折返式中波红外面振扫描光学系统的制作方法

1.本发明涉及光学系统技术领域，特别涉及折返式中波红外面振扫描光学系统。


背景技术：

2.在机载光电搜跟系统中，由于机载平台的工作环境较为复杂，因此相机的成像质量除了受光学设计的制约外，还受温度、杂光、振动、冲击等干扰因素的影响。
3.用于机载光电搜跟系统中的中波红外面阵扫描光学系统，由于红外材料的限制，使得透射式红外系统很难做到大口径；离轴反射式系统可以采用离轴三反或四反实现大口径、长焦距光学系统的设计，但是其对结构精度很高，装调难度很大以及加工成本高等问题，使得使用条件受到限制。目前的面阵扫描光学系统采用透射式结构型式，而且不具备大口径、长焦距的特点，因此在实际应用中，对目标识别的准确度，尤其是远距离的目标探测存在一定的局限性。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种折返式中波红外面振扫描光学系统，具备大口径、长焦距的优点，并且采用折反式结构实现光学稳像，并以特定速率朝摆动，在面阵探测器积分时间内，对方位视场的变化进行补偿。
5.为实现上述目的，本发明提出一种折返式中波红外面振扫描光学系统，包括由物方至像方依次设置的望远镜组、扫描振镜、第一成像组和像面，所述扫描振镜与光轴呈夹角设置，所述扫描振镜具有固定状态、以及可活动的回扫状态，所述望远镜组包括主镜和多个透镜；
6.所述折返式中波红外面振扫描光学系统的工作波段为3～5μm，焦距为600mm，f数的范围被设置为2≤f≤5.5。
7.可选地，所述扫描振镜与光轴的夹角为45
°
。
8.可选地，所述多个透镜由物方至像方依次置于所述主镜后方的第一准直透镜、第二准直透镜、反射镜、第三准直透镜和第四准直透镜，所述反射镜与光轴呈夹角设置，且与所述扫描振镜相对设置，所述主镜朝向所述第一准直透镜的侧面用于接收光线。
9.可选地，所述反射镜与光轴的夹角为45
°
。
10.可选地，所述主镜为正光焦度的弯月型反射镜，其凹面朝向物方，所述第一准直透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方，所述第二准直透镜为负光焦度的双凸型锗透镜，所述第三准直透镜为负光焦度的弯月型硅透镜，其凹面朝向物方，所述第四准直透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方。
11.可选地，所述主镜采用球面镜片，所述第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜采用非球面镜片。
12.可选地，所述第一成像组包括沿由物方至像方依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；
13.其中，所述第一透镜为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向像方，所述第二透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凹面朝向像方，所述第三透镜为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向物方，所述第四透镜为负光焦度的弯月型氟化钙透镜，其凸面朝向像方。
14.可选地，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为非球面镜片，所述第四透镜为球面镜面。
15.可选地，所述第三透镜和所述第四透镜呈紧挨设置。
16.可选地，光线射入所述望远镜组的方向与光线射入像面的方向相同。
17.本发明的技术方案中，来自物方的成像光束依次经过望远镜组变成平行光束，经过扫描振镜转折后，进入第一透镜组内，最后在像面上成像。考虑到常规的主镜和次镜配合的方式，次镜对主镜的遮拦较大，且对于大口径的设计需要存在工艺困难，因此，本发明只选用一个主镜来承担系统的大部分光焦度，所述扫描振镜的设计是为了通过折反式结构实现光学稳像，扫描振镜位于平行光路中，具有两种工作状态，固定状态时，主要进行光路的转折，该光学系统处于中波凝视跟踪模式，回扫状态状态时，所述扫描振镜以特定速率进行回扫，像面成像无离焦，可应用于中波面阵周扫搜索模式。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本发明提供的折返式中波红外面振扫描光学系统一实施例的示意图；
20.图2为图1中折返式中波红外面振扫描光学系统处于+20℃对应的mtf曲线图；
21.图3为图1中折返式中波红外面振扫描光学系统处于-55℃对应的mtf曲线图；
22.图4为图1中折返式中波红外面振扫描光学系统处于+70℃对应的mtf曲线图。
23.附图标号说明：
24.[0025][0026]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0029]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0030]
典型的折反式系统为卡塞格林系统，主镜为抛物面、次镜为双曲面，这只能校正轴上点球差。其缺点之一是没有满足正弦条件，像质优良的视场太小，一般不超过2
′
。r-c光学成像系统对卡塞格林系统的视场进行了改良，由于消除了彗差，可用视场比其它形式的卡塞格林系统更大一些，并且点列图成对称的椭圆形。为保证成像质量，r-c系统所能获得的最大视场一般为20
′
左右。为了进一步增大卡塞格林系统的视场，就要引入辅助的光学元件以校正像差。
[0031]
现有的技术提出了一种“泛卡塞格林望远系统”，但该系统需要一个大口径的4次非球面补偿镜，因而结构庞大、加工成本高(潘君骅，一种新的泛卡塞格林望远系统，光学精密工程，2003，11(5):438～441)。或者设计面阵探测器连续扫描成像光学系统，系统焦距73mm，f/2，搭配中波制冷320
×
256的探测器，(于洋，王世勇等.面阵探测器连续扫描成像光学系统，红外与激光工程，201645(1):0118002-1～0118002-5)。
[0032]
由此可见，目前报道的面阵扫描光学系统均采用透射式结构型式，而且不具备大口径、长焦距的特点，因此在实际应用中，对目标识别的准确度，尤其是远距离的目标探测存在一定的局限性。
[0033]
鉴于此，本发明提供一种折返式中波红外面振扫描光学系统，图1至图4为本发明提供的折返式中波红外面振扫描光学系统的实施例。
[0034]
请参照图1，折返式中波红外面振扫描光学系统100包括由物方至像方依次设置的望远镜组1、扫描振镜2、第一成像组3和像面4，所述扫描振镜2与光轴呈夹角设置，所述扫描振镜2具有固定状态、以及可活动的回扫状态，所述望远镜组1包括主镜11和多个透镜；所述折返式中波红外面振扫描光学系统100的工作波段为3～5μm，焦距为600mm，f数的范围被设置为2≤f≤5.5。
[0035]
本发明的技术方案中，来自物方的成像光束依次经过望远镜组1变成平行光束，经过扫描振镜2转折后，进入第一成像组3内，最后在像面4上成像。考虑到常规的主镜11和次镜配合的方式，次镜对主镜11的遮拦较大，且对于大口径的设计需要存在工艺困难，因此，本发明只选用一个主镜11来承担系统的大部分光焦度，所述扫描振镜2的设计是为了通过折反式结构实现光学稳像，所述扫描振镜2位于平行光路中，具有两种工作状态，固定状态时，主要进行光路的转折，该光学系统处于中波凝视跟踪模式，回扫状态状态时，所述扫描振镜2以特定速率进行回扫，像面4成像无离焦，可应用于中波面阵周扫搜索模式。
[0036]
本发明不限制所述扫描振镜2与光轴的夹角，优选所述扫描振镜2处于固定状态时与光轴的夹角为45
°
，因而能够将光路折转90
°
，可以理解的是，在其他实施例中，所述扫描振镜2与光轴的夹角也可以是30
°
、60
°
等，本发明对此不作限制。
[0037]
进一步的，所述多个透镜由物方至像方依次置于所述主镜11后方的第一准直透镜12、第二准直透镜13、反射镜14、第三准直透镜15和第四准直透镜16，所述反射镜14与光轴呈夹角设置，且与所述扫描振镜2相对设置，所述主镜11朝向所述第一准直透镜12的侧面用于接收光线。光线水平射入所述主镜11，主镜11为反射光线的功能，将光线转折至第一准直透镜12，通过多个准直透镜进行光线的转折并矫正主镜11的相差，这种设置方式，各准直透镜能够处在会聚光路中，其尺寸比系统口径小得多。因此，有利于大口径的设计。所述反射镜14将光线处于折转，其用于折射的功能面与所述扫描振镜2的功能面是相对设置的，二者在同一直线上排布，有利于减小体积，压缩空间尺寸，该结构为采用反射镜14与透镜相结合、一次成像的结构型式，从而保证精度。
[0038]
具体的，来自无穷远的光线经过主镜11反射，然后经过所述第一准直透镜12和所述第二准直透镜13以一定的角度入射所述反射镜14，所述反射镜14将光路折转一定的角度，接着依次通过所述第三准直透镜15和所述第四准直透镜16后变成平行光射入所述扫描振镜2，可以理解的是，该镜组的出瞳位置应当对应所述扫描振镜2的位置。
[0039]
需要说明的是，由于光学系统焦距较长，选择所述主镜11当主光焦度，准直镜组承当辅光焦度。优选所述主镜11面型采用球面、材料选用低膨胀微晶玻璃，多个准直镜组选用锗和硅两种光学材料。
[0040]
本发明不限制所述反射镜14与光轴的夹角，本实施例中，所述反射镜14与光轴的夹角为45
°
，即将光路折转90
°
，有利于缩减系统长度。在其他实施例中，所述反射镜14与光轴的夹角也可以是30
°
、60
°
等，本发明对此不作限制。
[0041]
进一步的，所述主镜11为正光焦度的弯月型反射镜14，其凹面朝向物方，所述第一准直透镜12为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方，所述第二准直透镜13为负光焦度的双凸型锗透镜，所述第三准直透镜15为负光焦度的弯月型硅透镜，其凹面朝向物方，所述第四准直透镜16为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方。
[0042]
更进一步的，所述主镜11采用球面镜片，所述第一准直透镜12、所述第二准直透镜13、所述第三准直透镜15和所述第四准直透镜16采用非球面镜片。
[0043]
所述第一成像组3包括沿由物方至像方依次设置第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33和第四透镜34；其中，所述第一透镜31为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向像方，所述第二透镜3为正光焦度的弯月型锗透镜，其凹面朝向像方，所述第三透镜33为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向物方，所述第四透镜34为负光焦度的弯月型氟化钙透镜，其凸
面朝向像方。可以理解的是，在其他实施例中，上述的透镜数量可以设置为更多也可以设计为更少，根据实际的透镜选型合理的设计间距即可。
[0044]
具体的，所述第一透镜31、所述第二透镜32以及所述第三透镜33为非球面镜片，所述第四透镜34为球面镜面。
[0045]
本实施例中，所述第三透镜33和所述第四透镜34呈紧挨设置，从而保证光线的传导和配合使用效果。
[0046]
在本实施例中，光线射入所述望远镜组1的方向与光线射入像面4的方向相同。例如，光线从左至右射入，经所述主镜11反射向右，经过所述多个透镜和所述扫描振镜2后，最终仍然以从左至右的方向入射到所述像面4上，该结构排布使得光学系统整体的布局紧凑，有利于小型化设计，能够保证空间的合理运用。
[0047]
为了快速有效地设计出较佳的光学结构，本发明提出了利用参数设定和光学设计软件联合设计的方法，具体设计步骤如下：
[0048]
步骤1：根据平台转速确定满足回扫补偿无渐晕或挡光的共孔径望远镜组1的最小视场增加量，公式如下：
[0049]
δωfov＝ωt
[0050]
其中，ω为平台转速，t为光学系统面阵探测器积分时间。
[0051]
得到共孔径望远镜组1的总视场：
[0052]
ωfov＝ωmax+δωfov
[0053]
其中，ωmax为光学系统中视场要求最大值。
[0054]
步骤2：根据望远镜组1的入瞳直径以及结构尺寸限制，确定望远镜组1中的出瞳直径，即对应扫描振镜2的尺寸大小。
[0055]
步骤3：根据共孔径望远镜组1倍率m＝f0＇/fe＇，结合系统的f数确定物镜组焦距f01＇～f02＇和目镜组焦距fe＇；
[0056]
步骤4：将望远镜组1的出瞳位置与第一成像组3的入瞳位置严格匹配，并将扫描振镜2放在第一成像组3的入瞳位置处；
[0057]
步骤5：将望远镜组1和第一成像组3进行匹配优化，得到中波面阵扫描光学系统；
[0058]
步骤6：考虑光学镜片、镜筒结构件的热膨胀系数以及中波红外探测器在高低温下的位移量，对中波面阵扫描光学系统进行消热差设计，从而满足-55℃～+70℃的温度范围。
[0059]
需要说明的是，该光学系统采用中波640*512，f2制冷型红外探测器，为了抑制视场外的杂散光进入红外探测器，需要保证孔径光阑与红外探测器的冷光阑重合。
[0060]
本发明的技术方案中，相对于现有技术具备以下优点：
[0061]
只选用主镜11来承担系统的大部分光焦度，在主焦点和主镜11之间设置准直透射进行校正，利用元件的各个参数来消除以上的像差，优化了系统结构，使系统加工、检测和装调都变得简单，同时得到了很好的成像结果。
[0062]
从技术指标、光学工艺、性能要求和价格等角度出发，将望远系统中的主镜11取为球面，易于加工和装调，且成本比非球面降低很多，同时反射面可通过镀膜实现该波段高反射率、无色差、抗热性能好、重量轻的特点。
[0063]
由于多个准直透镜处在会聚光路中，其尺寸比系统口径小得多。而且主镜11没有色差，因此多个准直透镜至少包含两种光学材料进行消色差设计。
[0064]
考虑到系统的消热差设计，两个反射镜14之间的最佳支撑材料为热膨胀系数小的铟钢，透射组件中最佳的镜筒材料、隔圈材料和支撑镜筒材料均为铝，以能达到良好的消热差效果。
[0065]
考虑光学镜片、镜筒结构件的热膨胀系数以及中波红外探测器在高低温下的位移量，对中波面阵扫描光学系统进行消热差设计，从而满足-55℃～+70℃的温度范围。
[0066]
为了能有效减小主镜11的口径和透射镜组的口径，利于系统的轻量化设计要求，将望远镜组1采用一次成像的结构形式，光学系统入瞳位置位于望远系统主镜11的附近；后组系统采用一次成像的结构形式，将后组系统的出瞳与探测器的冷光阑重合，冷光阑效率达到100％，即整个中波面阵扫描系统为三次成像结构形式。
[0067]
望远镜组1出瞳位置与第一成像组3的入瞳位置严格匹配，并将扫描振镜2放在后组系统的入瞳位置处；
[0068]
为减小振镜的尺寸，望远镜组1的出瞳位置位于扫描振镜2附近。扫描振镜2在系统周扫工作状态时，工作频率达到50～100hz，因此要求振镜尺寸小，重量轻。
[0069]
控制扫描振镜2回摆带来的畸变值＜0.5％，保证扫描过程中全视场范围内图像精确配准，保证成像的清晰与稳定。
[0070]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，包括由物方至像方依次设置的望远镜组、扫描振镜、第一成像组和像面，所述扫描振镜与光轴呈夹角设置，所述扫描振镜具有固定状态、以及可活动的回扫状态，所述望远镜组包括主镜和多个透镜；所述折返式中波红外面振扫描光学系统的工作波段为3～5μm，焦距为600mm，f数的范围被设置为2≤f≤5.5。2.如权利要求1所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述扫描振镜与光轴的夹角为45
°
。3.如权利要求1所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述多个透镜由物方至像方依次置于所述主镜后方的第一准直透镜、第二准直透镜、反射镜、第三准直透镜和第四准直透镜，所述反射镜与光轴呈夹角设置，且与所述扫描振镜相对设置，所述主镜朝向所述第一准直透镜的侧面用于接收光线。4.如权利要求3所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述反射镜与光轴的夹角为45
°
。5.如权利要求3所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述主镜为正光焦度的弯月型反射镜，其凹面朝向物方，所述第一准直透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方，所述第二准直透镜为负光焦度的双凸型锗透镜，所述第三准直透镜为负光焦度的弯月型硅透镜，其凹面朝向物方，所述第四准直透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凸面朝向物方。6.如权利要求5所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述主镜采用球面镜片，所述第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜采用非球面镜片。7.如权利要求1所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述第一成像组包括沿由物方至像方依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向像方，所述第二透镜为正光焦度的弯月型锗透镜，其凹面朝向像方，所述第三透镜为正光焦度的弯月型硅透镜，其凸面朝向物方，所述第四透镜为负光焦度的弯月型氟化钙透镜，其凸面朝向像方。8.如权利要求7所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为非球面镜片，所述第四透镜为球面镜面。9.如权利要求7所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜呈紧挨设置。10.如权利要求1所述的折返式中波红外面振扫描光学系统，其特征在于，光线射入所述望远镜组的方向与光线射入像面的方向相同。

技术总结
本发明公开一种折返式中波红外面振扫描光学系统，包括由物方至像方依次设置的望远镜组、扫描振镜、第一成像组和像面，扫描振镜与光轴呈夹角设置，扫描振镜具有固定状态、以及可活动的回扫状态，折返式中波红外面振扫描光学系统的工作波段为3～5μm，焦距为600mm，F数的范围被设置为2≤F≤5.5。来自物方的成像光束依次经过望远镜组变成平行光束，经过扫描振镜转折后，进入第一透镜组内，最后在像面上成像。选用一个主镜来承担系统的大部分光焦度，扫描振镜的设计是为了通过折反式结构实现光学稳像，扫描振镜处于固定状态时，该光学系统处于中波凝视跟踪模式，回扫状态状态时，可应用于中波面阵周扫搜索模式。中波面阵周扫搜索模式。中波面阵周扫搜索模式。


技术研发人员：王美钦 蔡宾 潘海俊
受保护的技术使用者：武汉联一合立技术有限公司
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/20