[发明专利]制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统

说明书

本发明公开了一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，该系统由依次排列的：第一反射镜，第二反射镜和第三反射镜组成。三个反射镜均为自由曲面，采用XY多项式或Zernike多项式，相对于同轴系统存在倾斜、或偏心与倾斜同时存在。三个反射镜呈圆周排列，光线在空间上多次相交，结构紧凑。入射光线没有被三个反射镜遮拦，可以100％到达最终像面。光路中存在中间像面，位于第二反射镜和第三反射镜之间，靠近第二反射镜。系统光阑位于第一反射镜附近。本发明缩减了传统离轴三反系统的体积，在紧凑的空间内实现了二次成像技术，使得出瞳位于第三反射镜之后并位于交叠光路之外，可匹配制冷探测器冷阑，实现100％冷光阑效率，提高目标作用距离。

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，主要涉及一种离轴反射式光学系统，尤其涉及一种可用于制冷型探测器的紧凑无遮拦自由曲面光学系统。

背景技术

大口径(≥100mm)光学透射材料造价昂贵，且折射率均匀性、透过率等特性难以保证。而反射式光学系统没有色差，成像光谱范围宽，与结构材料相匹配能够实现消热差。因此，大口径光学系统通常采用反射式结构。但是，同轴反射式系统存在中心遮拦，影响系统接收能量和成像质量，离轴反射系统能够避免这些问题，然而传统的离轴三反光学系统，空间排布不够紧凑，不满足越来越严苛的机载空间要求。

目前，结构紧凑的红外离轴反射式光学系统多采用非制冷探测器。如王博发表的文章“非制冷离轴三反光学系统研究”，其中设计的离轴三反光学系统形式紧凑，用于非制冷红外探测成像。然而，用于制冷型红外探测器的光学系统通常需要冷阑匹配，使得光学系统形式复杂。长春理工大学姜晰文在“制冷型离轴反射光学系统研究”中设计一种满足冷阑匹配的离轴反射光学系统，但是其体积较大，不能满足结构紧凑的要求。美国专利US8616712，公开了一种非对称光学系统和其设计方法，结构紧凑无遮拦，但是不满足制冷探测器的冷阑匹配要求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，解决制冷型离轴反射光学系统冷阑匹配的问题，利用自由曲面与二次成像技术，实现制冷型光学系统的紧凑设计。

本发明的技术方案为：

所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，其特征在于：包括光阑、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；三面反射镜均为XY多项式或Zernike多项式自由曲面，其中，第一面和第三面反射镜光焦度为正，第二面光焦度为负；光阑位于第一面反射镜附近；入射光线经三面反射镜反射后，在光学系统内部交叠三次；出瞳位于第一反射镜和第二反射镜上边缘连线之外，便于制冷探测器光阑耦合。

进一步的优选方案，所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，其特征在于：光路中存在中间像面，中间像面位于第一反射镜与第二反射镜之间，或者第二反射镜与第三反射镜之间。

进一步的优选方案，所述一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，其特征在于：光路参数满足以下公式：

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分别为0视场、边缘视场过入瞳中心经第三反射镜反射到达像面的光线的截距，k₁、k₂为这两条光线的斜率；这两条光线的交点为光学系统的出瞳中心(y_e z_e)；k₃、b₃为边缘光线经入瞳上边缘，通过第一反射镜和第二反射镜之间的光线的斜率和截距。