CN103293666A - 次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，该系统包括由一个非球面主镜、一个曲率半径可变的球面次镜、一个曲率半径可变的非球面第三反射境和一个非球面第四反射镜组成的共轴四反射镜主动变焦成像系统与探测像面。本系统是通过曲率半径可变的球面次镜和曲率半径可变的非球面第三反射镜，实现变焦比为3的焦距变化，同时保持像面稳定，为了有利于系统像差校正，孔径光阑位于非球面主镜上。本发明系统属于光学仪器技术领域，以系统中两个反射镜光焦度的变化代替传统变焦系统中光学元件的移动，而实现系统变焦，结构简单，从而避免机械变焦过程中控制准确性与控制难度的问题，具有更好的控制灵活性。

Description

次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，特别适用于星载空间高精度测绘、搜索等领域。
背景技术
次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统与传统的变焦系统相比，一方面，共轴反射式成像系统，可以实现无色差像质，且具有长焦距、大口径、结构简单、重量轻等优点，能够对远距离物体进行清晰成像，在对地高精度观测、搜索等技术领域，具有重要的应用价值；另一方面，主动变焦系统，是通过系统中某个或某几个光学元件的面形变化进行系统变焦，不需要改变光学器件之间的间距，从而减少了移动光学元件的机械结构部分，大大减少了变焦系统的体积，所以系统具有结构紧凑、控制灵活的特点。
国内与本发明相似的技术为一篇硕士学位论文“基于主动光学的空间变焦成像技术研究”，文章针对基于主动光学的空间变焦成像的相关技术进行探索和研究，并设计了新四反射式主动变焦光学系统，该系统可以在整个视场内的任意小区域进行变焦，只对感兴趣的区域变焦获得清晰成像，但是该系统的次镜对主镜及第三个反射镜对第四个反射镜的遮拦明显较大。如图1所示，新四反射式主动变焦光学系统，四个反射面均为二次曲面，系统中次镜和第三个反射镜是两个曲率半径可变的变形镜，该系统不变焦时，成像质量接近衍射极限，当在对各视场分别变焦时，系统成像质量明显下降，特别是对边缘视场进行变焦时，像质下降更为明显。
本发明设计是一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，是一种全反射式的变焦成像系统。系统在设计过程中，考虑到传统折射式机械变焦系统的像差校正及光学元件移动时机械结构部分设计的困难，结合主动光学理论，选择了主动变焦的方式，采用了共轴的四个反射镜，其中，次镜和第三个反射镜的曲率半径是可变的，完成了次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统的设计。本设计系统是一个由四个反射镜组成的全反射式光学系统，四个反射镜中次镜是一个球面镜，其余三个反射镜是非球面镜，使得系统具有更多的自由变量来校正系统像差，可以实现变焦过程中，各视场保持清晰成像，成像质量接近衍射极限，从而避免了两反射镜系统和三反射镜系统因自由度少而面临的像差校正困难的问题。本系统的主动变焦方式，采用的是系统中次镜和第三反射境的曲率半径的变化，实现系统的不同焦距和像面位置稳定。两个反射镜的背面布有适量压电陶瓷促动器，根据系统变焦的需要，通过电压控制压电陶瓷的变形，从而促动反射镜形状的变化，实现反射镜曲率半径的变化，这种变焦方式与机械变焦方式相比，具有相对的控制灵活性。但是，目前共轴反射式成像系统仍存在很多问题，例如，共轴反射式系统的视场小，光线遮拦大，加工装调较难，实用性较低，而且主动变焦系统的研究也刚刚处于初始阶段，还存在着一定的适用性问题，正吸引更多的科技工作人员进一步深入的研究。
发明内容
本发明的目的是探索新型的反射式主动变焦成像系统，解决现有的透射式机械变焦系统像差校正和移动元件机械结构部分设计的技术问题，提出一种新的次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统。
本发明解决技术问题的具体技术方案是：
如图2，次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统包括：光焦度为正的非球面主镜（1）、曲率半径可变的球面次镜（2）、曲率半径可变的非球面反射镜（3），非球面反射镜（4）和探测器像面（5）；各光学元件，沿光线传播方向，如图2所示，依次排列。
其中，光焦度为负的非球面主镜（1）与曲率半径可变的球面次镜（2）组成一个两镜系统，而曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组合形成一个两镜系统，两个两镜系统对称式地排布，组成次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统。
具体设计原理如下：
1.平行光线入射到光焦度为正的非球面主镜（1）后得到会聚光束，会聚光线通过曲率半径可变的球面次镜（2）,得到一次成像的像面，所得的像再经过曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组成的两镜系统，最终成像在系统的像面上。
2.为了实现系统的主动变焦，根据系统焦距变化时需要曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）的变化量，确定控制曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）两个反射镜背面压电陶瓷促动器的电压值，并施以相应的电压控制促动器使曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）变形，实现焦距的变化。
3．为了提高系统的成像质量，光焦度为正的非球面主镜（1）、曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）均采用了二阶、四阶系数的非球面，使系统具有了更多的自由变量来校正系统像差。
4．主动变焦系统的四个反射镜的球心共轴，相对于离轴反射系统，降低了系统的加工、装调难度。
本发明具有以下显著优点：本发明采用了改变系统中光学器件本身的光学特性的方法，实现系统的主动变焦。通过曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）两个反射镜曲率半径的变化，实现系统不需要光学元件的移动就可以进行焦距的变化和保持像面的稳定。本发明的次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦系统不需要机械变焦实现变焦的凸轮系统，也不需要有多个透镜组成的多个透镜组，只需要两个固定的反射镜和两个背面布有适量压电陶瓷促动器的曲率半径可变的反射镜，因此，可以克服传统的多个透镜组合的变焦系统机械部分部件繁多、操作复杂、变焦速度慢、重量大及加工成本高等缺点，特别适用于对高速运动目标捕捉、追踪的空间信息获取领域、小卫星、无人机及高精度智能导弹等微小载荷平台。
附图说明
图1是文章“基于主动光学的空间变焦成像技术研究”中的新四反射式主动变焦光学系统结构图。
图2是本发明的次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：
如图1所示，次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统包括：光焦度为正的非球面主镜（1）、曲率半径可变的球面次镜（2）、曲率半径可变的非球面反射镜（3），非球面反射镜（4）和探测器像面（5）；在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列。
首先，远处目标物体发出的平行光线经光焦度为正的非球面主镜（1）后得到会聚光束，为了提高系统像面接收的光能量，要控制会聚光束在曲率半径可变的球面次镜（2）上的入射高度；再次，光线通过曲率半径可变的球面次镜（2）,进行一次成像，考虑到光线由曲率半径可变的球面次镜（2）反射后的光线追击问题，需要将光焦度为正的非球面主镜（1）中间进行开孔，开孔大小是受到限制的，所以将系统的一次像面控制在光焦度为正的非球面主镜（1）位置附近，同时，为了便于系统变焦过程中控制像面位置的稳定，将一次像面尽量控制在曲率半径可变的非球面反射镜（3）的焦平面附近或者与曲率半径可变的非球面反射镜（3）的焦平面距离较小的位置；最后，考虑到同光焦度为正的非球面主镜（1）一样的中间开孔问题，将非球面反射镜（4）位于与光焦度为正的非球面主镜（1）距离较小的位置。
系统的孔径光阑位于光焦度为正的非球面主镜（1）上，可以校正系统的轴向球差。光焦度为正的非球面主镜（1）作为主动变焦系统的前固定组，曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）作为中间的变倍组和补偿组，非球面反射镜（4）作为后固定组。在系统变焦过程中，光焦度为正的非球面主镜（1）和非球面反射镜（4）的曲率半径保持不变，曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）则通过背面由电压控制的压电陶瓷促动器改变自身的面形，改变自身的光焦度，从而实现系统一定的变焦比。
曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）作为系统主动变焦的部分，如果系统变焦比较小，需要的形变量较小时，二者可以是自身面形可变的变形镜，通过改变自身面形达到自身光学特性变化的目的。但是，目前变形镜的形变量相对较小，如果系统变焦比较大，需要曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）的形变量较大时，无法使用现有变形镜产品，此时，就需要考虑通过拼接镜或者其他更好的方案来实现两个反射镜曲率半径的变化。

Claims (3)

1.本发明的一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，其特征在于：包括光焦度为正的非球面主镜（1）、曲率半径可变的球面次镜（2）、曲率半径可变的非球面反射镜（3）、非球面反射镜（4）和探测器像面（5）；在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列。
2.根据权利要求1所述的一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，其特征在于：系统在变焦过程中，光焦度为正的非球面主镜（1）是固定不变的，作为变焦系统的前固定组，曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）的光焦度都是变化的，作为变焦系统的变倍组和补偿组，非球面反射镜（4）与光焦度为负的非球面主镜一样是固定不变的，作为变焦系统的后固定组。
3.根据权利要求书1或2所述的一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，其特征在于：
1）、本发明采用的四个反射镜，包括一个球面反射镜与三个非球面反射镜，采用光焦度为正的非球面主镜（1），对入射的光线进行会聚，会聚光线再经曲率半径可变的球面次镜（2）后，实现系统的一次成像。光焦度为负的非球面主镜（1）与曲率半径可变的球面次镜（2）组成一个次镜为球面的两镜系统；
2）、为了实现主动变焦系统一定的变焦比，使系统在不同焦距时，保持像面稳定，提高系统的成像质量，系统中又加入了曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）。曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组合形成一个两镜系统，从而使主动变焦系统有了更多的自由变量来校正光学像差，实现不同焦距系统的较高成像质量；
3）、本发明系统的四个反射镜中，光焦度为负的非球面主镜（1）与曲率半径可变的球面次镜（2）组合形成一个两镜系统，曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组合形成一个两镜系统，两个两镜系统组成一个对称的结构形式，且为球心共轴系统，可以降低系统加工装调成本；
4）、为了合理结构安排，在系统对称式的结构中，将曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组合形成两镜系统中的非球面反射镜（4）安排在距离光焦度为负的非球面主镜（1）很近的位置，使系统结构紧凑。
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