一种折反射式离轴长焦红外光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种折反射式离轴长焦红外光学系统，包括反射分系统和由若干个透镜组成的折射分系统，入射光线经所述反射分系统的反射后射入到折射分系统中；反射分系统由五片反射镜组成，该五片反射镜离轴设置，从物方射出的光线依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜的反射后射入到折射分系统中。通过反射分系统和折射分系统的结合，使其同时具备了反射系统可以在很宽的工作波段内不产生色差，以及折射系统更容易实现大视场角设计的优点。该系统具有长焦距、结构紧凑、视场大的优点，解决了由于红外透射材料尺寸的限制使得红外系统不能实现长焦距、大口径的问题，可广泛应用于航空侦察等光电成像领域。
【专利说明】
一种折反射式离轴长焦红外光学系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种折反射式离轴长焦红外光学系统。
【背景技术】
[0002] 高空侦察是高效能且不受领土限制的高技术侦察手段，它具有目标探测、识别和 分析的能力。它是军队为了获取敌情信息、地形情况和相关作战情报而采取的行动，是作战 胜利的有效保证，发展高空侦察对于获取现代化的军事情报，保卫国家安全，确保战争胜利 具有重要的作用。
[0003] 在空间光学领域中，为了提高对目标观察的清晰度，需要进一步提高相机的地面 分辨率，这就需要光学系统具有更长的焦距和更大口径。纯折射式长焦红外系统由于二级 光谱的存在影响系统的成像质量，而且由于材料尺寸限制，所能实现的系统焦距有限，从而 限制了折射式长焦系统的发展。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种折反射式离轴长焦红外光学系统。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种折反射式离轴长焦红外光学系统， 包括反射分系统和由若干个透镜组成的折射分系统，入射光线经所述反射分系统的反射后 射入到所述折射分系统中；所述反射分系统由五片反射镜组成，该五片反射镜离轴设置，从 物方射出的光线依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜的 反射后射入到所述折射分系统中；所述第一反射镜为弯向物方的抛物面反射镜，所述第二 反射镜为凸面背向物方的抛物面反射镜，所述第三反射镜为与光轴成45°放置的平面反射 镜，所述第四反射镜为与光轴成〇°放置的平面反射镜，所述第五反射镜为与光轴成45°放置 的平面反射镜。
[0006] 所述折射分系统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透 镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。
[0007] 所述红外光学系统的设计参数为:波段为3.7μπι~4.8μπι，焦距为2000mm。
[0008] 所述第七透镜的靠近物方的表面为非球面。
[0009] 所述第八透镜的出射光路上设置有光阑;所述第一透镜为凸面朝向物方的弯月形 正透镜，所述第二透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第三透镜为凸面朝向物方的 弯月形负透镜，所述第四透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第五透镜为弯向所述 光阑的弯月形正透镜，所述第六透镜为背向所述光阑的弯月形负透镜，所述第七透镜为背 向所述光阑的弯月形正透镜，所述第八透镜为弯向所述光阑的弯月形正透镜。
[0010]所述第一透镜的材料为单晶硅，所述第二透镜的材料为单晶锗，所述第三透镜的 材料为单晶锗，所述第四透镜的材料为单晶硅，所述第五透镜的材料为单晶硅，所述第六透 镜的材料为单晶锗，所述第七透镜的材料为单晶锗，所述第八透镜的材料为单晶硅。
[0011]所述第一反射镜的抛物面的曲率半径为-1400.60mm，所述第二反射镜的抛物面的 曲率半径为399.39mm，所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为-306.67mm，所述第一透 镜远离物方的表面的曲率半径为-541.48mm;所述第二透镜靠近物方的表面的曲率半径为-2139.07mm，所述第二透镜远离物方的表面的曲率半径为-619.32mm;所述第三透镜远离物 方的表面的曲率半径为235.54mm;所述第四透镜的靠近物方的表面的曲率半径为 241.80mm，所述第四透镜远离物方的表面的曲率半径为824.45mm;所述第五透镜的靠近物 方的表面的曲率半径为83.97mm，所述第五透镜远离物方的表面的曲率半径为109.55mm;所 述第六透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-36.42mm，所述第六透镜远离物方的表面的曲 率半径为-91.21mm;所述第七透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-54.18mm，所述第七透 镜远离物方的表面的曲率半径为-32.32mm;所述第八透镜的靠近物方的表面的曲率半径 为24.37mm，所述第八透镜远离物方的表面的曲率半径为35.70mm。
[0012] 所述第四透镜和第五透镜之间的光路上设置有第六反射镜。
[0013] 所述第一反射镜的口径为270mm，第二反射镜的口径为75mm，第三反射镜的口径为 90mm，第四反射镜的口径为75mm，第五反射镜的口径为110mm。
[0014] 本实用新型提供的红外光学系统中，在光学系统的前端采用反射系统，将物方的 成像光线引入后续的折射系统中，通过反射分系统和折射分系统的结合，使其同时具备了 反射系统可以在很宽的工作波段内不产生色差，以及折射系统更容易实现大视场角设计的 优点。该折反射式红外系统具有长焦距、结构紧凑、视场大的优点，解决了由于红外透射材 料尺寸的限制使得红外系统不能实现长焦距、大口径的问题，可广泛应用于航空侦察等光 电成像领域。
[0015]而且，系统前端中的反射分系统中包括五片反射镜，通过这五个反射镜的设置使 其承担光学系统的大部分光焦度，有利于实现系统长焦化，同时可以有效避免二级光谱影 响，保证成像质量，提高了光学系统的分辨率。通过不同反射镜将光路折叠及多样化设计形 式，通过光路的多次折叠，可以有效增加光学系统的光程。因此，光学系统的长度可以达到 焦距的一半，从而缩短了系统长度、减小了体积。后续的折射分系统主要进行像差校正和视 场增加，而且，通过后端的折射分系统可以有效消除温度变化对系统成像质量的影响，实现 无热化设计。
[0016] 另外，对五个反射镜进行离轴设计，使得系统不存在中心遮拦，提高了灵敏度。并 且，系统对入射光无遮拦，可以增加系统的光通量，提高像面照度的均匀性。
【附图说明】
[0017] 图1是折反射式离轴长焦红外光学系统的结构示意图；
[0018] 图2是图1中的A区域的放大图；
[0019]图3是该光学系统的调制传递函数曲线图；
[0020]图4是该光学系统的点列图；
[0021]图5是该光学系统的场曲畸变图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
[0023] 本实用新型提供的折反射式离轴长焦红外光学系统包括反射分系统和折射分系 统，入射光线经反射分系统的反射后射入到折射分系统。
[0024] 如图1所示，反射分系统由五片反射镜组成，该五片反射镜离轴设置，并且布置这 五个反射镜需满足:入射光线依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和 第五反射镜的反射后射入到折射分系统中。其中，第一反射镜为主反射镜1，第二反射镜为 次反射镜2，第三反射镜为折叠反射镜3，第四反射镜为折叠反射镜4，第五反射镜为折叠反 射镜5。而且，主反射镜1和次反射镜2为抛物面镜，折叠反射镜3、折叠反射镜4和折叠反射镜 5为平面反射镜。由这五片反射镜构成的前端离轴反射部分为一望远系统，其放大倍率为4 x。具体地，这五个反射镜分别为:沿着光线传播方向依次有弯向物方的抛物面主反射镜1、 凸面背向物方的抛物面次反射镜2、与光轴成45°放置的折叠反射镜3、与光轴成0°放置的折 叠反射镜4、与光轴成45°放置的折叠反射镜5。
[0025] 本实施例中，反射镜基底材料采用石英材料，反射面镀高反射膜，主反射镜1的口 径为270mm，次反射镜2的口径为75mm，折叠反射镜3的口径为90mm，折叠反射镜4的口径为 75mm，折叠反射镜5的口径为110mm。
[0026] 该红外光学系统的设计参数为：波段为3.7μηι~4.8μηι，焦距为2000mm，全视场为 0.34°。目前，国内使用的制冷探测器的F数有2和4两种，自身都带有冷光阑，该红外光学系 统使用实际应用较多的F数为4的制冷探测器;而且，该光学系统适配的探测器为像元数640 X 512，像元尺寸15μπι或像元数320 X 256，像元尺寸30μπι的中波制冷探测器。
[0027] 如图1和图2所示，折射分系统包括沿光轴（即光路传播方向）依次设置的第一透 镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和光阑ST。其 中，第一透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜6，第二透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜 7,第三透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜8,第四透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜 9，第五透镜为弯向光阑ST的弯月形正透镜11，第六透镜为背向光阑ST的弯月形负透镜12， 第七透镜为背向光阑ST的弯月形正透镜13,第八透镜为弯向光阑ST的弯月形正透镜14。 [0028]透镜13的靠近物方的表面（即前表面）为非球面，该非球面采用⑶DE V软件中的 Asphere面型，方程为：
[0029]
[0030] 其中c为曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系 数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。
[0031] 另外，为了缩短该光学系统的轴向长度，在透镜9和透镜11之间的光路上设置有反 射镜10，通过该反射镜10能够改变该光线传播方向。
[0032] 表1给出了该光学系统的一组具体参数。
[0033] 表 1
[0036]如图3所示，该光学系统和所适配的分辨率为640 X 512、像元大小为15μπι的中波红 外制冷探测器对应的空间分别率为331p/mm时，系统传递函数最低值大于0.3，接近衍射极 限，表明光学系统成像优良，满足要求。如图4所示，光学系统的弥散斑直径小于红外探测 器像元尺寸，满足设计要求。如图5所示，该光学系统的畸变小于1.5%，表明系统成像优良。
[0037]以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用 新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导， 设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理 和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，包括反射分系统和由若干个透 镜组成的折射分系统，入射光线经所述反射分系统的反射后射入到所述折射分系统中；所 述反射分系统由五片反射镜组成，该五片反射镜离轴设置，从物方射出的光线依次经第一 反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜的反射后射入到所述折射分系 统中；所述第一反射镜为弯向物方的抛物面反射镜，所述第二反射镜为凸面背向物方的抛 物面反射镜，所述第三反射镜为与光轴成45°放置的平面反射镜，所述第四反射镜为与光轴 成0°放置的平面反射镜，所述第五反射镜为与光轴成45°放置的平面反射镜。2. 根据权利要求1所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述折射分系 统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、 第七透镜和第八透镜。3. 根据权利要求1所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述红外光学 系统的设计参数为:波段为3.7μηι~4.8μηι，焦距为2000mm。4. 根据权利要求2所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第七透镜 的靠近物方的表面为非球面。5. 根据权利要求2所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第八透镜 的出射光路上设置有光阑；所述第一透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第二透镜 为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第三透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜，所述第 四透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述第五透镜为弯向所述光阑的弯月形正透镜， 所述第六透镜为背向所述光阑的弯月形负透镜，所述第七透镜为背向所述光阑的弯月形正 透镜，所述第八透镜为弯向所述光阑的弯月形正透镜。6. 根据权利要求2所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第一透镜 的材料为单晶硅，所述第二透镜的材料为单晶锗，所述第三透镜的材料为单晶锗，所述第四 透镜的材料为单晶硅，所述第五透镜的材料为单晶硅，所述第六透镜的材料为单晶锗，所述 第七透镜的材料为单晶锗，所述第八透镜的材料为单晶硅。7. 根据权利要求2所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第一反射 镜的抛物面的曲率半径为-1400.60mm，所述第二反射镜的抛物面的曲率半径为399.39mm， 所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为-306.67mm，所述第一透镜远离物方的表面的 曲率半径为-541.48mm;所述第二透镜靠近物方的表面的曲率半径为-2139.07mm，所述第二 透镜远离物方的表面的曲率半径为-619.32mm;所述第三透镜远离物方的表面的曲率半径 为235.54mm;所述第四透镜的靠近物方的表面的曲率半径为241.80mm，所述第四透镜远离 物方的表面的曲率半径为824.45mm;所述第五透镜的靠近物方的表面的曲率半径为 83.97mm，所述第五透镜远离物方的表面的曲率半径为109.55mm;所述第六透镜的靠近物方 的表面的曲率半径为-36.42mm，所述第六透镜远离物方的表面的曲率半径为-91.21mm;所 述第七透镜的靠近物方的表面的曲率半径为-54.18_，所述第七透镜远离物方的表面的曲 率半径为-32.32mm;所述第八透镜的靠近物方的表面的曲率半径为24.37mm，所述第八透镜 远离物方的表面的曲率半径为35.70mm。8. 根据权利要求2所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第四透镜 和第五透镜之间的光路上设置有第六反射镜。9. 根据权利要求1所述的折反射式离轴长焦红外光学系统，其特征在于，所述第一反射 镜的口径为270mm，第二反射镜的口径为75mm，第三反射镜的口径为90mm，第四反射镜的口 径为75mm，第五反射镜的口径为110mm。
【文档编号】G02B17/08GK205581391SQ201620201342
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】吴海清, 李萍, 田海霞, 崔莉, 李同海, 赵新亮
【申请人】凯迈（洛阳）测控有限公司