一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统的制作方法

本发明公开了一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，主要用于红外探测器领域，涉及光学镜头与光学设计领域，特别涉及一种红外探测系统。

背景技术：

1、近年来，红外探测技术不断进行更新迭代，各种光学系统不断飞速发展，反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点，因此被广泛应用于红外探测等领域，目前红外探测领域中，光学系统主要有同轴反射式和离轴反射等几种类型，市面上大多都是基于离轴三反或者离轴四反系统的红外探测器，存在着系统体积大，宽视场像散以及场曲难以矫正，像差平衡能力会受到限制，成像质量不高等一系列问题，针对这些这一系列问题，本发明设计了一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统，该系统很好的解决了像差难以平衡，体积大难装配，成像质量不高等问题，为红外探测领域提供了一种更好的技术支持。

2、近年来，我国的的工业化能力得到显著提高，非球面加工技术不断进步，离轴四反系统的应用也更加广泛，离轴系统所采用的光学元件更多的是非球面。如公开号为cn106646839a，专利名称为深紫外谱段离轴四反光学成像系统的中国专利，采用了非球面设计。传统的离轴四反系统通常采用四片反射镜设计，存在整个系统体积大，难装调，以及像差难以平衡等问题。

3、传统球面的反射镜，会使反射系统的结构设计复杂，难于降低体积质量，并且像差难以校正。相比传统球面，非球面系统使初级球差、慧差和像散可得到校正。传统非球面的面型具有旋转对称性（轴对称），子午和弧矢方向的曲率半径并不相互独立，使得在宽视场像散和场曲难以校正，并且像差平衡能力收到限制，难以满足成像质量要求。

技术实现思路

1、为了解决现在现有离轴系统的光学元件采用四片反射镜设计，存在整个红外探测器系统体积大，难装调，以及采用轴对称非球面，存在宽视场像散何场曲像差难以校正，其像差平衡能力受到限制，难以满足成像质量要求的问题。本发明提供一种基于自由曲面的离轴四反红外探测光学系统，可以实现的很好的成像质量。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

3、一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，所述光学系统采用离轴系统式反射结构，所述光学系统包括主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4；四个反射镜之间在空间上排列成“w”形状，主反射镜1与第三反射镜3相对距离x满足85.59mm<x<91.24mm，次级反射镜2与第四反射镜4相对距离x满足61.85mm<x<65.00mm；

4、红外波段的光线先后通过主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3以及第四反射镜4，经过所述光学系统后，红外波段的光线汇聚到像面，像面尺寸大小为10mm×10mm，最大半视场角为2°×2°，所述光学系统满足关系式：0.03<ttl/f<0.12；其中，ttl为所述光学系主反射镜1的物侧面到所述光学系统第四反射镜4像侧面在光轴上的距离，f为所述光学系统的焦距；

5、进一步的，所述光学系统还满足关系式：278.86mm<ttl/tan(hfov)<946.28mm；其中，hfov为所述光学系统的最大视场角的一半，tan(hfov)为hfov的正切值。

6、进一步的，所述光学系统满足以下关系式：571.43mm<d/tan(hfov)<1367.43mm；

7、其中，d为所述主反射镜1的物侧面的最大有效半口径，hfov为所述光学系统的最大视场角的一半，tan(hfov)为hfov的正切值。

8、进一步的，所述主反射镜1、次级反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4使用自由曲面zernike非球面进行设计优化，采用全局倾斜偏心的方式进行排列，装调所述光学系统时按照空间上的相对位置进行排列摆放。

9、进一步的，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行优化，所述反射镜的透镜半径m满足：9.17mm<m<46.3mm。

10、与传统的旋转对称球面和非球面相比，自由曲面具有极大的设计自由度，光学面型可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成,像差平衡和校正能力强,同时随着加工工艺和装调技术不断发展,使得此类系统应用成为未来发展趋势,自由曲面不仅能够最大程度上的简化系统结构。实现集成化，还能最大限度的提高和改善系统性能。因此，本发明设计采用更高性能的自由曲面，zernike自由曲面，增加整个系统设计的自由度，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使得红外探测器系统在装配上能够更简易方便，并且在成像质量能够得到大幅提升。

11、与现有技术相比，本发明的优点是：

12、(1)本发明光学系统采用基于自由曲面的四片式反射镜设计而成的红外探测器，体积小，可降低装调难度，并且可以减少系统体积，降低成本，主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4均采用zernike面，可以校正宽视场的像差，提升整个系统的成像质量。

13、(2)本发明达到的系统参数：系统焦距达到260mm以上，f数达到6.5，系统总长最小达到9.76mm，系统的视场角达到2°×2°，系统的mtf能在50lp/mm达到0.48以上。

技术特征：

1.一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统，其特征在于，所述光学系统采用离轴系统式反射结构，所述光学系统包括主反射镜（1）、次级反射镜（2）、第三反射镜（3）、第四反射镜（4）；四个反射镜之间在空间上排列成“w”形状，主反射镜（1）与第三反射镜（3）相对距离x满足85.59mm<x<91.24mm，次级反射镜（2）与第四反射镜（4）相对距离x满足61.85mm<x<65.00mm；

2.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系式：

3.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，所述主反射镜（1）、次级反射镜（2）、第三反射镜（3）、第四反射镜（4）使用自由曲面zernike非球面进行设计优化。

4.根据权利要求1所述光学系统，其特征在于，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行优化，所述反射镜的透镜半径m满足：9.17mm<m<46.3mm。

技术总结
本发明涉及一种基于自由曲面离轴四反的红外探测光学系统探测技术领域.本发明提供的光学系统包含主反射镜1，次级反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4，采用更高性能的自由曲面，Zernike自由曲面，能够简化系统结构，实现集成化，能够有效补偿和校正系统的离轴像差，最大限度的提高和改善系统性能，可以实现很好的成像质量。

技术研发人员：刘祥彪,杨愿,梁薇
受保护的技术使用者：武汉二元科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15