专利名称：一种无遮拦折反射式红外光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于折反射式光学系统领域，具体涉及一种无遮拦折反射式红外光学系统。
背景技术：
在红外光学系统设计中较为常用的结构形式为透射式和折反射式。与透射式光学系统相比，折反射式光学系统存在诸多优点:折反射式光学系统利用反射镜折叠光路使结构更加紧凑；折反射式光学系统前端的反射镜组承担了大部分光焦度，色差较小并且有利于系统的无热化设计；尺寸较大的反射元件基底材料更容易获得，而且价格低廉、易于轻量化。因此，大口径的红外成像光学系统均采用折反射结构形式。传统的同轴折反射式红外光学系统存在中心遮拦的问题，例如经典卡塞格林系统的次镜会对主镜的入射光束造成遮挡。中心遮拦不仅影响系统的光通量，而且遮拦衍射效应降低了图像的对比度，即光学传递函数。此外，对于红外光学系统，次镜支撑部分热辐射会增加系统自身的噪声，降低系统的信噪比。传统的离轴反射光学系统是在同轴反射系统的基础上通过光阑偏置或视场偏置的方式实现无遮拦成像的，例如离轴RC系统，这类离轴反射光学系统会产生相对于视场中心的非对称性像差场。如果利用传统的离轴反射光学系统构建红外折反射系统，无法通过同轴的透镜组校正前端非对称性像差。
发明内容
为了解决现有同轴折反射式红外光学系统的遮拦问题以及传统离轴反射光学系统存在非对称像差无法通过共轴透镜组构建红外折反射系统的技术问题，本发明提供一种无遮拦折反射式红外光学系统。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下:一种无遮拦折反射式红外光学系统包括主镜、次镜、透镜组和制冷型红外探测器，主镜为离轴抛物面，次镜为离轴双曲面，二者的光焦度均为正值；制冷型红外探测器包括探测器冷屏、探测器窗口、探测器滤光片和探测器像面；其特征在于:所述主镜的焦点与次镜的一个焦点重合，二者非共轴设置；所述透镜组的光轴与次镜的出射主光线重合；通过对次镜倾斜角度的调整以及对入瞳离轴量的控制产生轴对称的像差场；物方目标入射光线经过主镜反射到次镜，经过次镜反射后射入透镜组，透镜组的出射光线依次经过探测器窗口和探测器滤光片入射到探测器像面上。本发明中所述的主镜为抛物面，次镜为双曲面。首先，利用共焦原理将主镜抛物面焦点与次镜双曲面的一个焦点重合，那么位于中心视场无穷远的物体将成像在次镜另一个焦点上。其次，将次镜倾斜和孔径光阑离轴引入系统形成无遮拦反射成像。次镜的倾斜必须要绕着主镜焦点进行，保证中心视场无像差。次镜的倾斜会引入非对称性像差，通过对孔径光阑离轴量的控 制对非对称性像差实现补偿。在次镜的另一个焦点位置形成轴对称的像差场，像差场中球差得到校正，残余较大的彗差和小量的像散、场曲。最后，利用透镜组对系统残余像差进行校正从而实现清晰成像。所述的透镜组可以是用于一次成像的场镜镜组，也可以是多次成像的中继镜组。本发明的有益效果是:该光学系统的次镜不会对主镜的入射光束造成遮挡，因此提高了系统的光通量和光学传递函数，增强了所成图像的对比度，还避免了因次镜支撑部分热辐射所产生的系统噪声，进而提高了光学系统的信噪比。该光学系统中的两块离轴反射镜能够产生相对于视场中心对称的像差场，且中心视场无像差。
图1是本发明无遮拦折反射式红外光学系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明的无遮拦折反射式红外光学系统包括主镜1、次镜2、透镜组3和制冷型红外探测器4，主镜I为离轴抛物面，次镜2为离轴双曲面，主镜I和次镜2的光焦度均为正值；制冷型红外探测器4包括探测器冷屏4-1、探测器窗口 4-2、探测器滤光片4-3和探测器像面4-4 ;主镜I的焦点与次镜2的一个焦点重合，二者非共轴设置；透镜组3的光轴与主镜1、次镜2出射的主光线重合；通过对次镜2倾斜角度的调整以及对入瞳5离轴量的控制产生轴对称的像差场；物方目标入射光线经过主镜I反射到次镜2，经过次镜2反射后射入透镜组3，透镜组3的出射光线依次经过探测器窗口 4-2和探测器滤光片4-3入射到探测器像面4-4上。探测器冷屏4-1为光学系 统的孔径光阑，光学系统的入瞳5位于主镜I附近，探测器冷屏4-1与入瞳5相互共轭。在满足共焦条件的情况下，通过次镜2倾斜角度与入瞳5离轴量之间相互配合调整来调节主镜I和次镜2的通光口径，并使两反射镜产生轴对称的像差场，保证中心视场无像差。实施例:具体应用本发明的无遮拦折反射式红外光学系统时，制冷型长波红外探测器4的成像谱段为7μπι 9.5μ ，焦距为200_，视场范围2.20° X2.75°，相对孔径为1:2。透镜组3可以是由两片或多片共轴的球面或非球面透镜组组成。本实施例中，透镜组3由三片共轴的透镜组成，其中第二透镜3-2的前表面为非球面，第二透镜3-2的后表面以及第一透镜3-1和第三透镜3-3各自的前后表面均为球面。第一透镜3-1和第二透镜3-2采用锗(Ge)晶体材料制成，第三透镜3-3采用硒化锌(ZnSe)材料制成。透镜组3的作用除了补偿反射镜组像差以外，还实现对反射镜组焦距的缩放以及入瞳5与探测器冷屏4-1的匹配。本发明的折反射式红外光学系统可以实现无遮拦成像，与相同口径的同轴折反射式红外系统相比，该系统具有更高的有效光通量和光学传递函数，并且具有较低的信噪比。光学系统适用于多种红外探测器，可用于一次成像的非制冷型红外探测器，也可用于要求主镜与冷阑匹配需要二次或多次成像的制冷型红外探测器。该光学系统能够获取高质量的红外图像，具有布局紧凑、结构简单、体积小和重量轻等特点，可用于红外遥感、探测和侦察等领域。
权利要求
1.一种无遮拦折反射式红外光学系统包括主镜(I)、次镜(2)、透镜组(3)和制冷型红外探测器(4)，主镜(I)为离轴抛物面，次镜(2)为离轴双曲面，二者的光焦度均为正值；制冷型红外探测器(4)包括探测器冷屏(4-1)、探测器窗口(4-2)、探测器滤光片(4-3)和探测器像面(4-4);其特征在于:所述主镜(I)的焦点与次镜(2)的一个焦点重合，二者非共轴设置；所述透镜组(3)的光轴与次镜(2)的出射主光线重合；通过对次镜(2)倾斜角度的调整以及对入瞳(5)离轴量的控制产生轴对称的像差场；物方目标入射光线经过主镜(I)反射到次镜(2)，经过次镜(2)反射后射入透镜组(3)，透镜组(3)的出射光线依次经过探测器窗口(4-2)和探测器滤光片(4-3)入射到探测器像面(4-4)上。
2.如权利要求1所述的一种无遮拦折反射式红外光学系统，其特征在于:所述透镜组(3)包括两片或多片共轴的球面或非球面透镜。
3.如权利要求1或2所述的一种无遮拦折反射式红外光学系统，其特征在于:所述透镜组(3)包括共轴设置的第一透镜(3-1 )、第二透镜(3-2)和第三透镜(3-3)，第二透镜(3-2)的前 表面为非球面,第二透镜(3-2)的后表面为球面；第一透镜(3-1)和第三透镜(3-3)的前后表面均为球面。
全文摘要
本发明无遮拦折反射式红外光学系统属于折反射式光学系统领域，该光学系统包括主镜、次镜、透镜组和制冷型红外探测器，所述主镜为离轴抛物面，次镜为离轴双曲面，主镜和次镜的光焦度均为正值；主镜和次镜采用非共轴的布局方式，主镜抛物面焦点与次镜双曲面的一个焦点重合，通过对次镜倾斜角度的调节以及入瞳离轴量的控制产生轴对称的像差场；物方目标经过主镜反射到次镜，再经过次镜反射到透镜组，而后依次经过探测器窗口和滤光片照射到制冷型红外探测器的像面上。本发明通过主镜和次镜的离轴布局，使次镜对入射光束不产生中心遮拦，并且系统结构紧凑。
文档编号G02B17/08GK103226237SQ201310138328
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者史广维, 张新, 张建萍, 王灵杰 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所