一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统
阅读说明：本技术 一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统 (Long-focus large-view-field miniaturized active athermal optical system ) 是由 武春风 王晓丹 吴丰阳 江颖 董理治 王勋 马社 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统,包括卡塞格林反射主镜、反射次镜、场镜、准直镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第一成像镜组、第三折叠镜、第二成像镜组、第四折叠镜、成像透镜和探测器焦平面；卡塞格林反射主镜与反射次镜组成卡塞成像系统,在所述卡塞格林反射主镜与反射次镜之间设有所述场镜,所述场镜用于压缩准直镜的视场角和校正成像系统的场曲；所述准直镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第一成像镜组、第三折叠镜、第二成像镜组、第四折叠镜、成像透镜和探测器焦平面依次光路连接。本发明能够在较宽的温度范围工作,减小系统的成本,同时利用转折镜优化了系统的空间结构,实现小型化等。(The invention discloses a miniaturized active athermal optical system with a long focal length and a large visual field, which comprises a Cassegrain reflecting primary mirror, a secondary reflecting mirror, a field lens, a collimating mirror, a first folding mirror, a second folding mirror, a first imaging lens group, a third folding mirror, a second imaging lens group, a fourth folding mirror, an imaging lens and a detector focal plane, wherein the Cassegrain reflecting primary mirror is used for reflecting heat; the Cassegrain primary reflector and the secondary reflector form a Cassegrain imaging system, and the field lens is arranged between the Cassegrain primary reflector and the secondary reflector and used for compressing the field angle of the collimating lens and correcting the field curvature of the imaging system; the collimating lens, the first folding lens, the second folding lens, the first imaging lens group, the third folding lens, the second imaging lens group, the fourth folding lens, the imaging lens and the focal plane of the detector are sequentially connected through a light path. The invention can work in a wider temperature range, reduces the cost of the system, simultaneously optimizes the space structure of the system by utilizing the turning mirror, realizes miniaturization and the like.)
技术领域
本发明涉及光电跟瞄成像技术领域，更为具体的，涉及一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统。
背景技术
光束控制与跟踪瞄准装备(简称ATP)是激光定向能武器和多功能激光战车的重要组成部分，其目的是通过光电成像探头实现对目标的跟踪，再将跟踪的目标通过精跟踪成像，实现对目标的多级稳定成像跟踪。现有技术存在如下缺点：焦距短，视场小，体积大，热差严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统，能够在较宽的温度范围工作，不仅利用了卡塞长焦距的功能，又利用了场镜压缩视场角减小光学成像镜片的尺寸，减小系统的成本，同时利用转折镜优化了系统的空间结构，实现小型化等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统，包括卡塞格林反射主镜、反射次镜、场镜、准直镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第一成像镜组、第三折叠镜、第二成像镜组、第四折叠镜、成像透镜和探测器焦平面；所述卡塞格林反射主镜与反射次镜组成卡塞成像系统，在所述卡塞格林反射主镜与反射次镜之间设有所述场镜，所述场镜用于压缩准直镜的视场角和校正成像系统的场曲；所述准直镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第一成像镜组、第三折叠镜、第二成像镜组、第四折叠镜、成像透镜和探测器焦平面依次光路连接。
进一步地，所述场镜为弯月型的负透镜。
进一步地，所述卡塞格林反射主镜为非球面镜，采用反射式成像。
进一步地，所述第一折叠镜、第二折叠镜、第一成像镜组、第三折叠镜、第二成像镜组、第四折叠镜、成像透镜和探测器焦平面均为球面镜。
进一步地，用于激光定向能装备的粗跟踪系统，配合一个10倍的光学变焦系统，光学系统焦距为100mm至1000mm，能够对20Km的目标成像跟踪。
进一步地，所述反射次镜为非球面镜，采用反射式成像。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例的光学系统入瞳孔径为250mm，焦距为1400mm，视场为7.2mrad×7.2mrad，能够在较宽的温度范围工作，具有高的光学系统分辨率，具备能够探测超远距离的目标。
本发明实施例可以实现宽的温范围工作。
本发明实施例既利用了卡塞长焦距的功能，又利用了场镜压缩视场角减小光学成像镜片的尺寸，减小系统的成本，又利用了转折镜优化了系统的空间结构实现小型化。
本发明系统紧凑、成本低，易于实现。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个光学系统总图；
图2是本发明光学成像展开图；
图3是本发明光学成像折叠图；
图4是本发明实施的光束跟踪系统机架；
图5是本发明的-30℃光学系统点列图；
图6是本发明的-30℃光学系统MTF图；
图7是本发明的20℃光学系统点列图；
图8是本发明的20℃光学系统MTF图；
图9是本发明的50℃光学系统点列图；
图10是本发明的50℃光学系统MTF图；
表1为本发明实施的光学系统数据图；
图中，1-卡塞格林反射主镜；2-反射次镜；3-场镜；4-准直镜；5-第一折叠镜；6-第二折叠镜；7-第一成像镜组；8-第三折叠镜；9-第二成像镜组；10-第四折叠镜；11-成像透镜；12探测器焦平面；A-粗跟踪光学系统。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～图10所示，一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统，包括卡塞格林反射主镜1、反射次镜2、场镜3、准直镜4、第一折叠镜5、第二折叠镜6、第一成像镜组7、第三折叠镜8、第二成像镜组9、第四折叠镜10、成像透镜11和探测器焦平面12；卡塞格林反射主镜1与反射次镜2组成卡塞成像系统，在卡塞格林反射主镜1与反射次镜2之间设有场镜3，场镜3用于压缩准直镜4的视场角和校正成像系统的场曲；准直镜4、第一折叠镜5、第二折叠镜6、第一成像镜组7、第三折叠镜8、第二成像镜组9、第四折叠镜10、成像透镜11和探测器焦平面12依次光路连接。
在可选的实施方式中，场镜3为弯月型的负透镜。
在可选的实施方式中，卡塞格林反射主镜1为非球面镜，采用反射式成像。
在可选的实施方式中，第一折叠镜5、第二折叠镜6、第一成像镜组7、第三折叠镜8、第二成像镜组9、第四折叠镜10、成像透镜11和探测器焦平面12均为球面镜。
在可选的实施方式中，用于激光定向能装备的粗跟踪系统，配合一个10倍的光学变焦系统，光学系统焦距为100mm至1000mm能够对20Km的目标成像跟踪。
在可选的实施方式中，反射次镜2为非球面镜，采用反射式成像。
本发明的一种长焦距大视场小型化主动消热差的光学系统，是由卡塞格林系统、场镜、准直系统、转折镜和成像系统构成。
本发明的具体工作原理为：
本发明实施例的光学系统可以用在光束跟踪控制系统中，如图4所示。通过光电跟瞄转台实现对目标的远距离成像稳定初跟踪，再配合一个10倍的初跟踪可见光、近红外的粗跟踪系统，焦距100mm至1000mm，可以实现对小目标及其他大目标的20Km的探测距离。
本发明实施例利用卡塞格林系统、场镜、准直系统、转折镜和成像系统，实现了一种长焦距大视场小型化的成像光学系统。卡塞格林系统为主、次镜，遮拦比为十分之一，主、次镜都为反射式结构。场镜用于消除系统的场曲和像散，并减小像方的视场角，消除部分渐晕。准直系统用于平衡系统的像差，减小成像系统的尺寸，卡塞系统一次成像后，与成像系统二次成像。本发明实施例的探测器为常规探测器，分辨率为2000mm×2000mm，像元大小为5.5um。表1为该光学系统的材料图，从表1中可知道光学系统的材料、厚度、曲率等相关的参数。
表1光学系统光学参数
序号
材料
曲率半径/mm
厚度/mm
1
Mirror
-290.22
-120.00
2
Mirror
-84.07
60.00
3
ZNS
-10.57
25.00
4
-19.75
58.00
5
CAF
-75.92
3.00
6
40.78
0.20
7
BAF
26.92
7.63
8
-43.54
72.00
9
IGN102
28.61
7.08
10
72.86
3.00
11
SF3
88.75
5.00
12
26.69
9.45
13
SK16
-20.93
5.00
14
-36.13
3.00
16
H-ZF52
-58.36
3.50
17
-36.04
50.00
18
IRGN6
-25.06
5.63
19
-28.60
2.34
20
H-ZK21
556.07
8.00
21
-164.34
15.00
22
H-ZK72A
36.88
8.00
23
31.29
70.00
24
LF5HTI
53.34
0.00
25
-19678.36
8.00
图2和图3为本发明实施例系统的结构图，图2为本发明实施例系统的展开图，图3为本发明实施例系统的折叠图，通过转折镜可以优化该光学系统的空间，使得系统的结构小型化、工程化。
从图4～图10为该光学系统不同稳定下的光斑点列图和MTF曲线图，在-30℃和+50℃下，光学系统的点列图和MTF曲线都控制的很好。
该光学系统的其他参数为孔径光阑在主镜上，系统的焦距为1400mm，F数为7，波段为0.4um到0.86um，空间分辨率1.76ruad。
图中4，A表示粗跟踪光学系统。
光学系统在不同的温度下，光学系统的成像质量不一样，通过将热离焦设为初级像差的判据，且系统的结构采用铝，在成像系统中，选择折射率随温度变化量较小，阿贝数较小的材料和折射率随温度变化较大，阿贝数较大的材料来相互校正系统的热离焦和色差。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。