一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，主要解决现有中继光学系统存在体积大、视场小，或无法实现与制冷型探测器的100％冷阑匹配的技术问题。包括从物面至焦面依次固联排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；第一反射镜设置于靠近物面侧的位置；第二反射镜设置于第一反射镜的反射光路上；第三反射镜设置于第二反射镜的反射光路上，第二反射镜反射的光线在第二反射镜和第三反射镜之间形成一次成像面后入射至第三反射镜；第四反射镜设置于第三反射镜的反射光路上；探测器冷窗和探测器冷阑依次设置于第四反射镜的反射光路上。测器冷阑依次设置于第四反射镜的反射光路上。测器冷阑依次设置于第四反射镜的反射光路上。

【技术实现步骤摘要】
一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统


[0001]本专利技术涉及一种中继光学系统，具体涉及一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统。

技术介绍

[0002]中继光学系统是一种有限工作物距的光学系统。在模块化光学系统设计中，利用中继系统与前置系统串联，可以实现系统外形尺寸折叠、图像转向和系统出入瞳匹配、焦距放大、视场分割等。特别地，当中继系统需要适配含有冷光阑的制冷型红外探测器时，还要实现100％的冷光阑匹配，对该类系统的设计造成一定困难。
[0003]对于一些文献公开的制冷型中继光学系统，多采用透射式光学结构，但该类结构受限于材料种类，色差难于校正，另一方面，光学透镜也难以在77K、100K等低温环境中工作；采用反射式光学结构的中继系统多为一次成像结构，也无法实现与冷光阑的100％匹配，可适配制冷型探测器的反射式中继系统还存在体积较大的问题。
[0004]2018年刊载于中国期刊《红外与激光工程》第47卷第9期，题为《多波段冷光学红外成像终端研制》中公开的一种采用离轴三反结构的中继系统；2021年刊载于中国期刊《中国光学》第48卷第23期，题为《红外双波段在光谱仪光学系统的设计与分析》中采用的离轴三反Offner光谱分光中继系统；2022年刊载于中国期刊《物理学报》第71卷第21期，题为《分孔径离轴同时偏振超分辨率成像光学系统像差校正》中报道的两镜中继系统；上述中继系统均为一次成像结构，无法实现与制冷型探测器的100％冷阑匹配。
[0005]综上，设计出具有较小体积、较大视场、可与制冷型探测器100％冷阑匹配的全反射式中继光学系统具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有中继光学系统或受材料限制，难以实现宽工作波段，或存在体积大、视场小，或无法实现与制冷型探测器100％冷阑匹配的技术问题，而提供一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0008]一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特殊之处在于：
[0009]包括从物面至焦面依次固联排列的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、探测器冷窗和探测器冷阑；
[0010]所述第一反射镜设置于靠近物面侧的位置，对视场范围内的光线进行反射、会聚；所述第二反射镜设置于第一反射镜的反射光路上，用于对第一反射镜反射的光线进行二次会聚；所述第三反射镜设置于第二反射镜的反射光路上，第二反射镜反射的光线在第二反射镜和第三反射镜之间形成一次成像面后入射至第三反射镜；所述第四反射镜设置于第三反射镜的反射光路上；所述探测器冷窗和探测器冷阑依次设置于第四反射镜的反射光路上，所述第四反射镜反射的光线依次经探测器冷窗和探测器冷阑，会聚至焦面进行成像；
[0011]所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的反射面均为xy多项式自由曲面；
[0012]所述第一反射镜、第二反射镜和第四反射镜均具有正光焦度，第三反射镜具有负光焦度；
[0013]定义所述第一反射镜和第二反射镜所构成物镜的放大倍率为m
obj
，由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜构成的物镜的放大倍率为m
’
，则|m
’
/m
obj
|满足以下条件式：
[0014]0.5≤|m
’
/m
obj
|≤1.2。
[0015]进一步地，定义第四反射镜的横向放大倍率为m5，则m5满足以下条件式：
[0016]0.65<|m5|<1.38。
[0017]进一步地，所述|m
’
/m
obj
|的取值为0.7；
[0018]所述m5的取值为0.85。
[0019]进一步地，所述xy多项式自由曲面的方程式为：
[0020][0021]其中：z为曲面矢高；c为曲面曲率；k为二次曲面系数；，A
j
是多项式中第j项的系数,m和n为幂次，m+n≤10；N为项数，N≤66；x和y在第一反射镜中取x2和y2，在第二反射镜中取x3和y3，在第三反射镜中取x4和y4。
[0022]进一步地，以物面的中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第一反射镜顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第二反射镜顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第三反射镜顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第四反射镜顶点为原点定义第五三维直角坐标系(x5,y5,z5)，并取第五三维直角坐标系为右手坐标系；以所述被探测器冷窗的中心为原点定义第六三维直角坐标系(x6,y6,z6)，并取第六三维直角坐标系为右手坐标系；
[0023]所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0,
‑
2～8,375～385)；
[0024]所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
80～
‑
70,104～114)；
[0025]所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
194～184,245～255)；
[0026]所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
321～
‑
311,172～182)；
[0027]所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
212～
‑
202,253～263)。
[0028]进一步地，所述第二三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0,
‑
3.11,380.9)；
[0029]所述第三三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
75.04,109.7)；
[0030]所述第四三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
189.9,250.7)；
[0031]所述第五三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
316.5,177.6)；
[0032]所述第六三维直角坐标系的原点在所述第一三维直角坐标系的坐标为(0，
‑
207.9,258.6)。
[0033]进一步地，所述第二三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为11
°
；
[0034]所述第三三维直角坐标系相对于第一三维直角坐标系ox轴的转角为
‑
8.6...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特征在于：包括从物面(1)至焦面(8)依次固联排列的第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)、第四反射镜(5)、探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)；所述第一反射镜(2)设置于靠近物面(1)的位置，对视场范围内的光线进行反射、会聚；所述第二反射镜(3)设置于第一反射镜(2)的反射光路上，用于对第一反射镜(2)反射的光线进行二次会聚；所述第三反射镜(4)设置于第二反射镜(3)的反射光路上，第二反射镜(3)反射的光线在其与第三反射镜(4)之间形成一次成像面后入射至第三反射镜(4)；所述第四反射镜(5)设置于第三反射镜(4)的反射光路上；所述探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)依次设置于第四反射镜(5)的反射光路上，所述第四反射镜(5)反射的光线依次经探测器冷窗(6)和探测器冷阑(7)，会聚至焦面(8)进行成像；所述第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)和第四反射镜(5)的反射面均为xy多项式自由曲面；所述第一反射镜(2)、第二反射镜(3)和第四反射镜(5)均具有正光焦度，第三反射镜(4)具有负光焦度；定义所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)所构成物镜的放大倍率为m
obj
，由第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)和第四反射镜(5)构成的物镜放大倍率为m
’
，则|m
’
/m
obj
|满足以下条件式：0.5≤|m
’
/m
obj
|≤1.2。2.根据权利要求1所述的一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特征在于：定义所述第四反射镜(5)的横向放大倍率为m5，则m5满足以下条件式：0.65<|m5|<1.38。3.根据权利要求2所述的一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特征在于：所述|m
’
/m
obj
|的取值为0.7；所述m5的取值为0.85。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特征在于：所述xy多项式自由曲面的方程式为：其中：z为曲面矢高；c为曲面曲率；k为二次曲面系数；，A
j
是多项式中第j项的系数,m和n为幂次，m+n≤10；N为项数，N≤66；x和y在第一反射镜(3)中取x2和y2，在第二反射镜(4)中取x3和y3，在第三反射镜(5)中取x4和y4。5.根据权利要求4所述的一种制冷型自由曲面离轴四反中继光学系统，其特征在于：以物面(1)的中心为原点定义第一三维直角坐标系(x1,y1,z1)，并取第一三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第一反射镜(2)顶点为原点定义第二三维直角坐标系(x2,y2,z2)，并取第二三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第二反射镜(3)顶点为原点定义第三三维直角坐标系(x3,y3,z3)，并取第三三维直角坐标系为右手坐标系；以所述第三反射镜(4)顶点为原点定义第四三维直角坐标系(x4,y4,z4)，并取第四三维直角坐标系为右...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲锐，张洪伟，杨磊，董森，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：