聚焦分系统的焦距为153mm。离轴望远分系统的入射光口径为300mm。

离轴望远分系统包括第一装调平台以及设置在第一装调平台上且沿光路依次设置的离轴抛物面主镜11和离轴抛物面次镜12。离轴抛物面主镜11和离轴抛物面次镜12构成离轴两反结构，进入离轴两反结构的入射光束经两次反射后，以平行光形式出射，并进入透射聚焦分系统。

透射聚焦分系统包括第二装调平台以及设置在第二装调平台上且位于离轴抛物面次镜12后方出射光路上的透射聚焦镜组2，透射聚焦镜组2包括沿光路依次设置的第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和第四透镜24，进入透射聚焦分系统的光束通过透射聚焦镜组2后进行二次成像。

对于本领域技术人员来说，在给定设计参数的情况下，离轴抛物面主镜11、离轴抛物面次镜12以及透射聚焦镜组2中各透镜的具体结构及参数是可以确定的。本实施例给出的具体结构参数如下表所示：

需要说明的是，各反射镜对应面型的一格表示该反射镜的反射面面型；各透镜对应面型的两格中，上格为该透镜的入射表面面型，下格为该透镜的出射表面面型。此外，各反射镜对应厚度/中心间隔的一格表示该反射镜与后方相邻反射镜或透镜的中心间隔距离；每个透镜对应厚度/中心间隔的一格表示该透镜的厚度以及该透镜与后方相邻透镜或探测器窗口的中心间隔距离。

图2是本实施例的全系统传递函数图，可以看出，在截止频率处，MTF均保持较高水平，且各视场MTF一致性较好。

Claims (6)

1.一种长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

包括位于光路前端的离轴望远分系统和位于光路后端的透射聚焦分系统；

所述离轴望远分系统包括第一装调平台以及设置在第一装调平台上且沿光路依次设置的离轴抛物面主镜(11)和离轴抛物面次镜(12)；所述离轴抛物面主镜(11)和离轴抛物面次镜(12)构成离轴两反结构；进入离轴两反结构的入射光束经两次反射后，以平行光形式出射，并进入透射聚焦分系统；

所述透射聚焦分系统包括第二装调平台以及设置在第二装调平台上且位于离轴抛物面次镜(12)后方出射光路上的透射聚焦镜组(2)；进入透射聚焦分系统的光束通过透射聚焦镜组(2)后进行二次成像。

2.根据权利要求1所述的长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

所述离轴望远分系统和透射聚焦分系统形成的总焦距为460mm。

3.根据权利要求2所述的长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

所述离轴望远分系统的压缩倍率为3倍；

所述透射聚焦分系统的焦距为153mm。

4.根据权利要求1至3任一所述的长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

所述离轴抛物面主镜(11)的反射面为抛物面，其顶点曲率半径为-1350mm；

所述离轴抛物面次镜(12)的反射面为抛物面，其顶点曲率半径为-450mm；

所述透射聚焦镜组(2)包括沿光路依次设置的第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)和第四透镜(24)；

所述第一透镜(21)的入射表面为衍射非球面，其最佳拟合球面曲率半径为925.35mm；所述第一透镜(21)的出射表面为平面；所述第一透镜(21)的厚度为17.5mm；

所述第二透镜(22)的入射表面为球面，其曲率半径为89.87mm；所述第二透镜(22)的出射表面为球面，其曲率半径为123.94mm；所述第二透镜(22)的厚度为15mm；

所述第三透镜(23)的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为-18.29mm；所述第三透镜(23)的出射表面为球面，其曲率半径为25.79mm；所述第三透镜(23)的厚度为16mm；

所述第四透镜(24)的入射表面为非球面，其最佳拟合球面曲率半径为69.72mm；所述第四透镜(24)的出射表面为平面；所述第四透镜(24)的厚度为12mm；

所述离轴抛物面主镜(11)与离轴抛物面次镜(12)的中心间隔为-450mm；

所述离轴抛物面次镜(12)与第一透镜(21)的中心间隔为365mm；

所述第一透镜(21)与第二透镜(22)的中心间隔为48.63mm；

所述第二透镜(22)与第三透镜(23)的中心间隔为34.02mm；

所述第三透镜(23)与第四透镜(24)的中心间隔为25.4mm；

所述第四透镜(24)与探测器窗口的中心间隔为6.5mm。

5.根据权利要求4所述的长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

所述离轴抛物面主镜(11)的材料为K9玻璃；

所述离轴抛物面次镜(12)的材料为K9玻璃；

所述第一透镜(21)的材料为锗；

所述第二透镜(22)的材料为硫系玻璃；

所述第三透镜(23)的材料为锗；

所述第四透镜(24)的材料为锗。

6.根据权利要求5所述的长波红外大口径离轴成像系统，其特征在于：

所述离轴望远分系统的入射光口径为300mm。

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