紧凑型折反式光学系统的制作方法

本发明涉及光学系统领域，尤其涉及一种紧凑型折反式光学系统。

背景技术：

随着机载光电设备的快速发展，机载光电设备的侦察系统对分辨率和作用距离的要求越来越高，大口径、长焦距光学系统是实现高分辨率、长作用距离的重要手段。由于机载光电设备对体积、重量等有严苛的要求，因此如何实现大口径光学系统的紧凑化、轻量化设计是机载光电设备的关键技术之一。

相关技术中，折反系统可以通过折转光路大大缩短光学系统的长度，从而实现光学系统的紧凑化和轻量化。其中，卡塞格林系统是一种最常用的同轴反射式系统，然而由于卡塞格林系统能承受的视场角范围极小，因此在较大视场角的系统中，卡塞格林系统就不再适用。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种紧凑型折反式光学系统，用以解决现有技术中折反系统体积大、结构复杂的问题。

本发明实施例提出一种紧凑型折反式光学系统，包括：

主镜，所述主镜具有贯通其的中心通孔；

次镜，所述次镜与所述中心通孔相对且间隔排布，所述主镜与所述次镜的遮拦比n满足：n≤1/25；

探测器组件，所述探测器组件与所述主镜位于所述次镜的同一侧，所述探测器组件与所述次镜相对且间隔排布；

至少一个透镜，所述至少一个透镜位于所述次镜与所述探测器组件之间。

根据本发明的一些实施例，所述所述次镜远离所述探测器组件的表面、与所述探测器组件远离所述次镜的表面之间的距离l满足，l≤280㎜。

根据本发明的一些实施例，所述主镜的有效通光孔径r1满足：345㎜≤r1≤355㎜；

所述中心通孔的孔径r2满足：60㎜≤r2≤70㎜。

根据本发明的一些实施例，所述主镜朝向所述次镜的表面为抛物面，且所述抛物面朝向远离所述次镜的方向凸起；

所述次镜朝向所述主镜的表面为双曲面，且所述双曲面朝向所述主镜凸起。

进一步的，所述抛物面和所述双曲面中的至少一个设有高反射率膜。

根据本发明的一些实施例，所述主镜为玻璃件、铝件或碳化硅件；

所述次镜为玻璃件、铝件或碳化硅件。

根据本发明的一些实施例，从所述次镜至所述主镜的方向上，所述至少一个透镜包括依次同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

其中，所述第一透镜朝向所述探测器组件凸起，所述第二透镜朝向所述次镜凸起，所述第三透镜朝向所述次镜凸起。

根据本发明的一些实施例，至少一个所述透镜为锗单晶件。

根据本发明的一些实施例，至少一个所述透镜的表面包括非球面，至少一个所述透镜的表面包括二元光学表面。

根据本发明的一些实施例，所述探测器组件为制冷型线列探测器。

采用本发明实施例，可以提高紧凑型折反式光学系统的结构紧凑性，减小紧凑型折反式光学系统的体积，从而可以较大程度上减小紧凑型折反式光学系统的重量，满足机载光电系统轻量化的需求。

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是本发明实施例中紧凑型折反式光学系统的结构示意图。

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。

考虑到机载光电设备对体积、重量的严苛的要求，并基于现有的同轴反射式系统无法在兼顾紧凑化、轻量化和大口径、大视场角，本发明实施例经过分析、试验、研究，提出一种紧凑型折反式光学系统1。

如图1所示，本发明实施例提出一种紧凑型折反式光学系统1，包括：主镜10、次镜20、至少一个透镜和探测器组件40。

其中，主镜10具有贯通其的中心通孔11。中心通孔11沿主镜10的厚度方向贯通主镜10。次镜20与中心通孔11相对且间隔排布。例如，次镜20与中心通孔11可以同轴间隔设置。主镜10与次镜20的遮拦比n满足：n≤1/25。需要说明的是，这里所提到的“主镜10与次镜20的遮拦比”可以理解次镜20的面积与中心通孔11的面积中的较大值，与主镜10的面积的比值。例如，当次镜20的面积小于中心通孔11的面积，则“主镜10与次镜20的遮拦比”为中心通孔11的面积与主镜10的面积的比值。“主镜10的面积”包括中心通孔11的面积。

如图1所示，探测器组件40与主镜10位于次镜20的同一侧，探测器组件40与次镜20相对且间隔排布。例如，探测器组件40可以与次镜20间隔同轴设置。至少一个透镜位于次镜20与探测器组件40之间。需要说明的是，这里的“至少一个透镜位于次镜20与探测器组件40之间”的含义是：透镜的个数可以为一个或多个，且所有透镜均位于次镜20与探测器组件40之间。

光线照射至主镜10后，经过主镜10反射至次镜20，入射至次镜20的光线又反射至透镜，并依次穿过透镜后进入探测器组件40，在探测器组件40的焦平面上成像。

本发明实施例的紧凑型折反式光学系统1具有结构简单、紧凑的优势，可以减小紧凑型折反式光学系统1的体积，从而可以减小紧凑型折反式光学系统1的重量、满足机载光电系统轻量化的需求。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，次镜20远离探测器组件40的表面、与探测器组件40远离次镜20的表面之间的距离l满足：l≤280㎜。换言之，次镜20与探测器组件40之间的最远距离小于等于280毫米。由此，可以保证紧凑型折反式光学系统1在轴向方向上的小尺寸。例如，次镜20远离探测器组件40的表面和探测器组件40远离次镜20的表面均为平面，这两平面之间的距离小于等于280毫米。

根据本发明的一些实施例，主镜10的有效通光孔径r1满足：345㎜≤r1≤355㎜。由此，可以保证紧凑型折反式光学系统1截面的小尺寸。进一步的，中心通孔11的孔径r2满足：60㎜≤r2≤70㎜。由此，可以使得紧凑型折反式光学系统1实现大口径的设置要求，以满足机载光电设备的大口径的需求。

如图1所示，根据本发明的一些实施例，主镜10朝向次镜20的表面为抛物面，且抛物面朝向远离次镜20的方向凸起。次镜20朝向主镜10的表面为双曲面，且双曲面朝向主镜10凸起。由此，光线入射至主镜10后可以汇聚至次镜20，并经过次镜20后汇聚至透镜。

进一步的，抛物面和双曲面中的至少一个设有高反射率膜。例如，抛物面和双曲面中的一个设有高反射率膜。又如，抛物面和双曲面均设有高反射率膜。高反射率膜是一种可以提高抛物面和/或双曲面的反射率的薄膜。

根据本发明的一些实施例，主镜10可以为玻璃件、铝件或碳化硅件。次镜20也可以为玻璃件、铝件或碳化硅件。

如图1所示，根据本发明的一些实施例，从次镜20至主镜10的方向上，至少一个透镜包括依次同轴设置的第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33。其中，第一透镜31朝向探测器组件40凸起，第二透镜32朝向次镜20凸起，第三透镜33朝向次镜20凸起。

根据本发明的一些实施例，至少一个透镜为锗单晶件。例如，所有透镜均为锗单晶件。这里只是透镜的一种实施方式，不是对透镜的具体限定。透镜只要是红外件即可，例如，透镜还可以为硅件、硒化锌件、硫化锌件等红外结构件。第一透镜31、第二透镜32以及第三透镜33的选择可以根据实际需求进行选择。

根据本发明的一些实施例，至少一个透镜的表面包括非球面，至少一个透镜的表面包括二元光学表面。例如，第一透镜31朝向探测器组件40的表面可以为非球面，第三透镜33朝向探测器组件40的表面可以为非球面，第二透镜32两侧的表面均可以为非球面且第二透镜32朝向探测器组件40的表面还可以是二元光学表面。

根据本发明的一些实施例，探测器组件40可以为制冷型线列探测器。制冷型线列探测器在y方向上是凝视方向，在x方向上是扫描方向，通过整个紧凑型折反式光学系统1绕y轴的旋转，可以实现在x方向的扫描成像，该扫描成像方式可以进一步扩大紧凑型折反式光学系统1的视场角。

下面参照图1以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的紧凑型折反式光学系统1。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例的紧凑型折反式光学系统1，包括：主镜10、次镜20、探测器组件40、第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33。

其中，主镜10可以为玻璃件、铝件或碳化硅件。主镜10的有效通光孔径为350mm。主镜10具有抛物面，抛物面的曲率半径为-609.25毫米。需要说明的是，这里的“抛物面的曲率半径为-609.25”中的负号表示曲率中心位于主镜10的左侧，下文中涉及到的负号也是表示方向的含义。抛物面设有高反射率膜。主镜10的镜面反射等级为-1。主镜10具有中心通孔11，中心通孔11沿主镜10的中心轴线贯通主镜10。中心通孔11的孔径为65mm。

如图1所示，次镜20位于主镜10的抛物面一侧且与主镜10间隔设置。抛物面朝向远离次镜20的方向凸起。次镜20与中心通孔11同轴设置。次镜20朝向主镜10的一侧为双曲面，双曲面朝向主镜10凸起。双曲面的曲率半径为-137.28毫米。双曲面设有高反射率膜。次镜20的镜面反射等级为-4.25。次镜20可以为玻璃件、铝件或碳化硅件。次镜20的有效通光孔径为60mm。次镜20的有效通光孔径略小于中心通孔11的孔径。

主镜10与次镜20的遮拦比n满足：n≤1/29。需要说明的是，这里所提到的“主镜10与次镜20的遮拦比”可以理解为中心通孔11的面积与主镜10的面积的比值。“主镜10的面积”包括中心通孔11的面积。

如图1所示，探测器组件40与主镜10位于次镜20的同一侧，探测器组件40与次镜20间隔设置，且探测器组件40与次镜20同轴设置。探测器组件40的一端伸入中心通孔11内。探测器组件40为制冷型线列探测器。制冷型线列探测器在y方向上是凝视方向，在x方向上是扫描方向，通过整个紧凑型折反式光学系统1绕y轴的旋转，可以实现在x方向的扫描成像，该扫描成像方式可以进一步扩大紧凑型折反式光学系统1的视场角。

从次镜20至探测器组件40的方向上，第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33依次间隔设置，且第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33同轴设置。其中，第一透镜31朝向探测器组件40凸起，第二透镜32朝向次镜20凸起，第三透镜33朝向次镜20凸起。第一透镜31朝向次镜20的表面的曲率半径为-20.65mm，第一透镜31朝向探测器组件40的表面的曲率半径为-27.78mm，第一透镜31的镜片口径为40mm，第一透镜31中心处的厚度为13mm。第二透镜32朝向次镜20的表面的曲率半径为40.6mm，第二透镜32朝向探测器组件40的表面的曲率半径为35.73mm，第二透镜32的镜片口径为36mm，第二透镜32中心处的厚度为12mm。第三透镜33朝向次镜20的表面的曲率半径为39.44mm，第三透镜33朝向探测器组件40的表面的曲率半径为51.86mm，第三透镜33的镜片口径为28mm，第三透镜33中心处的厚度为9mm。

第一透镜31朝向探测器组件40的表面、第三透镜33朝向探测器组件40的表面以及第二透镜32两侧的表面均为非球面。而且，第二透镜32朝向探测器组件40的表面也是二元光学表面。第一透镜31与第二透镜32的距离大于第二透镜32与第三透镜33的距离。第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33均为锗单晶件。次镜20远离探测器组件40的表面、与探测器组件40远离次镜20的表面之间的距离l满足，l≤280㎜。换言之，次镜20与探测器组件40之间的最长距离小于等于280毫米。

目标景物发出的红外辐射光线照射至主镜10后，经过主镜10反射至次镜20，入射至次镜20的光线又反射至第一透镜31，并依次穿过第一透镜31、第二透镜32和第三透镜33后进入探测器组件40，在探测器组件40的焦平面上成像。紧凑型折反式光学系统1中的光线的波长在8-12微米之间。

本发明实施例的紧凑型折反式光学系统1的焦距可以达到700毫米，f数可以达到2，而且经过仿真测得，总长焦距比可以保持在0.4之内(包括0.4)，畸变也可以控制在百分之0.5(包括百分之0.5)之内。

本发明实施例的紧凑型折反式光学系统1，利用折射、材料搭配、非球面、二元光学表面等多种光学技术，合理优化分配光焦度，在满足系统高分辨率、长作用距离的同时，可以实现大口径、结构紧凑、遮拦比小、总长焦距比小等优点，可以大大缩短光学系统的长度，从而大大减轻系统的总重，使系统更能满足机载光电系统轻量化的需求，而且具有成像质量好、透过率损失小、图像对比度高、畸变低的特点。同时该系统采用线列制冷型红外探测器，其中y方向是凝视方向，x方向是扫描方向，通过整个紧凑型折反式光学系统1绕y轴的旋转，实现在x方向的扫描成像，该扫描成像可以进一步扩大紧凑型折反式光学系统1的视场角。

需要说明的是，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。

另外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。