大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种离轴四反光学系统，具体涉及一种相对孔径大，成像视场宽，体积紧凑，且可适配制冷型探测器的自由曲面离轴四反光学系统。

背景技术

离轴反射型光学系统因具有无色差、抗热性能好、热噪声低等优点已在多个领域，尤其是低温光学领域获得重要应用。但采用二次曲面、偶次非球面等传统曲面形式的离轴反射型光学系统，由于可用设计变量少，难于同时实现大相对孔径化、宽视场化和包络紧凑化等要求。

另一方面，针对制冷型探测器，光学系统出瞳还应与探测器冷阑匹配。而，相较于一次成像的制冷型离轴反射型光学系统，具有中间像面的制冷型离轴反射型光学系统，可通过二次成像对主镜口径进行压缩，有利于光学系统的小型化和轻量化。但，离轴反射光学系统为非旋转对称系统，冷光阑匹配较难，且二次像面的存在也对光学设计中的可优化变量数量提出了更多的要求。

自由曲面具有非旋转对称特性，针对上述问题，可增加设计中的优化变量，同等镜片数量条件下，获得指标更为优良的设计结果。而且，随着加工技术的不断发展，光学自由曲面加工技术已越加成熟，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。

对于一些文献公开的离轴反射型光学系统，多应用于非制冷型成像领域中，在制冷型光学系统中的应用较少，而已有公开文献的制冷型离轴反射型光学系统也存在或成像视场窄、或体积包络大、或相对孔径小等问题。

例如：公开号为CN 103809277A、CN 104898261B、CN 103246053 A、CN 105334607A、CN 107290845 A的中国专利，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。

公开号为US 4834517的美国专利，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，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。公开号为US 6767103的另一件美国专利中，给出了一种制冷型离轴四反光学系统，通过增加一个反射镜校正了探测器焦面与冷阑间的偏心和倾斜，各工作面均采用二次曲面，实现了0.4°×0.4°视场，光圈F5.0，但其无法实现大的视场。

2019年，刊载于中国期刊《红外和毫米波学报》第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》的中文文献，公开了一种离轴三反射式消像散光学系统，针对制冷型红外探测器，工作波段为2.1～4.8μm，焦距400mm，系统F数为4，一维线视场7°，离轴角为5°，其结构同上述专利，但无法实现大的视场。

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》的中文文献中，公开了一种采用自由曲面面型的离轴三反光学系统设计，针对制冷型红外探测器，工作波段3～5μm，焦距450mm，F数为2，视场角为3.662°×2.931°，实现了较大的视场，但各反射镜相对位置接近，无法实现更为紧凑的空间折叠，使得光学系统的体积较大。

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》的中文文献中，公开了一种自由曲面离轴三反光学系统，针对制冷型红外探测器，工作波段为8～12μm，F数为2.5，焦距为300mm，视场角为3°×5°，该光学构型同样较难实现空间折叠，使得光学系统的体积较大。

发明内容

为了解决现有离轴反射型光学系统，存在或成像视场窄、或体积包络大、或相对孔径小、或无法适配制冷型探测器的技术问题，本发明提供了一种大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统，其特殊之处在于：包括从物面至焦面依次固联排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；

所述第一反射镜和第三反射镜具有负光焦度；

所述第二反射镜和第四反射镜具有正光焦度；

设所述第二反射镜的等效焦距为f4,设所述大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统的等效焦距为fL，f4和fL满足以下条件式：

0.9<|fL/f4|<1.46；

设所述第四反射镜的放大倍率为m6，m6满足以下条件式：

0.74<|m6|<2.2；

所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均采用Zernike多项式自由曲面；

Zernike多项式自由曲面的一般表达式为：

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，A

进一步地，所述N≤66。

进一步地，以所述第二反射镜顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x

设所述第五三维直角坐标系相对第三三维直角坐标系ox

0°<α

进一步地，以空间中任一点为原点定义第一三维直角坐标系(x

所述第二三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，0，85～105)；

所述第三三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，12～21,11～18)；

所述第四三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，23～32,69～80)；

所述第五三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，79～89,31～41)；

所述第六三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，60～72,82～93)。

进一步地，所述第二三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，0，100)；

所述第三三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，15.395,13.1608)；

所述第四三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，24.754,72.761)；

所述第五三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，84.867,38.172)；

所述第六三维直角坐标系的原点在第一三维直角坐标系的坐标为(0，68.637,88.845)。

进一步地，所述第二三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-27°～-23°。

进一步地，所述第三三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-9.5°～-8.5°；

进一步地，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-15°～-13°；

进一步地，所述第五三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-40°～-30°；所述第六三维直角坐标系相对第一三维直角坐标系ox轴的转角为-29°～-21°。

进一步地，还包括设置在第四反射镜和探测器冷窗之间的滤光片。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明光学系统通过对第二反射镜等效焦距的限定，能够有效压缩后组镜片尺寸，并且能够对与第一反射镜大孔径化相伴而生的球差和彗差良好地进行校正；以及通过对第四反射镜放大倍率的限定，能够压缩整个光学系统纵向体积，并能够对经第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜所成一次像中存在的场曲和像散良好地进行校正；并通过对第五三维直角坐标系相对第三三维直角坐标系ox轴转角的限定，能够保证第二反射镜和第四反射镜实现多面共体加工，降低装调难度。

2、本发明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、本发明光学系统可实现不小于1/1.5的相对孔径和不小于10°×10°的成像视场，且无色差、透过率高、热稳定性好、辐射噪声低；相比现有离轴反射型光学系统，具有相对孔径大、成像视场宽、相对畸变小、包络体积紧凑、体积小巧、结构紧凑，适配制冷型探测器等优势。

4、本发明光学系统镜片总数仅为四片，并采用负-正-负-正光焦度分配，保证光学系统在各视场条件下均具有较好的畸变特性。

5、本发明光学系统中各光学镜片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。

6、本发明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。

附图说明

图1是本发明大相对孔径制冷型自由曲面离轴四反光学系统的光学结构示意图；

图2是本发明大相对孔径制冷型自由曲面离轴四反光学系统的光学结构与坐标系示意图；

图3是本发明大相对孔径制冷型自由曲面离轴四反光学系统的相对畸变分布示意图；

图4是本发明大相对孔径制冷型自由曲面离轴四反光学系统的波前误差分布示意图；

其中，附图标记如下：

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-第四反射镜，7-探测器冷窗，8-探测器冷阑，9-焦面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1和图2所示，一种大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统，包括从物面1至焦面9依次固联排列的主镜、次镜、三镜、四镜、探测器冷窗7和探测器冷阑8。主镜、次镜、三镜、四镜均为单片式反射镜，分别为第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6。

第一反射镜3位在大相对孔径制冷型自由曲面离轴四反光学系统靠近物方侧位置，对视场范围内入射的光线进行反射、会聚，并入射至第二反射镜4表面；第二反射镜4将第一反射镜3反射的光线二次反射，并在第二反射镜4与第三反射镜5之间形成一次成像面；第三反射镜5设置在一次像面附近，用做场镜，对光线进行中继，经第三反射镜5反射的光线发散入射至第四反射镜6；第四反射镜6对经第三反射镜5反射进入的光线进行再次反射，并经探测器冷窗7、探测器冷阑8，最终会聚至探测器焦面9上，完成成像。

以图2中参考面2(光线入射面)中心为原点定义第一三维直角坐标系(x

第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6的反射面顶点坐标(即第二三维直角坐标系、第三三维直角坐标系、第四三维直角坐标系、第五三维直角坐标系的原点坐标)和所在空间的三维直角坐标系方向可在第一三维直角坐标系(x

第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6均采用Zernike多项式自由曲面，各反射镜均采用前41项Zernike自由曲面面形项；本实施例光学系统关于yz平面对称，仅保留相应项数即可，进一步改善了整个光学系统的可加工性。

Zernike多项式自由曲面的一般表达式为：

其中，z为自由曲面矢高，c为自由曲面名义曲率，k为二次曲面系数，A

第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6表面的Zernike多项式部分项数详见表1。

表1前20项标准Zernike多项式表

此外，设第二反射镜4的等效焦距为f4,设大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统的等效焦距为fL，f4和fL满足以下条件式：

0.9<|fL/f4|<1.46； (1)

条件式(1)是对第二反射镜4光焦度范围进行限定的式子。通过满足该条件式(1)，第二反射镜4能够有效压缩后组镜片尺寸，并且能够对与第一反射镜3大孔径化相伴而生的球差和彗差良好地进行校正。条件式(1)中若低于其下限，对与主镜大孔径化相伴而生球差和彗差的校正有利，但后组镜片孔径变大，将使第三反射镜5引入更多的场曲而导致边缘成像模糊，则另一方面，在条件式(1)中若高于其上限，在成像光路中，后组镜片孔径变小，对光学系统的小型化有利，但与第一反射镜3大孔径化相伴而生的球差和彗差的校正变得困难而成为问题。

此外，设第四反射镜6的横向放大倍率为m6，m6满足以下条件式：

0.74<|m6|<2.2； (2)

条件式(2)是对第四反射镜6放大倍率范围进行限定的式子。通过满足该条件式(2)，能够保证整个光学系统纵向包络的小型化，并能够对经前组光学系统所成一次像中存在的场曲和像散良好地进行校正。条件式(2)中若低于其下限，则成像光路变长，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(2)中若高于其上限，对光学系统的纵向小型化有利，但场曲和像散的校正变得困难，所成图像发生扭曲变形。

此外，设第五三维直角坐标系相对第三三维直角坐标系ox轴的转角为α

0°<α

条件式(3)是对第二反射镜4与第四反射镜6夹角进行限定的式子。通过满足该条件式(3)，能够保证第二反射镜4和第四反射镜6实现多面共体加工，降低装调难度。条件式(3)中若低于其下限或高于其上限，均将导致第二反射镜4与第四反射镜6难于共体加工，增加了加工和装调难度，而成为问题。

若取探测器冷窗7、探测器冷阑8和探测器焦面9构成探测器组件，第一反射镜3和第三反射镜5具有负光焦度，第二反射镜4和第四反射镜6具有正光焦度，如此，第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5和第四反射镜6与探测器组件依次固联，构成完整的成像系统。在成像面配置制冷型探测器组件等受光面。本发明光学系统的光阑与探测器冷阑8重合，具有100％冷阑效率。

本发明光学系统通过同时满足或满足多个上述各条件，能够实现大相对孔径、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。

实施例

与实施例光学系统相关的各种数值数据如下：

F/#＝1.5，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：512×512

适配探测器像元：25μm×25μm

工作谱段范围：8μm～14μm

全视场角范围：10°×10°

全视场相对畸变：≤5％

第一反射镜3反射面、第二反射镜4反射面、第三反射镜5反射面、第四反射镜6反射面顶点、探测器窗口中心相对第一三维直角坐标系(x

表2各反射镜顶点相对(x

注：NR为规一化半径。表中各尺寸单位为：毫米，角度单位为：度。

表3实施例·每种条件下的参数表

如图3所示，给出了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，几乎不会导致成像扭曲。

如图4所示，给出了实施例光学系统全视场波前误差分布示意图，从中可以看出全视场波前误差较小，能够保证实现优良成像。

本实施例光学系统无色差、透过率高、热稳定性好、辐射噪声低；相比现有离轴反射型光学系统，具有大相对孔径、大视场、低畸变、体积紧凑等优势，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。

本实施例光学系统镜片总数仅为四片，且均关于所在坐标系的yz平面对称，具有较好的公差特性。各反射镜所用光学材料均可为常用反射镜基底材料，具有较好的可获得与可加工特性；以及采用负-正-负-正光焦度分配，结合准对称式光学结构，保证光学系统在各视场条件下均具有较好的畸变特性。

本实施例光学系统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。本发明光学系统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。

本实施例光学系统还可在探测器冷窗7前加入可更换滤光片。当光学系统需要工作于不同谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。