一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统技术方案

一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，属于红外光学技术领域，本发明专利技术为解决现有同轴四反射镜系统存在边缘视场二次遮拦的问题。本发明专利技术包括四反射镜组件和冷光阑，所述四反射镜组件由主镜、次镜、三镜和四镜同轴布设为主光轴对称结构，四反射镜组件与冷光阑同轴排布为光学系统，冷光阑作为光学系统的孔径光阑，所述光学系统采用有中间实像的结构形式；来自近似无穷远的目标光线经过主镜和次镜反射后，到达三镜之前形成中间实像，三镜反射后再经四镜反射，穿过冷光阑，最终将景物成像在制冷型探测器像面处；四个镜子顶点曲率半径R1，R2，R3，R4的取值范围分别为：R1取值范围在

【技术实现步骤摘要】
一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统


[0001]该专利技术专利涉及红外光学
，具体涉及制冷型红外同轴四反射镜光学系统。此技术可应用于匹配制冷型探测器的红外成像设备、夜视仪、红外热成像仪、空间红外目标探测等领域，可用于检测和成像在红外波段下的热辐射物体，具有广泛的应用价值。

技术介绍

[0002]随着现代科技的不断发展，红外成像设备在军事、安防、医疗等领域的应用日益普及。同轴四反系统结构紧凑、视场较大、设计灵活性高，同时又具有装调难度低、支撑结构容易设计等特点，对于小F数、大视场的反射式红外光学系统具有独特优势。为了面对快速产生的现代红外光学系统需求，顺应小F数、大视场的发展趋势，发展红外同轴四反射镜光学系统具有较大的理论和实际价值。而红外成像设备主要利用物体在红外波段下的热辐射，对其进行成像，但是在红外成像过程中，由于环境温度的影响，会对成像质量产生影响，为满足高质量成像要求，红外光学系统通常需要进行制冷。
[0003]在目前现有公开的文献资料中，对于小F数红外制冷型同轴四反射镜光学系统缺乏报道。例如，专利CN107966804A公开了一种“紧凑型长焦距四反射镜望远物镜”。该专利设计了一种四镜位于一次像面位置的可见光同轴四反射镜光学系统，可以严格的压缩体积包络，并且避免二次遮拦。但是该专利所设计光学系统出瞳距与像面距离较远，如果应用在红外领域并搭配制冷型探测器，将造成轴外视场较大的渐晕。同时这样的光学系统F数较大、视场较小，不符合红外光学系统的发展趋势。
[0004]此外，专利CN114675410A公开了“一种宽波段同轴四反射镜成像光学系统”，该专利技术提及的光学系统工作在可见光至近红外波段，但同样视场较小，F数较大，采用了较多高次非球面，同时没有考虑到与制冷型探测器匹配可能导致的渐晕问题。
[0005]以上两个专利公开的光学系统，均使四镜位于一次像面位置，虽然这可以进一步压缩体积包络，同时减小二次遮拦，但会使加工装调的难度和成本上升。且F数较大，不符合红外光学系统发展趋势。
[0006]对于现有的同轴四反射镜系统，一个潜在的问题是三镜中心开孔会造成边缘视场二次遮拦，即边缘视场中心孔径带未被次镜遮拦的光线，在三镜位置不经反射，从中心开孔出射。若这部分光线直接照射在探测器感光面上，将会引起严重的杂散辐射。
[0007]为了减小二次遮拦引起的杂散光，通常的做法是增大三镜四镜之间的间隔，这将破坏光学系统的紧凑性。
[0008]因此，需要提供一种新型小F数同轴四反射镜光学系统，通过合理的初始结构计算参数选取，有效的控制了三镜二次遮拦引起的杂散辐射，并且实现了较好的成像质量。

技术实现思路

[0009]针对现有同轴四反射镜系统存在边缘视场二次遮拦的问题，本专利技术提供一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统。
[0010]本专利技术所述一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，包括四反射镜组件和冷光阑105，所述四反射镜组件由主镜、次镜、三镜和四镜同轴布设为主光轴对称结构，四反射镜组件与冷光阑105同轴排布为光学系统，冷光阑105作为光学系统的孔径光阑，所述光学系统采用有中间实像的结构形式；
[0011]来自近似无穷远的目标光线经过主镜和次镜反射后，到达三镜之前形成中间实像，三镜反射后再经四镜反射，穿过冷光阑105，最终将景物成像在制冷型探测器像面106处；
[0012]主镜、次镜、三镜和四镜依次为第一偶次非球面反射镜101、第二双曲面反射镜102、第三双曲面反射镜103和第四双曲面反射镜104；四个镜子顶点曲率半径R1，R2，R3，R4的取值范围分别为：R1取值范围在
‑
300～
‑
120mm，R2取值范围在
‑
50～
‑
100mm，R3取值范围在
‑
100～
‑
300mm，R4取值范围在100～800mm。
[0013]优选地，四镜和主镜加工在同一块反射镜胚上，构成共胚结构。
[0014]优选地，主镜、三镜和四镜中心有开孔。
[0015]优选地，对于视场ω下某孔径带光线在主镜的入射高度为h，则该孔径带光线在三镜上的高度Y为：
[0016][0017]为了尽可能减小二次遮拦，应使得边缘视场过次镜边缘孔径带光线对应的Y值尽可能小，通过设定次镜遮拦比α1取值范围为0.2～0.4，次镜放大倍率β1取值范围为
‑
1～
‑
3来实现；
[0018]式中：d1，d2，d3分别对应为主镜到次镜、次镜到三镜和三镜到四镜的间隔，且存在如下关系式：
[0019][0020]式中α2、β2为三镜的遮拦比和放大倍率，α3、β3为四镜的遮拦比和放大倍率；
[0021]根据关系式(2)、视场ω、某孔径带光线在主镜的入射高度h和四个镜子顶点曲率半径R1，R2，R3，R4获取α2、β2、α3、β3、d1、d2和d3；
[0022]其中，d1取值范围在
‑
200～
‑
50mm，d2取值范围在120～240mm，d3取值范围在
‑
50～
‑
120mm；
[0023]将d1、d2和d3代入公式(1)获取Y值。
[0024]优选地，冷光阑105位于四镜之后、三镜之前，并于制冷型探测器窗口匹配。
[0025]优选地，四镜与主镜曲率顶点的间隔为2～15mm。
[0026]优选地，在焦距归一化的条件下，主镜到次镜的间隔为
‑
0.15～
‑
0.3；次镜到三镜的间隔为0.6～0.8；光学系统总长为0.65～0.9。
[0027]优选地，还包括光学滤波器，所述光学滤波器位于所述四反射镜组件内部或后方。
[0028]本专利技术的有益效果：
[0029](1)本专利技术提供一种含四片同轴排列反射镜的制冷型红外成像光学系统，具有良好成像性能的前提下，实现了渐晕及二次遮拦的控制。同时在保证杂散光抑制效果和成像质量较好的前提下，视场可以达到2
°
～4
°
，F数可以达到0.95～2。
[0030](2)本专利技术提供一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，在保留反射式光学系统的优势的前提下，主镜和四镜可以在一块镜胚上进行加工，降低了在装调时的自由度。同时四个反射面同轴安装，三个面为二次圆锥曲面，降低了加工装调的成本和难度。
附图说明
[0031]图1是本专利技术所述一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统的结构示意图；
[0032]图2为本专利技术实施例的畸变曲线；
[0033]图3为本专利技术实施例提供的制冷型红外同轴四反射镜光学系统的MTF曲线；
[0034]图4为本专利技术实施例提供的点列图；
[0035]图5为本专利技术实施例提供的未渐晕遮拦光线分数图；
[0036]图6为本专利技术实施例提供的次镜遮拦边缘孔径带光线在三镜的高度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，其特征在于，包括四反射镜组件和冷光阑(105)，所述四反射镜组件由主镜、次镜、三镜和四镜同轴布设为主光轴对称结构，四反射镜组件与冷光阑(105)同轴排布为光学系统，冷光阑(105)作为光学系统的孔径光阑，所述光学系统采用有中间实像的结构形式；来自近似无穷远的目标光线经过主镜和次镜反射后，到达三镜之前形成中间实像，三镜反射后再经四镜反射，穿过冷光阑(105)，最终将景物成像在制冷型探测器像面(106)处；主镜、次镜、三镜和四镜依次为第一偶次非球面反射镜(101)、第二双曲面反射镜(102)、第三双曲面反射镜(103)和第四双曲面反射镜(104)；四个镜子顶点曲率半径R1，R2，R3，R4的取值范围分别为：R1取值范围在
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300～
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120mm，R2取值范围在
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50～
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100mm，R3取值范围在
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100～
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300mm，R4取值范围在100～800mm。2.根据权利要求1所述一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，其特征在于，四镜和主镜加工在同一块反射镜胚上，构成共胚结构。3.根据权利要求2所述一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，其特征在于，主镜、三镜和四镜中心有开孔。4.根据权利要求3所述一种制冷型红外同轴四反射镜光学系统，其特征在于，对于视场ω下某孔径带光线在主镜的入射高度为h，则该孔径带光线在三镜上的高度Y为：为了尽可能减小二次遮拦，应使得边缘视场过次镜边缘孔径带光线对应的Y值...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘广森，王治乐，张树青，冀凌云，何晓博，谢佳儀，夏磊，于涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：