宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统的制作方法

本实用新型涉及一种宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统，可适用于第三代前视红外系统的前置无焦望远系统。
背景技术：
：无焦系统也称为望远系统，作为一种重要的光学系统，主要应用于激光扩束、红外与前视红外、望远镜头及变焦镜头中。其中，前视红外系统由前置望远无焦系统和后继成像系统构成。前置望远无焦系统作为多通道成像系统的共孔径部分，将入射光瞳进行压缩，扫描机构位于出瞳处，经反射出的准直光束进入后继成像系统。随着美国雷声公司与夜视和电子传感器委员会合作研发的第三代前视红外成像系统，新一代红外系统向着视场可调节范围不断扩大；探测波段不断展宽；探测器分辨率不断提高；系统结构小型化的方向发展。与此同时，对于光学系统的设计要求，也与前几代红外系统截然不同，要求光学系统具有拓宽的视场、大的相对口径和展宽的波段。其中，加宽的光谱带对光学材料的选择和设计结构型式的选取都有影响。常见的光学系统结构大致可分为折射式、反射式和折反式三种。对于折射式和折反式系统，光学系统若要实现宽波段、大口径等特点，常常要引入特殊的光学材料或更复杂的结构来消除二级光谱的影响，因此其应用受到一定的限制。相比之下，反射式光学系统完全无色差，对光的衰减比透射材料小且空间利用率高，可以很好地实现宽波段、大口径、小型化的应用需求。目前，国内外大多采用离轴三反镜光学系统，但其存在一定的不足，比如离轴反射系统虽然能够避免二次遮拦，具有良好的像质。但对于大口径系统，其离轴量较大，倍率难于做大，且加工成本及装调难度大大增加。技术实现要素：本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种无二次遮拦，宽视场，高放大倍率，结构紧凑，成本低，适用于于第三代前视红外系统的前置无焦望远镜系统。为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是提供一种宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统，它包括主反射镜、次反射镜、三反射镜和平面扫描镜，所述的主反射镜为抛物面镜，次反射镜为双曲面镜，三反射镜为双曲面镜；所述的光学系统采用具有中间实像的折轴三反结构，主反射镜、次反射镜和三反射镜分别位于不同的光轴，它们的光焦度均为正；主反射镜和次反射镜构成望远物镜，三反射镜为准直镜；所述光学系统的入瞳位于主反射镜上，来自目标的红外辐射经主反射镜和次反射镜反射后，在所述的主反射镜和次反射镜之间形成中间像，再经三反射镜准直后，出射的平行光路出瞳位于平面扫描镜处；光学系统的孔径光阑位于主反射镜上。在本实用新型技术方案中，主反射镜相对于入射光方向，主反射镜的偏心范围为20mm～40mm,倾斜范围为0°～2°；次反射镜相对于入射光方向，次反射镜的偏心范围为20mm～40mm,倾斜范围为1°～5°；三反射镜相对于入射光方向，三反射镜的偏心范围为-55mm～-30mm,倾斜范围为5°～10°。当所述的望远物镜系统的焦距为f1，准直镜的焦距为f2，三反无焦光学系统的光束压缩比M=f1/f2。平面扫描镜的光学口径为主反射镜口径的1/M，M为光束压缩比。本实用新型所述的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统的主镜、次镜和三镜分别位于不同的光轴，适用于更宽的视场成像。光学系统的物镜和三镜均为正光焦度，相当于一个开普勒望远镜，且放大倍率为5.5倍。与现有技术相比，本实用新型的优势在于：1.光学系统采用非球面来实现大视场要求，结构紧凑，满足系统宽视场和小型化的要求。2.光学系统通过对各反射面镜进行微小的偏心和倾斜，实现无二次遮拦的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统，便于后继成像部件的接收与成像。3.与同轴系统相比，光学系统仍保留相似的结构，但避免二次遮拦；视场相对可做大。4.与传统离轴系统相比，本实用新型提供的光学系统体积更小；引入的偏心和倾斜量很小，但缩小倍率较大。附图说明图1为本实用新型实施例提供的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统的结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统的调制传递函数曲线图；图3为本实用新型实施例提供的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统的点列图；图1中：1、主反射镜和入瞳位置；2、次反射镜；3、中间像面；4、三反射镜；5、平面扫描镜和出瞳位置；6、理想透镜；7、理想像面。具体实施方式下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的具体阐述。实施例1本实施例提供的一种宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统，它包括抛物面主反射镜、双曲面次反射镜、双曲面三反射镜和平面扫描镜。三反无焦系统采用有中间像的折轴TMA结构形式，将来自目标的红外辐射宽光束压缩成细光束，同时放大视场角，无二次遮拦的引出实出瞳，便于后继成像部件的接收与成像。参见附图1，它为本实施例提供的宽波段大视场大口径折轴三反无焦光学系统结构示意图，光学系统的入瞳位于主反射镜1上，与其共轭的出瞳位于平面扫描镜5处；来自远处目标的红外辐射能量经过望远镜的物镜组抛物面主反射镜1和双曲面次反射镜2后，形成目标的中间像3，其位置处于双曲面三反射镜4的焦点上，再通过三反射镜4对光路进行准直，出射的平行光路出瞳位于平面扫描镜5处；无焦光学系统的孔径光阑位于主反射镜1上。主反射镜1、次反射镜2和三反射镜4分别位于不同的光轴，光焦度均为正；主反射镜1和次反射镜2构成望远物镜，望远物镜系统的焦距为f1，三反射镜4为准直镜，准直镜的焦距为f2，则无焦望远光学系统的光束压缩比M=f1/f2。平面扫描镜5的光学口径为主反射镜1口径的1/M，M为光束压缩比。为了便于对光学系统进行分析与评价，在出射的平行光路中加入理想透镜组6，使其理想成像在理想像面7上。本实施例提供的折轴三反无焦光学系统，MTF接近衍射极限。系统技术指标如下：望远镜通光口径：φ320mm；视场：2°×3.2°；工作波长：3μm～12μm；望远镜放大倍率：5.5倍。本实用新型的光学系统最大的特点就是在它保留了与同轴系统相类似的结构，通过微小的偏心和倾斜，实现无二次遮拦的引出实出瞳；采用非球面来实现大视场要求，结构紧凑，体积小；且相对离轴系统而言，便于装调，成本降低。本实施例提供的用于宽波段大视场大口径的折轴三反无焦光学系统，其主要结构参数如表1所示，各个反射镜的偏心量与倾斜量如表2所示表1折轴三反无焦系统结构参数反射镜半径/mm间距/mmConic焦距/mm高次项系数主镜-598.6-211.6-1--3.1E-16，-1.8E-20，4.5E-25次镜-235.1544.7-2.8---3.6E-13，1.2E-16，-1.6E-20三镜-395.5-295.3-1.2---1.6E-13，2.6E-17，-2.0E-21扫描镜--200------理想透镜--200--200--表2各反射面偏心与倾斜量反射镜偏心（mm）倾斜（°）主镜29.2730.436次镜23.1962.364三镜-41.6026.805参见附图2，它是系统的调制传递函数（MTF）曲线，当波长3μm、7.5μm、12μm处权重因子均为1时，取样数为64×64，光学系统理想像面处的调制传递函数（MTF）曲线，如图2所示。其中黑线表示衍射极限MTF曲线，其他曲线表示不同视场的情况，可见像质接近衍射极限。参见附图3，它是光线追迹理想像平面上的点列图，图中黑色圆圈表示艾里斑。可见像斑大部分能量集中在艾里斑内，表明该系统具有好的成像质量。当前第1页1 2 3