一种离轴三反无焦光学系统的制作方法

本发明涉及红外探测技术领域，特别是涉及一种离轴三反无焦光学系统。

背景技术：

近年来，随着科技的不断发展，对于机载和舰载的搜索跟踪系统，空间遥感系统的要求也越来越高。长焦距、大口径、多波段、共孔径光学系统在上述领域的应用越来越广泛。传统透射式光学系统受材料和镀膜技术所限，多波段、共孔径透射式光学系统的设计难度大、系统复杂且尺寸较大。同轴反射式光学系统虽然能够解决多波段、共孔径的设计难点，但存在系统不够紧凑。离轴三反光学系统结构简单，所有光学元件均为反射元件，不仅能够满足多波段、共孔径的要求，并且体积紧凑，是目前同时实现长焦距、大口径、多波段、共孔径更为合理的方案。

但是，在诸如机载光电等领域，对系统的空间尺寸要求更加严格，因此要求在共孔径的基础上，离轴三反系统在保证性能的前提下体积再进一步压缩。

技术实现要素：

本发明提供了一种离轴三反无焦光学系统，以解决现有技术中离轴三反系统体积大的问题。

本发明提供了一种离轴三反无焦光学系统，包括：沿光线入射方向依次设置第一凹面反射主镜1、第一凸面反射次镜2、第二凹面反射三镜3、第一平面反射镜4和第二平面反射镜5；

所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3由上到下依次设置，且所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3形成三角结构布局，所述第二平面反射镜5设置在该三角结构布局内，通过设置使得所述第一平面反射镜4将所述第二凹面反射三镜3反射出的光束，经所述第二平面反射镜5反射后，出射光线与所述第一凹面反射主镜1的入射光线相平行；

其中，所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3的面型均为二次曲面或带有非球面系数的二次曲面。

优选地，所述离轴三反无焦光学系统的系统倍率γ满足0.2≤γ≤1。

优选地，有效口径d0满足20mm≤d0≤200mm。

优选地，所述的第一凹面反射主镜1和所述第二凹面反射三镜3，采用抛物面或者带有非球面系数的抛物面；

所述第一凸面反射次镜2采用双曲面或带有非球面系数的双曲面。

优选地，所述离轴三反无焦光学系统的中间像面设置在所述第一凸面反射次镜2和所述第二凹面反射三镜3之间。

优选地，所述系统的入瞳设置在第一凹面反射主镜1的位置或其左侧。

优选地，所述系统的出瞳设置在第二平面反射镜5的位置或其右侧。

本发明有益效果如下：

本发明的离轴三反系统，通过多次折转后入射光线和出射光线的方向平行，所以本发明的离轴三反系统结构紧凑、体积小，更加适合搜索、跟踪光电系统的应用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的离轴三反无焦光学系统的光学原理示意图；

图2为本发明实施例的光路图；

图3为本发明实施例的光学传递函数mtf曲线；

图4为本发明实施例的畸变网格图；

图5为本发明实施例的波前-视场分布图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种离轴三反无焦光学系统，其特征在于，包括：沿光线入射方向依次设置第一凹面反射主镜1、第一凸面反射次镜2、第二凹面反射三镜3、第一平面反射镜4和第二平面反射镜5；

所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3由上到下依次设置，且所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3形成三角结构布局，所述第二平面反射镜5设置在该三角结构布局内，通过设置使得所述第一平面反射镜4将所述第二凹面反射三镜3反射出的光束，经所述第二平面反射镜5反射后，出射光线与所述第一凹面反射主镜1的入射光线相平行；

其中，所述的第一凹面反射主镜1、所述第一凸面反射次镜2、所述第二凹面反射三镜3的面型均为二次曲面。

也就是说，本发明实施例的离轴三反系统，由于通过多次折转后入射光线和出射光线的方向平行，所以本发明的离轴三反系统结构紧凑、体积小，更加适合搜索、跟踪光电系统的应用，并且本发明的光学系统具有大视场、大孔径、无中心遮拦的特点，系统mtf高，成像质量好。

需要说明的是，由于本发明光学系统的光学元件全部为反射元件，能够同时接收不同波段的光线而不产生色差，从而具有多波段，共孔径的特点，而且，本发明的光学系统无需进行单独的消杂光设计即可保证系统的使用要求。

本发明实施例所述离轴三反无焦光学系统的系统倍率γ满足0.2≤γ≤1。

本发明实施例有效口径d0满足20mm≤d0≤200mm。

具体实施时，本发明实施例所述的第一凹面反射主镜1和所述第二凹面反射三镜3，采用抛物面或者带有非球面系数的抛物面；

所述第一凸面反射次镜2采用双曲面或带有非球面系数的双曲面。

并且，本发明实施例所述离轴三反无焦光学系统的中间像面设置在所述第一凸面反射次镜2和所述第二凹面反射三镜3之间。

根据图1可知，本发明实施例的系统入瞳设置在第一凸面反射主镜1的位置或其左侧。且本发明实施例的系统出瞳设置在第二平面反射镜5的位置或其右侧。本发明通过调整，使得第一平面反射镜4和第二平面反射镜5通过角度配合，保证出射光线和入射光线的方向平行，从而实现节省空间。

总体来说，本发明实施例的光学系统结构简单，仅包含5片反射镜。且带光焦度的第一凹面反射主镜1、第一凸面反射次镜2和第二凸面反射三镜3均可选用金属材料，并由精密车床进行车削加工，镜片的生产效率高。

为了更好的对本发明的离轴三反无焦光学系统进行说明，下面将通过一个具体的例子对本发明进行详细的解释和说明。

本发明实施例在系统的出瞳位置与焦距为154.3mm的理想镜头连接，组成总焦距540mm的成像会聚光路，具体如图2所示。离轴三反光学系统的系统倍率0.29，有效口径130mm，视场角为2.4°×2.8°，设计波长3-5μm和8-12μm，该系统具体参数如表1所示。

表1系统参数表

旋转对称偶次非球面面型满足下列方程：

上式中，z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距离非球面顶点的矢高，r为透镜的近轴曲率半径，k为圆锥系数。

本实施例光学系统的mtf曲线如图3所示，本发明实施例的畸变网格图如图4所示，本发明实施例的波前-视场分布图如图5所示。从图3-5中可以看出，根据本发明设计的实施例光学系统在中波红外和长波红外波段具有良好的成像性能。

相比于传统的离轴三反系统，本发明的光学系统具有更加紧凑的外形，更适合于对空间尺寸要求比较严格的系统，尤其是包含转台搜索、跟踪的光电系统。

本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明的光学系统结构紧凑、通过多次折转后入射光线和出射光线的方向平行，更加适合搜索、跟踪光电系统应用；

2.本发明的光学系统具有大视场、大孔径、无中心遮拦的特点，系统mtf高，成像质量好；

3.本发明光学系统的光学元件全部为反射元件，能够同时接收不同波段的光线而不产生色差，从而具有多波段，共孔径的特点；

4.本发明的光学系统结构简单，仅包含5片反射镜。且带光焦度的第一凸面反射主镜1、第一凹面反射次镜2和第二凸面反射三镜3均可选用金属材料，并由精密车床进行车削加工，镜片的生产效率高；

5.本发明的光学系统无需进行单独的消杂光设计即可保证系统的使用要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。