[发明专利]大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统

说明书

本发明提供了一种大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统，解决现有离轴反射型光学系统，存在或成像视场窄、或体积包络大、或相对孔径小、或无法适配制冷型探测器的问题。该系统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、第三反射镜和第四反射镜、探测器冷窗和和探测器冷阑；第一反射镜和第三反射镜具有负光焦度；第二反射镜和第四反射镜具有正光焦度；第二反射镜的等效焦距为f4与大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统的等效焦距为fL满足条件式：0.9|fL/f4|1.46；第四反射镜的放大倍率为m6，m6满足条件式：0.74|m6|2.2；第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均采用Zernike多项式自由曲面。

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种离轴四反光学系统，具体涉及一种相对孔径大，成像视场宽，体积紧凑，且可适配制冷型探测器的自由曲面离轴四反光学系统。

背景技术

离轴反射型光学系统因具有无色差、抗热性能好、热噪声低等优点已在多个领域，尤其是低温光学领域获得重要应用。但采用二次曲面、偶次非球面等传统曲面形式的离轴反射型光学系统，由于可用设计变量少，难于同时实现大相对孔径化、宽视场化和包络紧凑化等要求。

另一方面，针对制冷型探测器，光学系统出瞳还应与探测器冷阑匹配。而，相较于一次成像的制冷型离轴反射型光学系统，具有中间像面的制冷型离轴反射型光学系统，可通过二次成像对主镜口径进行压缩，有利于光学系统的小型化和轻量化。但，离轴反射光学系统为非旋转对称系统，冷光阑匹配较难，且二次像面的存在也对光学设计中的可优化变量数量提出了更多的要求。

自由曲面具有非旋转对称特性，针对上述问题，可增加设计中的优化变量，同等镜片数量条件下，获得指标更为优良的设计结果。而且，随着加工技术的不断发展，光学自由曲面加工技术已越加成熟，在成像领域已获得更加广泛的应用，将其应用于离轴成像光学系统设计也已成为一种趋势。

对于一些文献公开的离轴反射型光学系统，多应用于非制冷型成像领域中，在制冷型光学系统中的应用较少，而已有公开文献的制冷型离轴反射型光学系统也存在或成像视场窄、或体积包络大、或相对孔径小等问题。

例如：公开号为CN 103809277A、CN 104898261B、CN 103246053 A、CN 105334607A、CN 107290845 A的中国专利，公开了多种一次成像型离轴反射式光学系统，或具有大相对孔径、或具有宽成像视场，但均无法适配制冷型探测器。

公开号为US 4834517的美国专利，公开了一种制冷型离轴三反光学系统设计，分别给出了线视场1°×12°、光圈F3和线视场1°×10°、光圈F4的偏视场离轴三反光学系统，各工作面均采用二次曲面，但所述设计中探测器焦平面相对冷光阑存在偏心和倾斜，需要使用离轴杜瓦，工程可实现性差。公开号为US 6767103的另一件美国专利中，给出了一种制冷型离轴四反光学系统，通过增加一个反射镜校正了探测器焦面与冷阑间的偏心和倾斜，各工作面均采用二次曲面，实现了0.4°×0.4°视场，光圈F5.0，但其无法实现大的视场。

2019年，刊载于中国期刊《红外和毫米波学报》第38卷第1期，题为《三重共轭消杂散光光学系统的设计方法研究》的中文文献，公开了一种离轴三反射式消像散光学系统，针对制冷型红外探测器，工作波段为2.1～4.8μm，焦距400mm，系统F数为4，一维线视场7°，离轴角为5°，其结构同上述专利，但无法实现大的视场。

2018年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》第47卷第9期，题为《自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用》的中文文献中，公开了一种采用自由曲面面型的离轴三反光学系统设计，针对制冷型红外探测器，工作波段3～5μm，焦距450mm，F数为2，视场角为3.662°×2.931°，实现了较大的视场，但各反射镜相对位置接近，无法实现更为紧凑的空间折叠，使得光学系统的体积较大。