CN114236797A - 折反射式无焦光学*** - Google Patents

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CN114236797A CN202111621468.9A CN202111621468A CN114236797A CN 114236797 A CN114236797 A CN 114236797A CN 202111621468 A CN202111621468 A CN 202111621468A CN 114236797 A CN114236797 A CN 114236797A
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史广维
张新
赵尚男
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Abstract

本发明提供一种折反射式无焦光学***，包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜。第三反射镜的后方依次设置有场镜和准直镜组。光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后，穿过第四反射镜的中心孔，光束经过第三反射镜和第四反射镜的两次反射后进入场镜，光束经过场镜的折射后缩小光束范围，缩小范围的光束进入准直镜组，经过准直镜组的折射后变为平行光出射。本发明同时适用于可见光和中波红外波段，成像质量在两个波段均接近衍射极限。本发明提供的光学***具有多波段、共口径；结构紧凑、适装性好；成像质量好，畸变小等优点。

Description

折反射式无焦光学***
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种折反射式无焦光学***。
背景技术
无焦光学***即为入射和出射波前均为平面波的光学***，对光束没有汇聚和发散作用也称做望远镜***。无焦光学***除了用于传统的望远镜、激光扩束以外，还可以作为成像光学***的一部分来使用。特别是在需要像移补偿或稳像的光学***，利用无焦光学***对光束的缩放作用，在无焦光学***和成像光学***之间设置小口径平面镜(即快速反射镜Fast Steering Mirror)，通过快速反射镜转动来消除探测器曝光期间内目标和图像之间相对运动，例如卫星、机载、车辆等动平台的光学***。
当口径超过200mm时，受透镜材料限制，光学***已不适合采用纯透射形式实现。采用离轴反射式无焦光路，虽然能够解决大口径、多波段、共孔径难题，但加工、装调难度大且加工成本高。
对于大口径、多波段、共口径的无焦光学***设计，传统透射式光学***受材料和镀膜技术所限，设计难度大、***复杂且尺寸较大。而采用离轴反射式光路，则存在加工、装调难度大且加工成本高的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种折反射式无焦光学***。本发明提供的光学***由四个反射镜、一个场镜和准直镜组构成，可同时适用于可见光和中波红外波段，成像质量在两个波段均接近衍射极限。本发明提供的光学***具有多波段、共口径；结构紧凑、适装性好；成像质量好，畸变小等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种折反射式无焦光学***，包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；
第一反射镜设置有中心孔，第二反射镜位于第一反射镜的前方，与第一反射镜构成卡塞格林式结构；
第三反射镜位于第一反射镜的中心孔处，第三反射镜的反射面与第一反射镜的反射面朝向相同，第三反射镜3设置有中心孔；
第四反射镜位于第二反射镜和第三反射镜之间，第四反射镜的反射面与第一反射镜的反射面朝向相反，第四反射镜设置有中心孔；
第三反射镜的后方依次设置有场镜和准直镜组。
光束经过第一反射镜和第二反射镜的两次反射后，穿过第四反射镜的中心孔，光束经过第三反射镜和第四反射镜的两次反射后进入场镜，光束经过场镜的折射后缩小光束范围，缩小范围的光束进入准直镜组，经过准直镜组的折射后变为平行光出射。
优选地，在第四反射镜的中心孔处形成有第一像面，在第一反射镜的中心孔处形成有第二像面，平行光经过实出瞳后出射。
优选地，光学***的入瞳和孔径光阑位于第一反射镜上，第一反射镜为椭球面，第一反射镜的反射面为凹面，第二反射镜为标准球面，第二反射镜的反射面为凸面。
优选地，第三反射镜为椭球面，第三反射的反射面为凹面。
优选地，第四反射镜为标准球面，第四反射镜的反射面为凸面、凹面或平面镜。
优选地，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的材料为SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。
优选地，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜为高次非球面或自由曲面反射镜。
优选地，场镜为标准球面透镜，场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；场镜的材料为BaF2。
优选地，准直镜组从前到后依次包括：第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜和第四准直镜；
第一准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用YAG材料；
第二准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料；
第三准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用ZnS材料；
第四准直镜为正透镜，前表面为凸球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料；
第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜和第四准直镜为标准球面透镜。
本发明提供的折反射式无焦光学***中，入瞳直径为D1，出瞳直径为D2，则本发明提供的光学***的光束压缩比即为视放大率，也等于其角放大率，其计算公式为：Γ＝-D1/D2。本发明提供的光学***的视放大率满足条件：8≤Γ≤15，入瞳直径D1满足条件：200mm≤D1≤1000mm。
与现有的技术相比，本发明的光学***的优点为：
1)大口径、多波段、共口径；
本发明提供的光学***为同轴折反光学结构，利用不同光学材料的合理匹配，使***能够对同时对可见、中波红外波段进行高质量成像，从而具有大口径、多波段、共口径的优点。
2)结构紧凑，适装性好；
本发明提供的光学***采用四片反射镜和5片透镜，且位于同一光轴上，结构紧凑；同时，***具备三次成像，有实出瞳，装配容易实现，很大程度上降低了***的装调难度。
3)成像质量好，畸变小；
本发明提供的光学***利用光学镜组的合理设计及匹配，使成像质量在可见光波段和中波红外波段均接近衍射极限；畸变较小，可见光和红外波段的畸变量均小于0.1％。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段的光学传递函数曲线示意图。
图3是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在中波红外波段的光学传递函数曲线示意图。
图4是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段的场曲和畸变曲线示意图。
图5是根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在中波红外波段的场曲和畸变曲线示意图。
其中的附图标记包括：第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、场镜5、准直镜组6、第一准直镜61、第二准直镜62、第三准直镜63、第四准直镜64、第一像面A1、第二像面A2和实出瞳A3。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提出一种折反射式无焦光学***，采用四个反射镜、一个场镜和准直镜组构成一个共轴的无焦光路，将来自目标的入射平行宽光束压缩呈平行细光束，无焦光学***后可放置成像物镜，实现光学***成像，成像物镜可为单波段(可见光或中波红外)物镜，也可为多波段(可见光和中波红外)物镜。
图1示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的折反射式无焦光学***包括：第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、场镜5和准直镜组6。
光学***的入瞳和孔径光阑均位于第一反射镜1上，第一反射镜1设置有中心孔，第二反射镜2位于第一反射镜1的前方，第二反射镜2的反射面与第一反射镜1的反射面方向相反，第一反射镜1和第二反射镜2构成卡塞格林式结构；第一反射镜1为椭球面，第一反射镜1的反射面为凹面，第二反射镜2为标准球面，第二反射镜2的反射面为凸面。
第三反射镜3位于第一反射镜1的中心孔处，第三反射镜3设置有中心孔，第三反射镜3的反射面与第一反射镜1的反射面方向相同，第三反射镜3为椭球面，第三反射镜3的反射面为凹面。
第四反射镜4位于第二反射镜2和第三反射镜3之间，第四反射镜4设置有中心孔，第四反射镜4的反射面与第一反射镜1的反射面方向相反，第四反射镜4为标准球面，第四反射镜4的反射面为凸面、凹面或平面镜。
第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的材料为SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。
第三反射镜3的后方依次设置有场镜5和准直镜组6。
场镜5为标准球面透镜，场镜5的前表面为凹球面，后表面为凸球面；场镜5的材料为BaF2。
准直镜组6从前到后依次包括：第一准直镜61、第二准直镜62、第三准直镜63和第四准直镜64。准直镜组6内的透镜均为标准球面透镜。为了校正色差，准直镜组6采用至少三种光学材料，即一种正透镜和两种负透镜材料。本发明实施例提供的无焦光学***中，第一准直镜61为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用YAG材料；第二准直镜62为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料；第三准直镜63为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用ZnS材料；第四准直镜64为正透镜，前表面为凸球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料。
为了减小中心遮拦，第一像面A1位于第四反射镜4的中心孔处，第二像面A2位于第三反射镜3的中心孔处，第三反射镜位于第一反射镜的中心开口处。
实出瞳A3位于准直镜组的后方。
入射光束经第一反射镜1和第二反射镜2的两次反射后，在第四反射镜4的中心孔处形成第一像面A1，光束穿过第四反射镜4的中心孔后经过第三反射镜3和第四反射镜4两次反射后，在第一反射镜1的中心孔处，且在第三反射镜3的后方形成第二像面A2，光束经过场镜5的折射后缩小光束范围，使得缩小范围的光束能够进入准直镜组6，缩小范围的光束经过准直镜组6的折射后变为平行光，平行光经过实出瞳A3出射。
实出瞳A3既可为望远镜头的出瞳，也可作为后继的快速反射镜位置用于像移补偿。
本发明提供的折反射式无焦光学***中，可见光和中波红外波段成像非完全共焦，可见光为平面波，而中波红外为准平面波，或可见光为准平面波，中波红外为平面波，本实施例中为前者。
***技术指标如下：工作波段为：可见光波段0.55μm-0.85μm，红外波段3.7μm-4.8μm；入瞳直径为：250mm；视场角Φ：1.2°；视放大率：8.505×(可见)；8.483×(红外)。
本发明不限于上述实施方式，场镜5和准直镜组6还可以采用其他种类的透镜。
本发明中第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4还可以采用其他种类的反射镜，如：高次非球面、自由曲面反射镜，以改善成像质量。
图2示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段的光学传递函数曲线。
图3示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在中波红外波段的光学传递函数曲线。
如图2和图3所示，本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段和中波红外波段的成像质量均达到衍射极限，
图4示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段的场曲和畸变曲线。
图5示出了根据本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在中波红外波段的场曲和畸变曲线。
如图4和图5所示，本发明实施例提供的折反射式无焦光学***在可见光波段和中波红外波段的成像畸变均较小。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种折反射式无焦光学***，其特征在于，包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；
所述第一反射镜设置有中心孔，所述第二反射镜位于所述第一反射镜的前方，与所述第一反射镜构成卡塞格林式结构；
所述第三反射镜位于所述第一反射镜的中心孔处，所述第三反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面朝向相同，所述第三反射镜3设置有中心孔；
所述第四反射镜位于所述第二反射镜和所述第三反射镜之间，所述第四反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面朝向相反，所述第四反射镜设置有中心孔；
所述第三反射镜的后方依次设置有场镜和准直镜组；
光束经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的两次反射后，穿过所述第四反射镜的中心孔，所述光束经过所述第三反射镜和所述第四反射镜的两次反射后进入所述场镜，所述光束经过所述场镜的折射后缩小光束范围，所述缩小范围的光束进入所述准直镜组，经过所述准直镜组的折射后变为平行光出射。
2.根据权利要求1所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，在所述第四反射镜的中心孔处形成有第一像面，在所述第一反射镜的中心孔处形成有第二像面，所述平行光经过实出瞳后出射。
3.根据权利要求2所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述光学***的入瞳和孔径光阑位于所述第一反射镜上，所述第一反射镜为椭球面，所述第一反射镜的反射面为凹面，所述第二反射镜为标准球面，所述第二反射镜的反射面为凸面。
4.根据权利要求3所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述第三反射镜为椭球面，所述第三反射的反射面为凹面。
5.根据权利要求4所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述第四反射镜为标准球面，所述第四反射镜的反射面为凸面、凹面或平面镜。
6.根据权利要求5所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的材料为SiC、铝、微晶玻璃或铍铝合金。
7.根据权利要求6所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜为高次非球面或自由曲面反射镜。
8.根据权利要求7所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述场镜为标准球面透镜，所述场镜的前表面为凹球面，后表面为凸球面；所述场镜的材料为BaF2。
9.根据权利要求8所述的折反射式无焦光学***，其特征在于，所述准直镜组从前到后依次包括：第一准直镜、第二准直镜、第三准直镜和第四准直镜；
所述第一准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用YAG材料；
所述第二准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料；
所述第三准直镜为负透镜，前表面为凹球面，后表面为凸球面，采用ZnS材料；
所述第四准直镜为正透镜，前表面为凸球面，后表面为凸球面，采用BaF2材料；
所述第一准直镜、所述第二准直镜、所述第三准直镜和所述第四准直镜为标准球面透镜。
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