[發明專利]制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統

有效

• 申請號: 201910139309.1
• 申請日: 2019-02-24
• 公開（公告）號: CN109917535B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 李元;周曉斌;李明星;何玉蘭;李艷;孫濤輝;康文莉;王楠茜;宮經珠;韓梅;郭羽
• 申請（專利權）人: 西安應用光學研究所
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明公開了一種制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統，該系統由依次排列的：第一反射鏡，第二反射鏡和第三反射鏡組成。三個反射鏡均為自由曲面，采用XY多項式或Zernike多項式，相對于同軸系統存在傾斜、或偏心與傾斜同時存在。三個反射鏡呈圓周排列，光線在空間上多次相交，結構緊湊。入射光線沒有被三個反射鏡遮攔，可以100％到達最終像面。光路中存在中間像面，位于第二反射鏡和第三反射鏡之間，靠近第二反射鏡。系統光闌位于第一反射鏡附近。本發明縮減了傳統離軸三反系統的體積，在緊湊的空間內實現了二次成像技術，使得出瞳位于第三反射鏡之后并位于交疊光路之外，可匹配制冷探測器冷闌，實現100％冷光闌效率，提高目標作用距離。

技術領域

本發明涉及光學系統設計技術領域，主要涉及一種離軸反射式光學系統，尤其涉及一種可用于制冷型探測器的緊湊無遮攔自由曲面光學系統。

背景技術

大口徑(≥100mm)光學透射材料造價昂貴，且折射率均勻性、透過率等特性難以保證。而反射式光學系統沒有色差，成像光譜范圍寬，與結構材料相匹配能夠實現消熱差。因此，大口徑光學系統通常采用反射式結構。但是，同軸反射式系統存在中心遮攔，影響系統接收能量和成像質量，離軸反射系統能夠避免這些問題，然而傳統的離軸三反光學系統，空間排布不夠緊湊，不滿足越來越嚴苛的機載空間要求。

目前，結構緊湊的紅外離軸反射式光學系統多采用非制冷探測器。如王博發表的文章“非制冷離軸三反光學系統研究”，其中設計的離軸三反光學系統形式緊湊，用于非制冷紅外探測成像。然而，用于制冷型紅外探測器的光學系統通常需要冷闌匹配，使得光學系統形式復雜。長春理工大學姜晰文在“制冷型離軸反射光學系統研究”中設計一種滿足冷闌匹配的離軸反射光學系統，但是其體積較大，不能滿足結構緊湊的要求。美國專利US8616712，公開了一種非對稱光學系統和其設計方法，結構緊湊無遮攔，但是不滿足制冷探測器的冷闌匹配要求。

發明內容

為解決現有技術存在的問題，本發明提出一種制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統，解決制冷型離軸反射光學系統冷闌匹配的問題，利用自由曲面與二次成像技術，實現制冷型光學系統的緊湊設計。

本發明的技術方案為：

所述一種制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統，其特征在于：包括光闌、第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡；三面反射鏡均為XY多項式或Zernike多項式自由曲面，其中，第一面和第三面反射鏡光焦度為正，第二面光焦度為負；光闌位于第一面反射鏡附近；入射光線經三面反射鏡反射后，在光學系統內部交疊三次；出瞳位于第一反射鏡和第二反射鏡上邊緣連線之外，便于制冷探測器光闌耦合。

進一步的優選方案，所述一種制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統，其特征在于：光路中存在中間像面，中間像面位于第一反射鏡與第二反射鏡之間，或者第二反射鏡與第三反射鏡之間。

進一步的優選方案，所述一種制冷型緊湊無遮攔自由曲面光學系統，其特征在于：光路參數滿足以下公式：

z_e＝(b₂-b₁)/(k₁-k₂) (1)

y_e＝k₁*z_e+b₁ (2)

y_e-k₃*z_e-b₃0 (3)

式中：b₁、b₂分別為0視場、邊緣視場過入瞳中心經第三反射鏡反射到達像面的光線的截距，k₁、k₂為這兩條光線的斜率；這兩條光線的交點為光學系統的出瞳中心(y_e z_e)；k₃、b₃為邊緣光線經入瞳上邊緣，通過第一反射鏡和第二反射鏡之間的光線的斜率和截距。