一種折反射式離軸長焦紅外光學系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種折反射式離軸長焦紅外光學系統，包括反射分系統和由若干個透鏡組成的折射分系統，入射光線經所述反射分系統的反射后射入到折射分系統中；反射分系統由五片反射鏡組成，該五片反射鏡離軸設置，從物方射出的光線依次經第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和第五反射鏡的反射后射入到折射分系統中。通過反射分系統和折射分系統的結合，使其同時具備了反射系統可以在很寬的工作波段內不產生色差，以及折射系統更容易實現大視場角設計的優點。該系統具有長焦距、結構緊湊、視場大的優點，解決了由于紅外透射材料尺寸的限制使得紅外系統不能實現長焦距、大口徑的問題，可廣泛應用于航空偵察等光電成像領域。
【專利說明】
一種折反射式離軸長焦紅外光學系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種折反射式離軸長焦紅外光學系統。
【背景技術】
[0002] 高空偵察是高效能且不受領土限制的高技術偵察手段，它具有目標探測、識別和 分析的能力。它是軍隊為了獲取敵情信息、地形情況和相關作戰情報而采取的行動，是作戰 勝利的有效保證，發展高空偵察對于獲取現代化的軍事情報，保衛國家安全，確保戰爭勝利 具有重要的作用。
[0003] 在空間光學領域中，為了提高對目標觀察的清晰度，需要進一步提高相機的地面 分辨率，這就需要光學系統具有更長的焦距和更大口徑。純折射式長焦紅外系統由于二級 光譜的存在影響系統的成像質量，而且由于材料尺寸限制，所能實現的系統焦距有限，從而 限制了折射式長焦系統的發展。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種折反射式離軸長焦紅外光學系統。
[0005] 為實現上述目的，本實用新型的方案包括一種折反射式離軸長焦紅外光學系統， 包括反射分系統和由若干個透鏡組成的折射分系統，入射光線經所述反射分系統的反射后 射入到所述折射分系統中；所述反射分系統由五片反射鏡組成，該五片反射鏡離軸設置，從 物方射出的光線依次經第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和第五反射鏡的 反射后射入到所述折射分系統中；所述第一反射鏡為彎向物方的拋物面反射鏡，所述第二 反射鏡為凸面背向物方的拋物面反射鏡，所述第三反射鏡為與光軸成45°放置的平面反射 鏡，所述第四反射鏡為與光軸成〇°放置的平面反射鏡，所述第五反射鏡為與光軸成45°放置 的平面反射鏡。
[0006] 所述折射分系統包括沿光軸依次設置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透 鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡。
[0007] 所述紅外光學系統的設計參數為:波段為3.7μπι~4.8μπι，焦距為2000mm。
[0008] 所述第七透鏡的靠近物方的表面為非球面。
[0009] 所述第八透鏡的出射光路上設置有光闌;所述第一透鏡為凸面朝向物方的彎月形 正透鏡，所述第二透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，所述第三透鏡為凸面朝向物方的 彎月形負透鏡，所述第四透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第五透鏡為彎向所述 光闌的彎月形正透鏡，所述第六透鏡為背向所述光闌的彎月形負透鏡，所述第七透鏡為背 向所述光闌的彎月形正透鏡，所述第八透鏡為彎向所述光闌的彎月形正透鏡。
[0010]所述第一透鏡的材料為單晶硅，所述第二透鏡的材料為單晶鍺，所述第三透鏡的 材料為單晶鍺，所述第四透鏡的材料為單晶硅，所述第五透鏡的材料為單晶硅，所述第六透 鏡的材料為單晶鍺，所述第七透鏡的材料為單晶鍺，所述第八透鏡的材料為單晶硅。
[0011]所述第一反射鏡的拋物面的曲率半徑為-1400.60mm，所述第二反射鏡的拋物面的 曲率半徑為399.39mm，所述第一透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為-306.67mm，所述第一透 鏡遠離物方的表面的曲率半徑為-541.48mm;所述第二透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為-2139.07mm，所述第二透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為-619.32mm;所述第三透鏡遠離物 方的表面的曲率半徑為235.54mm;所述第四透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為 241.80mm，所述第四透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為824.45mm;所述第五透鏡的靠近物 方的表面的曲率半徑為83.97mm，所述第五透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為109.55mm;所 述第六透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-36.42mm，所述第六透鏡遠離物方的表面的曲 率半徑為-91.21mm;所述第七透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-54.18mm，所述第七透 鏡遠離物方的表面的曲率半徑為-32.32mm;所述第八透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑 為24.37mm，所述第八透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為35.70mm。
[0012] 所述第四透鏡和第五透鏡之間的光路上設置有第六反射鏡。
[0013] 所述第一反射鏡的口徑為270mm，第二反射鏡的口徑為75mm，第三反射鏡的口徑為 90mm，第四反射鏡的口徑為75mm，第五反射鏡的口徑為110mm。
[0014] 本實用新型提供的紅外光學系統中，在光學系統的前端采用反射系統，將物方的 成像光線引入后續的折射系統中，通過反射分系統和折射分系統的結合，使其同時具備了 反射系統可以在很寬的工作波段內不產生色差，以及折射系統更容易實現大視場角設計的 優點。該折反射式紅外系統具有長焦距、結構緊湊、視場大的優點，解決了由于紅外透射材 料尺寸的限制使得紅外系統不能實現長焦距、大口徑的問題，可廣泛應用于航空偵察等光 電成像領域。
[0015]而且，系統前端中的反射分系統中包括五片反射鏡，通過這五個反射鏡的設置使 其承擔光學系統的大部分光焦度，有利于實現系統長焦化，同時可以有效避免二級光譜影 響，保證成像質量，提高了光學系統的分辨率。通過不同反射鏡將光路折疊及多樣化設計形 式，通過光路的多次折疊，可以有效增加光學系統的光程。因此，光學系統的長度可以達到 焦距的一半，從而縮短了系統長度、減小了體積。后續的折射分系統主要進行像差校正和視 場增加，而且，通過后端的折射分系統可以有效消除溫度變化對系統成像質量的影響，實現 無熱化設計。
[0016] 另外，對五個反射鏡進行離軸設計，使得系統不存在中心遮攔，提高了靈敏度。并 且，系統對入射光無遮攔，可以增加系統的光通量，提高像面照度的均勻性。
【附圖說明】
[0017] 圖1是折反射式離軸長焦紅外光學系統的結構示意圖；
[0018] 圖2是圖1中的A區域的放大圖；
[0019]圖3是該光學系統的調制傳遞函數曲線圖；
[0020]圖4是該光學系統的點列圖；
[0021]圖5是該光學系統的場曲畸變圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0023] 本實用新型提供的折反射式離軸長焦紅外光學系統包括反射分系統和折射分系 統，入射光線經反射分系統的反射后射入到折射分系統。
[0024] 如圖1所示，反射分系統由五片反射鏡組成，該五片反射鏡離軸設置，并且布置這 五個反射鏡需滿足:入射光線依次經第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和 第五反射鏡的反射后射入到折射分系統中。其中，第一反射鏡為主反射鏡1，第二反射鏡為 次反射鏡2，第三反射鏡為折疊反射鏡3，第四反射鏡為折疊反射鏡4，第五反射鏡為折疊反 射鏡5。而且，主反射鏡1和次反射鏡2為拋物面鏡，折疊反射鏡3、折疊反射鏡4和折疊反射鏡 5為平面反射鏡。由這五片反射鏡構成的前端離軸反射部分為一望遠系統，其放大倍率為4 x。具體地，這五個反射鏡分別為:沿著光線傳播方向依次有彎向物方的拋物面主反射鏡1、 凸面背向物方的拋物面次反射鏡2、與光軸成45°放置的折疊反射鏡3、與光軸成0°放置的折 疊反射鏡4、與光軸成45°放置的折疊反射鏡5。
[0025] 本實施例中，反射鏡基底材料采用石英材料，反射面鍍高反射膜，主反射鏡1的口 徑為270mm，次反射鏡2的口徑為75mm，折疊反射鏡3的口徑為90mm，折疊反射鏡4的口徑為 75mm，折疊反射鏡5的口徑為110mm。
[0026] 該紅外光學系統的設計參數為：波段為3.7μηι~4.8μηι，焦距為2000mm，全視場為 0.34°。目前，國內使用的制冷探測器的F數有2和4兩種，自身都帶有冷光闌，該紅外光學系 統使用實際應用較多的F數為4的制冷探測器;而且，該光學系統適配的探測器為像元數640 X 512，像元尺寸15μπι或像元數320 X 256，像元尺寸30μπι的中波制冷探測器。
[0027] 如圖1和圖2所示，折射分系統包括沿光軸（即光路傳播方向）依次設置的第一透 鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡和光闌ST。其 中，第一透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡6，第二透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡 7,第三透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡8,第四透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡 9，第五透鏡為彎向光闌ST的彎月形正透鏡11，第六透鏡為背向光闌ST的彎月形負透鏡12， 第七透鏡為背向光闌ST的彎月形正透鏡13,第八透鏡為彎向光闌ST的彎月形正透鏡14。 [0028]透鏡13的靠近物方的表面（即前表面）為非球面，該非球面采用⑶DE V軟件中的 Asphere面型，方程為：
[0029]
[0030] 其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標，k為二次曲線常數，A為四階非球面系 數、B六階非球面系數、C為八階非球面系數、D為十階非球面系數。
[0031] 另外，為了縮短該光學系統的軸向長度，在透鏡9和透鏡11之間的光路上設置有反 射鏡10，通過該反射鏡10能夠改變該光線傳播方向。
[0032] 表1給出了該光學系統的一組具體參數。
[0033] 表 1

[0036]如圖3所示，該光學系統和所適配的分辨率為640 X 512、像元大小為15μπι的中波紅 外制冷探測器對應的空間分別率為331p/mm時，系統傳遞函數最低值大于0.3，接近衍射極 限，表明光學系統成像優良，滿足要求。如圖4所示，光學系統的彌散斑直徑小于紅外探測 器像元尺寸，滿足設計要求。如圖5所示，該光學系統的畸變小于1.5%，表明系統成像優良。
[0037]以上給出了具體的實施方式，但本實用新型不局限于所描述的實施方式。本實用 新型的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本實用新型的教導， 設計出各種變形的模型、公式、參數并不需要花費創造性勞動。在不脫離本實用新型的原理 和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本實用新型的保護范圍 內。
【主權項】
1. 一種折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，包括反射分系統和由若干個透 鏡組成的折射分系統，入射光線經所述反射分系統的反射后射入到所述折射分系統中；所 述反射分系統由五片反射鏡組成，該五片反射鏡離軸設置，從物方射出的光線依次經第一 反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡和第五反射鏡的反射后射入到所述折射分系 統中；所述第一反射鏡為彎向物方的拋物面反射鏡，所述第二反射鏡為凸面背向物方的拋 物面反射鏡，所述第三反射鏡為與光軸成45°放置的平面反射鏡，所述第四反射鏡為與光軸 成0°放置的平面反射鏡，所述第五反射鏡為與光軸成45°放置的平面反射鏡。2. 根據權利要求1所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述折射分系 統包括沿光軸依次設置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、 第七透鏡和第八透鏡。3. 根據權利要求1所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述紅外光學 系統的設計參數為:波段為3.7μηι~4.8μηι，焦距為2000mm。4. 根據權利要求2所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第七透鏡 的靠近物方的表面為非球面。5. 根據權利要求2所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第八透鏡 的出射光路上設置有光闌；所述第一透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第二透鏡 為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，所述第三透鏡為凸面朝向物方的彎月形負透鏡，所述第 四透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第五透鏡為彎向所述光闌的彎月形正透鏡， 所述第六透鏡為背向所述光闌的彎月形負透鏡，所述第七透鏡為背向所述光闌的彎月形正 透鏡，所述第八透鏡為彎向所述光闌的彎月形正透鏡。6. 根據權利要求2所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第一透鏡 的材料為單晶硅，所述第二透鏡的材料為單晶鍺，所述第三透鏡的材料為單晶鍺，所述第四 透鏡的材料為單晶硅，所述第五透鏡的材料為單晶硅，所述第六透鏡的材料為單晶鍺，所述 第七透鏡的材料為單晶鍺，所述第八透鏡的材料為單晶硅。7. 根據權利要求2所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第一反射 鏡的拋物面的曲率半徑為-1400.60mm，所述第二反射鏡的拋物面的曲率半徑為399.39mm， 所述第一透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為-306.67mm，所述第一透鏡遠離物方的表面的 曲率半徑為-541.48mm;所述第二透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為-2139.07mm，所述第二 透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為-619.32mm;所述第三透鏡遠離物方的表面的曲率半徑 為235.54mm;所述第四透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為241.80mm，所述第四透鏡遠離 物方的表面的曲率半徑為824.45mm;所述第五透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為 83.97mm，所述第五透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為109.55mm;所述第六透鏡的靠近物方 的表面的曲率半徑為-36.42mm，所述第六透鏡遠離物方的表面的曲率半徑為-91.21mm;所 述第七透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-54.18_，所述第七透鏡遠離物方的表面的曲 率半徑為-32.32mm;所述第八透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為24.37mm，所述第八透鏡 遠離物方的表面的曲率半徑為35.70mm。8. 根據權利要求2所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第四透鏡 和第五透鏡之間的光路上設置有第六反射鏡。9. 根據權利要求1所述的折反射式離軸長焦紅外光學系統，其特征在于，所述第一反射 鏡的口徑為270mm，第二反射鏡的口徑為75mm，第三反射鏡的口徑為90mm，第四反射鏡的口 徑為75mm，第五反射鏡的口徑為110mm。
【文檔編號】G02B17/08GK205581391SQ201620201342
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】吳海清, 李萍, 田海霞, 崔莉, 李同海, 趙新亮
【申請人】凱邁（洛陽）測控有限公司