[发明专利]紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统

说明书

技术领域：

本发明属于光学技术领域，涉及一种紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统。

背景技术：

红外光学系统应用越来越广泛，工作环境越来越复杂，对红外光学系统的成像质量要求越来越高，设计能够工作在恶劣环境条件下的高性能红外光学系统成为必然。环境温度变化将引起材料折射率的变化、系统焦距改变、像面位移(离焦)、成像质量恶化等。这种光学系统的热不稳定性尤以红外光学系统为甚，这主要是由于红外光学材料的热稳定性较差，多数红外光学材料的折射率随温度变化明显。因此，在设计红外光学系统的过程中，必须采用一定的补偿技术以消除温度效应的影响，使红外光学系统能够在一个较大的环境温度范围内保持良好的成像质量。

传统的无热化设计方法可分为三类：(1)机械被动式；(2)机电主动式；(3)光学被动式。其中光学被动补偿方式由于结构相对简单、尺寸小重量轻、系统可靠性高等特点，受到了极大的重视。

折反射光学系统由于主次镜分担大部分光焦度，有利于系统无热化设计；利用反射镜折叠光路，缩小了镜头的体积和减轻了质量，长度可以做到比焦距短。综上所述，在红外光学系统要求轻质紧凑的场合，一般采用折反射式光学系统设计形式。

美国专利US4,431,917(公开日19840214)公开了一种“紧凑高冷阑效率光学系统”，该系统采用折反射式光学结构，由主反射镜、次镜和中继镜构成，其中主反射镜和次镜都采用反射镜。由于光学系统的主反射镜、次镜都采用反射镜，因而其焦距短，视场小，体积大。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现长焦距成像，结构紧凑、视场大的紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统。

为了解决上述技术问题，本发明的紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统包括次镜、主反射镜、中继镜；所述次镜为负光焦度的折反射式光学元件，由环形透光部分和中心曼金镜构成；来自物方的光束透过次镜的环形透光部分入射到主反射镜，经主反射镜反射后入射到次镜的曼金镜，由曼金镜折反聚焦，使得目标成像在第一像面上；再由中继镜将第一像面上的目标转象并重新聚焦到第二像面上；所述第二像面与成像接收器的焦平面重合。

本发明次镜采用光焦度为负的折反射式光学元件，曼金镜可以实现折射和反射两种功能，其余部分为环形透光部分，只能实现折射功能，因而增大了入射光的视角，同时缩短了次镜与第一像面之间的距离。本发明可实现长焦距成像，结构紧凑、视场大，可应用于航空、航天等光电成像领域。

所述次镜的前表面为凸非球面，主反射镜的反射面为凹非球面。

所述主反射镜的反射面为标准二次曲面或高次非球面。

所述次镜的前表面为标准二次曲面或高次非球面。

目标通过本发明的光学系统后成像在红外焦平面成像接收器上，从而得到目标的数字图像；焦平面成像接收器可以是非制冷式长波红外探测器，也可以是制冷式长波红外探测器。

所述中继镜由沿同一光轴顺序放置的第一折射透镜、第二折射透镜和第三折射透镜组成；其中第一折射透镜、第二折射透镜为弯月镜，第三折射透镜为双凸透镜。

第一折射透镜和第二折射透镜的前表面为非球面，第一折射透镜和第二折射透镜的后表面、第二折射透镜的前表面和后表面均为球面。

所述第一折射透镜、第二折射透镜和第三折射透镜采用Ge晶体。

所述第一折射透镜、第二折射透镜和第三折射透镜采用ZnS晶体。

所述第一折射透镜、第二折射透镜和第三折射透镜采用ZnSe晶体。

次镜材料选用折射率温度系数较大的红外晶体，次镜、中继镜及镜体支撑材料选择轻质、低线涨系数结构材料，通过互相匹配可消除系统热差，实现光学系统被动无热化。通过主反射镜、次镜和中继镜的光焦度合理匹配可实现系统色差的消除，光学畸变小，传递函数高，可实现大温度范围光学补偿无热化成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的紧凑型折反射式长波红外无热化成像光学系统结构示意图。

图中：1为次镜；2为主反射镜；3为中继镜；31为第一折射透镜；32为第二折射透镜；33为第三折射透镜；4为第一像面；5为第二像面，即成像接收器焦平面；6为成像接收器窗口。

图2是中继镜放大图。

图3是本发明采用的坐标系示意图。

具体实施方式