CN109917535B - 制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，该***由依次排列的：第一反射镜，第二反射镜和第三反射镜组成。三个反射镜均为自由曲面，采用XY多项式或Zernike多项式，相对于同轴***存在倾斜、或偏心与倾斜同时存在。三个反射镜呈圆周排列，光线在空间上多次相交，结构紧凑。入射光线没有被三个反射镜遮拦，可以100％到达最终像面。光路中存在中间像面，位于第二反射镜和第三反射镜之间，靠近第二反射镜。***光阑位于第一反射镜附近。本发明缩减了传统离轴三反***的体积，在紧凑的空间内实现了二次成像技术，使得出瞳位于第三反射镜之后并位于交叠光路之外，可匹配制冷探测器冷阑，实现100％冷光阑效率，提高目标作用距离。

Description

制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***

技术领域

本发明涉及光学***设计技术领域，主要涉及一种离轴反射式光学***，尤其涉及一种可用于制冷型探测器的紧凑无遮拦自由曲面光学***。

背景技术

大口径(≥100mm)光学透射材料造价昂贵，且折射率均匀性、透过率等特性难以保证。而反射式光学***没有色差，成像光谱范围宽，与结构材料相匹配能够实现消热差。因此，大口径光学***通常采用反射式结构。但是，同轴反射式***存在中心遮拦，影响***接收能量和成像质量，离轴反射***能够避免这些问题，然而传统的离轴三反光学***，空间排布不够紧凑，不满足越来越严苛的机载空间要求。

目前，结构紧凑的红外离轴反射式光学***多采用非制冷探测器。如王博发表的文章“非制冷离轴三反光学***研究”，其中设计的离轴三反光学***形式紧凑，用于非制冷红外探测成像。然而，用于制冷型红外探测器的光学***通常需要冷阑匹配，使得光学***形式复杂。长春理工大学姜晰文在“制冷型离轴反射光学***研究”中设计一种满足冷阑匹配的离轴反射光学***，但是其体积较大，不能满足结构紧凑的要求。美国专利US8616712，公开了一种非对称光学***和其设计方法，结构紧凑无遮拦，但是不满足制冷探测器的冷阑匹配要求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，解决制冷型离轴反射光学***冷阑匹配的问题，利用自由曲面与二次成像技术，实现制冷型光学***的紧凑设计。

本发明的技术方案为：

所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，其特征在于：包括光阑、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；三面反射镜均为XY多项式或Zernike多项式自由曲面，其中，第一面和第三面反射镜光焦度为正，第二面光焦度为负；光阑位于第一面反射镜附近；入射光线经三面反射镜反射后，在光学***内部交叠三次；出瞳位于第一反射镜和第二反射镜上边缘连线之外，便于制冷探测器光阑耦合。

进一步的优选方案，所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，其特征在于：光路中存在中间像面，中间像面位于第一反射镜与第二反射镜之间，或者第二反射镜与第三反射镜之间。

进一步的优选方案，所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，其特征在于：光路参数满足以下公式：

z_e＝(b₂-b₁)/(k₁-k₂) (1)

y_e＝k₁*z_e+b₁ (2)

y_e-k₃*z_e-b₃>0 (3)

式中：b₁、b₂分别为0视场、边缘视场过入瞳中心经第三反射镜反射到达像面的光线的截距，k₁、k₂为这两条光线的斜率；这两条光线的交点为光学***的出瞳中心(y_e z_e)；k₃、b₃为边缘光线经入瞳上边缘，通过第一反射镜和第二反射镜之间的光线的斜率和截距。

有益效果

本发明的有益效果是利用自由曲面实现了反射***的紧凑排列，相比传统的离轴三反具有体积小的优势，同时出瞳位于最终像面之前，适于匹配制冷探测器冷阑，实现100％冷光阑效率。本发明可应用红外制冷探测***，以及其它需要冷阑匹配的光电***，提高目标作用距离。

附图说明

图1是本发明制冷型紧凑无遮拦自由曲面成像***结构组成示意图。

图2是本发明坐标系和空间光线标记示意图。

图3是本发明实施例视场设置图。

图4是本发明实施例出瞳位置约束示意图。

图5是本发明实施例光学传递函数图。

图6是本发明实施例RMS波前误差图。

具体实施方式

本发明的目的是解决制冷型离轴反射光学***冷阑匹配的问题，利用自由曲面与二次成像技术，实现制冷型光学***的紧凑设计。

为了实现上述目的，本发明提供了一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***及设计方法。利用自由曲面离轴三反技术使得主光线在三块反射镜构成的区域内三次交叠，实现制冷型离轴反射光学***无遮拦、紧凑化设计。

所述的制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，包括：光阑、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜。三面反射镜均为XY多项式或Zernike多项式自由曲面，其中，第一面和第三面反射镜光焦度为正，第二面光焦度为负。光阑位于第一面反射镜附近。入射光线经三面镜子反射后，在***内部交叠三次。出瞳位于第一反射镜和第二反射镜上边缘连线之外，便于制冷探测器光阑耦合。

为保证制冷探测器冷阑匹配，光学***三面反射镜采用“正-负-正”的光焦度分配。同时，为了减小各反射镜的尺寸，将孔径光阑设置在第一反射镜附近，***出瞳位于第一反射镜和第二反射镜上边缘连线之外。

通过自定义约束控制光线走向，使得各反射镜均不挡光。为确保***出瞳位于最终像面之前，折叠光路之后，必须满足以下条件：

1.光路中存在中间像面，中间像面位于第一反射镜与第二反射镜之间，或者第二反射镜与第三反射镜之间。

2.满足以下公式：

z_e＝(b₂-b₁)/(k₁-k₂) (1)

y_e＝k₁*z_e+b₁ (2)

y_e-k₃*z_e-b₃>0 (3)

式中：b₁、b₂分别为0视场、边缘视场过入瞳中心经第三反射镜反射到达像面的光线的截距，k₁、k₂为这两条光线的斜率。这两条光线的交点即为光学***的出瞳中心(y_e z_e)。k₃、b₃为边缘光线经入瞳上边缘，通过第一反射镜和第二反射镜之间的光线的斜率和截距。

设计时通过约束控制，保证***出瞳在离轴三反光学***之外，控制出瞳中心到像面的距离，满足制冷探测器要求的后截距。

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

图1所示是本发明实施例提供的制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学成像***的结构示意图。本发明的技术方案是：采用离轴三反形式，降低光学***对大尺寸透射材料的要求，采用三面自由曲面减小***的体积提升***的成像质量，合理设置光焦度及光路结构满足制冷探测器的冷阑匹配。

具体的本发明所述的制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***是由：第一反射镜S1，第二反射镜S2，第三反射镜S3和像面Si组成。三个反射镜均为自由曲面，采用Zernike多项式，相对于同轴***存在倾斜、或偏心和倾斜同时存在。三个反射镜呈圆周排列，光线在空间上多次交叠，光路中存在中间像面，位于S2和S3之间，靠近S2。***光阑位于S1附近，出瞳位于S3之后并位于折叠光路之外，可匹配制冷探测器冷阑。

该光学***工作波段8μm-12μm，入瞳直径137.5，焦距550mm，F数4，视场2°×1.6°，采用长波制冷型探测器。

该光学***的坐标系和光线定义如图2所示。物面上某点过入瞳中心的光线定义为r1，经过入瞳Y轴方向上端的光线定义为r2,入瞳Y轴方向下端光线定义为r3,入瞳X轴正向边缘光线定义为r4,入瞳X轴负方向边缘光线定义为r5。

该光学***的视场设置如图3所示。光学***关于YZ面对称，X方向视场仅设置一半，共设5个视场f1(0 0)、f2(0 0.8)、f3(0-0.8)、f4(1.0 0.8)、f5(1.0-0.8)。

为保证制冷探测器冷阑匹配，光学***三面反射镜采用“正-负-正”的光焦度分配。同时为了减小各反射镜的尺寸，将孔径光阑设置在S1附近，***出瞳位于S1和S2上边缘连线之外。中间像面位于S2与S3之间。

如图4所示，本发明实施例光学***的坐标系及约束关系。全局坐标系YOZ，Z轴与入射光线r1f1重合，坐标原点位于三反外部。孔径中心0视场主光线r1f1(细实线)，与孔径中心0.8°视场光线r1f2(虚线)经过S1、S2、S3依次反射后相交于出瞳处(y_e z_e)，最终分别到达Si。

y＝k₁*z+b₁为r1f1经过S3到Si之间的光线,y＝k₂*z+b₂为r1f2经过S3到Si之间的光线,这两条光线的交点即为***的出瞳中心，其坐标为

z_e＝(b₂-b₁)/(k₁-k₂) (1)

y_e＝k₁*z_e+b₁ (2)

y＝k₃*z+b₃为r2f2经过S1反射到S2之间的光线，出瞳中心距此段光线Y轴方向的距离为

y_d＝y_e-k₃*z_e-b₃ (3)

约束y_d>0，使得***出瞳在离轴三反光学***之外，控制出瞳中心到像面Si的距离，约束满足制冷探测器要求的后截距。

本实施例中三面反射镜均采用标准Zernike多项式自由曲面，利用前13项进行优化，减小加工困难。各反射镜及像面的基本参数如表1，其中d_y为Y轴偏移量，α为绕X轴倾斜量。各反射镜的Zernike面型系数如表2，其中Zi，i＝1…13表示第i项标准Zernike多项式系数。

表1

表2

图5是本实施例的光学传递函数MTF，可以看出其成像质量接近衍射极限。图6是本发明实施例RMS波前误差图，平均波前误差约为λ/40，λ＝10μm。满足长波制冷探测器对成像质量的要求。

本实施例的技术方案，采用离轴三反形式，降低***对大尺寸光学透射材料的要求，利用自由曲面减小***的体积，提升***的成像质量，合理分配光焦度，采用二次成像技术使得光路结构满足制冷探测器冷阑匹配。

Claims (2)

1.一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，其特征在于：包括光阑、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；三面反射镜均为XY多项式或Zernike多项式自由曲面，其中，第一面和第三面反射镜光焦度为正，第二面光焦度为负；光阑位于第一面反射镜附近；入射光线经三面反射镜反射后，在光学***内部交叠三次；出瞳位于第一反射镜和第二反射镜上边缘连线之外，便于制冷探测器光阑耦合；

光路参数满足以下公式：

z_e＝(b₂-b₁)/(k₁-k₂) (1)

y_e＝k₁*z_e+b₁ (2)

y_e-k₃*z_e-b₃>0 (3)

式中：b₁、b₂分别为0视场、边缘视场过入瞳中心经第三反射镜反射到达像面的光线的截距，k₁、k₂为这两条光线的斜率；这两条光线的交点为光学***的出瞳中心(y_e z_e)；k₃、b₃为边缘光线经入瞳上边缘，通过第一反射镜和第二反射镜之间的光线的斜率和截距。

2.根据权利要求1所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学***，其特征在于：光路中存在中间像面，中间像面位于第一反射镜与第二反射镜之间，或者第二反射镜与第三反射镜之间。

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