一种宽光谱离轴四反式光学系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种光学空间检测系统，具体涉及一种宽光谱离轴四反式光学系统。


背景技术：

2.普通光学玻璃几乎无法完全透过可见光、中波红外或长波红外波段。不同的玻璃材料在同一波段具有不同的色散特性，而同一光学玻璃在不同波段也表现出不同的色散能力且差异性较大，使得宽波段色差矫正难度较大。宽光谱光学系统在近些年来得到飞速发展，广泛应用在航空、航天等方面。
3.目前反射系统主要包括两反射、三反射和四反射光学系统等。在实际应用中，两反射光学系统结构相对简单，但自由度较低，矫正轴外像差的能力较弱，三反射和四反射光学系统得到了较多的应用，但其在体积包络受限的前提下，同样存在自由度较低、矫正轴外像差的能力较弱的局限性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决现有二反射、三反射和四反射光学系统存在自由度较低，难以解决高成像质量与小型化之间矛盾的技术问题，而提供一种宽光谱离轴四反式光学系统，其优化了光学系统的自由度，同时减小了宽光谱离轴四反式光学系统的体积，并提高了成像质量。
5.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：
6.一种宽光谱离轴四反式光学系统，其特殊之处在于：包括四反式光学机构，四反式光学机构包括沿光束传播方向依次设置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和焦平面；
7.第一反射镜将入射光束反射后以离轴的方式入射至第二反射镜，第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜对入射光束依次进行反射，第四反射镜将反射光束汇聚至焦平面；
8.第一反射镜的面型为双曲面结构，第二反射镜的面型为椭球面结构，第三反射镜的面型为自由曲面结构，第四反射镜为平面结构。
9.进一步地，所述第一反射镜的曲率半径为r1，且-4000mm≤r1≤-1000mm，其圆锥系数为k1，且-150≤k1≤-10，离轴量为d1，且-40mm≤d1≤-5mm，第一反射镜沿x轴旋转角度为a1，且-40
°
≤a1≤-10
°
；
10.第二反射镜的曲率半径为r2，且-1000mm≤r2≤-400mm，其圆锥系数为k2，且-1≤k2≤0，离轴量为d2，且-100mm≤d2≤-40mm，第二反射镜沿x轴旋转角度为a2，且-30
°
≤a2≤-10
°
；
11.第三反射镜的曲率半径为r3，且-1000mm≤r3≤-300mm，其离轴量为d3，且-250mm≤d3≤-100mm，第二反射镜沿x轴旋转角度为a3，且0
°
≤a3≤10
°
；
12.第四反射镜为平面反射镜，其离轴量为d4，且-25mm≤d4≤-5mm。
13.进一步地，所述第一反射镜与第二反射镜的中心距离为e1，且-300mm≤e1≤-200mm；
14.第二反射镜与第三反射镜的中心距离为e2，且200mm≤e2≤300mm；
15.第三反射镜与第四反射镜的中心距离为e3，且-350mm≤e3≤-250mm；
16.第四反射镜与焦平面的中心距离为e4，且200mm≤e4≤300mm。
17.进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜中的圆锥系数均为圆锥曲面参数，表达式如下：
[0018][0019]
式中，z1为第一反射镜或第二反射镜沿四反式光学机构中心视场的轴线方向在高度为r位置时，沿z轴方向的距离矢高，c表示第一反射镜或第二反射镜的表面顶点曲率，等于第一反射镜或第二反射镜曲率半径r的倒数，即c＝1/r，k为第一反射镜或第二反射镜圆锥系数。
[0020]
进一步地，所述第三反射镜为xy型自由曲面，其xy多项式的表达式如下：
[0021][0022]
式中：z2为自由曲面沿四反式光学机构中心视场的轴线方向在高度为r位置时，沿z轴方向的距离矢高，r为自由曲面的半径，其余c1…c15
为xy多项式中的各项系数，x,y均为自由曲面的面型坐标。
[0023]
进一步地，所述四反式光学机构的焦距与口径比值为4，沿x轴方向水平视场角为-3
°
至 3
°
，沿y轴方向垂直视场角为-3
°
至 3
°
。
[0024]
进一步地，所述四反式光学机构的侦擦光谱范围为0.55um至14um，其焦距为250mm≤f≤400mm。
[0025]
进一步地，所述第一反射镜的曲率半径为-3514.48mm，第一反射镜的中心与第二反射镜的中心距离为-270mm，第一反射镜的圆锥系数为-142.2，离轴量为-6mm，第一反射镜沿x轴旋转角度为-18
°
，第一反射镜的形状大小为140mm
×
140mm；
[0026]
第二反射镜的曲率半径为-622mm，第二反射镜的中心与第三反射镜的中心距离为280mm，第二反射镜的圆锥系数为-0.472，离轴量为-50mm，第二反射镜的沿x轴旋转角度为-14
°
，第二反射镜的形状大小为80mm
×
80mm；
[0027]
第三反射镜的曲率半径为-549.601mm，第三反射镜的中心与第四反射镜的中心距离为-308mm，第三反射镜为xy型自由曲面，离轴量为-200mm，第三反射镜沿x轴旋转角度为2.5
°
，第三反射镜的形状大小为170mm
×
170mm；
[0028]
第四反射镜为平面反射镜，第四反射镜的中心与焦平面的中心距离为262mm，离轴量为-9mm，第四反射镜形状大小为160mm
×
110mm。
[0029]
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
[0030]
本实用新型一种宽光谱离轴四反式光学系统中，采用宽光谱离轴四反式，可实现不同波段的侦察，具有全天候、防伪装和透雾的能力，增加了宽光谱离轴四反式光学系统的
5mm；第四反射镜4的中心与焦平面5的中心距离为200mm≤e4≤300mm。
[0045]
第三反射镜3为xy型自由曲面，其xy多项式的表达式如下：
[0046][0047]
式中：z为自由曲面沿四反式光学机构中心视场的轴线方向在高度为r位置时的距离矢高，r为自由曲面的半径，其余c1…c15
为xy多项式中的各项系数，x,y均为自由曲面的面型坐标。
[0048]
本实施例中，参数的正负号均参照xy坐标系。第一反射镜1的曲率半径为-3514.48mm，第一反射镜1的中心与第二反射镜2的中心距离为-270mm，第一反射镜1的圆锥系数为-142.2，离轴量为-6mm，第一反射镜1沿x轴旋转角度为-18
°
，第一反射镜1的形状大小为140mm
×
140mm。
[0049]
第二反射镜2的曲率半径为-622mm，第二反射镜2的中心与第三反射镜3的中心距离为280mm，第二反射镜2的圆锥系数为-0.472，离轴量为-50mm，第二反射镜2沿x轴旋转角度为-14
°
，第二反射镜2的形状大小为80mm
×
80mm。
[0050]
第三反射镜3的曲率半径为-549.601mm，第三反射镜3的中心与第四反射镜4的中心距离为-308mm，第三反射镜3为xy型自由曲面，离轴量为-200mm，第三反射镜3沿x轴旋转角度为2.5
°
，第三反射镜3的形状大小为170mm
×
170mm。
[0051]
第四反射镜4为平面反射镜，第四反射镜4的中心与焦平面5的中心距离为262mm，离轴量为-9mm，第四反射镜4形状大小为160mm
×
110mm。
[0052]
上述实施例中四反式光学机构的参数如表1所示：
[0053]
表1
[0054]
元件第一反射镜1第二反射镜2第三反射镜3第四反射镜4曲率半径/mm-3514.48-622-549.601infinity间隔/mm-270280-308262圆锥系数-142.2-0.47200
[0055]
其中，第一反射镜1和第二反射镜2中的圆锥系数均为圆锥曲面参数，表达式如下：
[0056][0057]
式中，z1为第一反射镜1或第二反射镜2沿四反式光学机构中心视场的轴线方向在高度为r位置时，沿z轴方向的距离矢高，c表示第一反射镜1或第二反射镜2的表面顶点曲率，等于第一反射镜1或第二反射镜2曲率半径r的倒数，即c＝1/r，k为第一反射镜1或第二反射镜2圆锥系数。
[0058]
第三反射镜3为xy型自由曲面，其xy多项式的表达式如下：
[0059][0060]
式中：z2为自由曲面沿四反式光学机构中心视场的轴线方向在高度为r位置时，沿z轴方向的距离矢高，r为自由曲面的半径，其余c1…c15
为xy多项式中的各项系数，x,y均为自由曲面的面型坐标。
[0061]
第三反射镜3的xy多项式中各项系数的值，如表2所示：
[0062]
表2
[0063][0064][0065]
如图2所示，mtf在30lp/mm接近衍射极限，成像质量良好。另外，场曲和畸变分别反映了轴外光束像差和主光线像差，从图中可以看出，各个波段的像差得到了很好的校正。其中mtf表示各种不同频率的正弦强度分布经光学系统成像后，其对比度的衰减程度。
[0066]
如图3、图4所示，可以看出本实施例的场曲小于0.2mm，畸变小于2％，均得到较好的矫正。