阅读说明：本技术 一种制冷型大相对孔径离轴四反光学系统 (Refrigeration type large-relative-aperture off-axis four-mirror optical system ) 是由 廖志远 白瑜 操超 陈炳旭 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制冷型大相对孔径离轴四反光学系统,该光学系统沿光线传递方向包括第一平面反射镜(1)、第二平面反射镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、分光平板(5)、第三反射镜(6)、第四反射镜(7)、冷光阑(8)和探测器像面(9)。第二反射镜(4)和第三反射镜(6)具有负的光焦度,第一反射镜(3)和第四反射镜(7)具有正的光焦度。该系统采用制冷型红外探测器,满足100％冷光阑匹配效率；光学系统焦距长,可以实现对较远距离目标进行观测；冷光阑(8)和探测器像面(9)相对于第四反射镜(7)的出射光线同轴使用,系统可以采用同轴杜瓦瓶,成本低；系统通过分光平板(5),可以根据使用需求添加其它探测光路。(The invention discloses a refrigeration type large-relative-aperture off-axis four-mirror optical system which comprises a first plane reflector (1), a second plane reflector (2), a first reflector (3), a second reflector (4), a light splitting flat plate (5), a third reflector (6), a fourth reflector (7), a cold diaphragm (8) and a detector image surface (9) along the light ray transmission direction. The second reflector (4) and the third reflector (6) have negative focal power, and the first reflector (3) and the fourth reflector (7) have positive focal power. The system adopts a refrigeration type infrared detector, and meets the matching efficiency of a 100% cold diaphragm; the optical system has long focal length, and can realize observation of a target at a longer distance; the cold diaphragm (8) and the detector image surface (9) are coaxially used relative to the emergent ray of the fourth reflector (7), and the system can adopt a coaxial Dewar flask, so that the cost is low; the system can add other detection light paths according to the use requirement through the light splitting flat plate (5).)

一种制冷型大相对孔径离轴四反光学系统

技术领域

本发明涉及工作于红外波段的成像光学系统设计领域，特别是一种基于制冷型红外探测器的离轴反射型光学系统设计领域。

背景技术

反射型成像光学系统与透射型光学系统相比，具有无色差、大口径、重量轻和热稳定性好等优点，在空间遥感领域有着广泛的应用。离轴反射型光学系统与同轴反射型光学系统相比，无中心遮拦，能量利用率高。红外成像光学系统是一种被动成像光学系统，具有隐蔽性好，抗干扰能力强和环境适应性好等优点。

制冷型红外探测器与非制冷型红外探测器相比，由于其工作温度较低，具有更高的信噪比和灵敏度。为了减少背景噪声，制冷型红外探测器的杜瓦瓶内部设置了冷光阑,与制冷型红外探测器搭配使用的红外光学系统，需要将光学系统的孔径光阑与探测器冷光阑完全匹配，才能将背景热噪声的影响降至最低，实现最佳的成像性能。

在大相对孔径离轴反射型成像光学系统中，系统孔径光阑与冷光阑匹配较难，设计难度大。目前，国内相关专利较少，在国外的相关专利U.S.Patent 4,265,510、U.S.Patent 4,834,517和U.S.Patent 5,550,672中，基于制冷型红外探测器的离轴反射型成像光学系统中，冷光阑和探测器大都离轴使用，系统需要使用离轴杜瓦瓶，成本高；另外目前基于制冷型红外探测器的离轴反射型光学系统设计，相对孔径较小，没有分光装置，无法添加其它探测光路，用途受限。

发明内容

本发明的目的是为了克服以下问题：现有制冷离轴反射型光学系统冷光阑和探测器像面离轴使用，成本高；相对孔径较小，不利于对较远距离目标进行观测。本发明提出了一种制冷型大相对孔径离轴四反光学系统设计，系统采用同轴杜瓦瓶，成本低；系统相对孔径大，可以对较远距离目标进行观测；系统通过分光平板，可以根据使用需求添加其它探测光路。

本发明采用的技术方案为：一种制冷型大相对孔径离轴四反光学系统，该光学系统包括第一平面反射镜1、第二平面反射镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、分光平板5、第三反射镜6、第四反射镜7、冷光阑8和探测器像面9。

光线从无穷远入射，依次经过第一平面反射镜1、第二平面反射镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、分光平板5、第三反射镜6、第四反射镜7和冷光阑8，最终到达探测器像面9；光学系统采用的是制冷型红外探测器，满足100％冷光阑匹配效率。

第一平面反射镜1其倾斜量数值在20～50度之间；第二平面反射镜2其倾斜量数值在45～85度之间；第一反射镜3具有正的光焦度，其曲率半径在600～800mm之间，其偏轴量数值在20～30mm之间，其倾斜量数值在0～10度之间；第二反射镜4具有负的光焦度，其曲率半径在400～500mm之间，其偏轴量数值在42～68mm之间，其倾斜量数值在0～3度之间；第三反射镜6具有负的光焦度，其半径在260～310mm之间，其偏轴量数值在15～42mm之间，其倾斜量数值在8～16度之间；第四反射镜7具有正的光焦度，其半径在210～280mm之间，其偏轴量数值在-45～-22mm之间，其倾斜量数值在12～21度之间。

第一平面反射镜1其倾斜量数值为37.5度；第二平面反射镜2其倾斜量数值为75度；第一反射镜3具有正的光焦度，其曲率半径为743.36mm，其偏轴量数值为23.2mm，其倾斜量数值为-3.08度；第二反射镜(4)具有负的光焦度，其曲率半径为460.5mm，其偏轴量数值为52mm，其倾斜量数值为0.65度；第三反射镜6具有负的光焦度，其曲率半径为305.94mm，其偏轴量数值为25.92mm，其倾斜量数值为12.89度；第四反射镜7具有正的光焦度，其曲率半径为258.98mm，其偏轴量数值为-31.4mm，其倾斜量数值为17.85度。

第一平面反射镜1和第二平面反射镜2在系统前面用来折叠光路。

第一平面反射镜1用于对探测视场进行二维空间扫描。

在第二反射镜4和第三反射镜6之间存在中间像面可以放置视场光阑，抑制杂散光；在第二反射镜4和第三反射镜6之间有分光平板5，可以根据使用需求添加其它探测光路。

冷光阑和探测器像面相对于第四反射镜7的出射光线同轴使用，光学系统采用同轴杜瓦瓶，降低系统的调试难度和成本。

本发明的优点在于：系统相对孔径大，可以实现对较远距离目标进行观测；冷光阑8和探测器像面9相对于第四反射镜7的出射光线同轴使用，系统可以采用同轴杜瓦瓶，装配难度小、成本低；在第二反射镜4和第三反射镜6之间存在中间像面可以放置视场光阑，抑制杂散光；在第二反射镜4和第三反射镜6之间有分光平板5，可以根据使用需求添加其它探测光路。

附图说明

图1为本发明的光学系统的光学布局图。

图2为本发明的光学系统的光学调制传递函数(MTF)示意图。

图中：第一平面反射镜1，第二平面反射镜2，第一反射镜3、第二反射镜4、分光平板5、第三反射镜6、第四反射镜7、冷光阑8和探测器像面9。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明按图1所示的光路实施，工作波段为7.5-13.0μm，像方焦距为405mm，入瞳口径为160mm，相对口径为1/2.53，视场角为2.4°×1.92°。第一平面反射镜1其倾斜量数值为37.5度；第二平面反射镜2其倾斜量数值为75度；第一反射镜3具有正的光焦度，其曲率半径为743.36mm，其偏轴量数值为23.2mm，其倾斜量数值为-3.08度；第二反射镜4具有负的光焦度，其曲率半径为460.5mm，其偏轴量数值为52mm，其倾斜量数值为0.65度；第三反射镜6具有负的光焦度，其曲率半径为305.94mm，其偏轴量数值为25.92mm，其倾斜量数值为12.89度；第四反射镜7具有正的光焦度，其曲率半径为258.98mm，其偏轴量数值为-31.4mm，其倾斜量数值为17.85度。分光平板5和中间像面在第二反射镜4和第三反射镜6之间，系统满足100％冷光阑效率,冷光阑到像面的距离为45mm。

调制传递函数(MTF)是光学镜头的综合评价指标，从图2可知该系统各个视场的MTF都接近衍射极限，说明该光学系统在全视场范围内成像质量良好。