CN103472570A - 满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，属于自适应光学、主动光学及大口径望远镜波前探测领域。解决现有技术中哈特曼传感器准直镜头无法满足快速、频繁切换的要求的技术问题。满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，该变焦准直镜头由变倍镜组和补偿镜组组成；是通过凸轮机构带动所述变倍镜组和补偿镜组沿光轴方向移动，使准直镜头的焦距连续变化，并保持出射光束始终准直；所述的变倍镜组和补偿镜组都是由一片双胶合透镜组成。本发明变焦准直镜头克服了哈特曼传感器准直镜头焦距固定对传感器性能唯一性的限制，采用简单、易调整的光学系统及相应机构，实现了准直镜头焦距的切换，以适应不同条件和性能需求的波前测量。

Description

满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头

技术领域

本发明属于自适应光学、主动光学及大口径望远镜波前探测领域，具体涉及一种满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种通过测量波前斜率来获得波前的相位信息光学测量设备，由于其环境适应性好、实时测量、可以直接利用星光等目标光源进行测量等特点，在主动光学、自适应光学、大口径望远镜检测等领域具有重要应用。作为哈特曼波前探测中继光学系统中的一部分，准直镜头的作用包括：（1）使光束准直；（2）使被测光束口径满足传感器空间采样频率要求；（3）实现光瞳匹配，将望远镜光瞳像成到传感器的微透镜上。同时准直镜头的焦距对传感器动态范围、灵敏度都有直接的影响。

在自适应光学、主动光学等领域中，根据目标星等、天光背景及使用条件的不同，对所需的哈特曼传感器性能会有不同的要求。例如在目标星等较低、背景噪声较强的条件下，需要降低传感器的采样频率以增加其探测能力；而在目标星等较高时则需要尽量增加采样率，以提高测量精度；在系统大气扰动剧烈或者系统自身像差较大时，需要增大传感器的动态范围，提高相机帧频；而在需要精确测量时则要提高传感器的灵敏度。

传统的准直镜头往往是根据一种要求设计的，具有固定焦距，这种情况下传感器的空间采样频率、动态范围、灵敏度等性能都是唯一的。如果通过更换准直镜头的方法，不但要在机上进行安装调试，而且为了满足光瞳匹配的要求，传感器还需要进行光轴方向的整体平移，显然无法满足快速、频繁切换的要求，尤其在执行观测任务中进行切换更是无法实现。

发明内容

本发明为解决现有技术中哈特曼传感器准直镜头无法满足快速、频繁切换的要求的技术问题，提供一种通过简单、易调整的光学系统及相应机构实现准直镜头焦距的切换，以适应不同条件和性能需求波前测量的、满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，该准直镜头由变倍镜组和补偿镜组组成；所述变倍镜组和补偿镜组可通过沿光轴方向移动，使准直镜头的焦距连续变化，并保持出射光束始终准直；所述的变倍镜组和补偿镜组分别由一片双胶合透镜组成。

在上述技术方案中，是通过凸轮机构带动变倍镜组和补偿镜组透镜沿光轴方向移动；所述凸轮机构包括：导向筒、滚珠、变倍镜座、镜组紧定螺钉、凸轮转筒、导向轴承、补偿导向轴、预紧紧定螺钉、预紧滑块、驱动齿轮、驱动电机、补偿镜座和变倍导向轴；

所述驱动齿轮随驱动电机一起转动，通过驱动齿轮传动，凸轮转筒在滚珠的作用下绕导向筒中心轴转动；

所述变倍导向轴和补偿导向轴各有2个导向轴承，分别位于凸轮转筒和导向筒的凸轮槽内；随着凸轮转筒的转动，变倍导向轴和补偿导向轴将沿凸轮转筒的凸轮槽移动；而同时在导向筒的凸轮槽作用下，变倍导向轴和补偿导向轴只能沿轴向移动；

所述变倍镜座与变倍导向轴固连，变倍镜组通过镜组紧定螺钉固定在变倍镜座内；所述补偿镜座与补偿导向轴固连，补偿镜组通过镜组紧定螺钉固定在补偿镜座内；所述变倍镜组和补偿镜组将按设计好的凸轮转筒上的凸轮曲线沿光轴方向移动，实现准直透镜的焦距连续变化；

所述预紧滑块用于预紧滚珠，使凸轮转筒、滚珠、导向筒组成回转轴系，凸轮滚筒能够绕导向筒中心轴旋转；所述预紧紧定螺钉用于固定预紧滑块。

在上述技术方案中，所述变焦准直镜头物方数值口径NA=0.05455；所需焦距f=20～13.33mm、具有1.5倍变化；出射光束口径为D_exp=2.2mm～1.45mm，形成2.25倍的空间采样频率变化。

在上述技术方案中，所述双胶合透镜的负光焦度元件均采用高折射率的火石玻璃ZF7，正光焦度元件均采用冕牌玻璃ZK1，所述两元件单独校正轴向色差。

在上述技术方案中，在变倍过程中，变倍镜组与第一像面始终留有一定距离。

在上述技术方案中，所述准直镜头焦距的变化，哈特曼传感器相机靶面上的形成的点斑区域面积具有小于等于4倍的变化，可以通过相机开窗方式改变相机的采集帧频。

本发明的优点是：

本发明提供的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，克服了哈特曼传感器准直镜头焦距固定对传感器性能唯一性的限制，采用简单、易调整的光学系统及相应机构，实现了准直镜头焦距的切换，以适应不同条件和性能需求的波前测量。

本发明提供的变焦准直镜头变焦过程中，出射光束始终为平行光，并在一定的视场内具有接近衍射极限的成像质量；在长、短两个焦距位置，光瞳匹配到微透镜上；并从前面光学系统形成像面与镜头之间留出足够的空间，以方便对准直镜头和传感器系统进行标定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明高斯光学系统图；

图2为实例望远镜波前探测光路图；

图3为变焦准直透镜设计光路图；

图4为变倍补偿曲线；

图5为变倍过程中系统出瞳位置偏移量；

图6为长短焦距位置系统像差曲线；

图7为长短焦距位置系统传递函数曲线；

图8为长短焦距位置系统点列图；

图9为本发明的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头结构示意图；

图10为凸轮转筒的结构示意图；

图11为导向筒的结构示意图。

图中的附图标记表示为：

1-导向筒；2-滚珠；3-变倍镜座；4-镜组紧定螺钉；5-变倍镜组；6-凸轮筒；7-导向轴承；8-补偿导向轴；9-预紧紧定螺钉；10-预紧滑块；11-驱动齿轮；12-驱动电机；13-补偿镜组；14-补偿镜座；15-变倍导向轴。

具体实施方式

本发明的发明思想为：采用两组元变焦系统，通过高斯光学计算，确定满足倍率、光瞳匹配要求组元参数，再通过优化确定各组元的结构，进行像差校正以确定光学方案；最后通过结构设计，采用电机带动凸轮机构实现变倍镜组的线性运动和补偿镜组的非线性运动，通过接口与哈特曼其他组件相连接。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

如图9-11，一种满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，该准直镜头由变倍镜组5和补偿镜组13组成；所述变倍镜组5和补偿镜组13可通过沿光轴方向移动，使准直镜头的焦距连续变化，并保持出射光束始终准直；所述的变倍镜组5和补偿镜组13分别由一片双胶合透镜组成。通过凸轮机构带动变倍镜组5和补偿镜组13透镜沿光轴方向移动；所述凸轮机构包括：导向筒1、滚珠2、变倍镜座3、镜组紧定螺钉4、凸轮转筒6、导向轴承7、补偿导向轴8、预紧紧定螺钉9、预紧滑块10、驱动齿轮11、驱动电机12、补偿镜座14和变倍导向轴15。

变焦准直镜头的运行原理为：驱动齿轮11随驱动电机12一起转动，通过齿轮传动，凸轮转筒6在滚珠2的作用下绕导向筒1中心轴转动；变倍导向轴15和补偿导向轴8各有2个导向轴承7分别位于凸轮转筒6和导向筒1的凸轮槽内，随着凸轮转筒6的转动，变倍导向轴15和补偿导向轴8将沿凸轮转筒6的凸轮槽移动；而同时在导向筒1的凸轮槽作用下，变倍导向轴15和补偿导向轴8只能沿轴向移动；变倍镜座3与变倍导向轴15固连，变倍镜组5通过镜组紧定螺钉4固定在变倍镜座3内；补偿镜座14与补偿导向轴8固连，补偿镜组13通过镜组紧定螺钉固定在补偿镜座14内；所以变倍镜组5和补偿镜组13将按设计好的凸轮转筒6上的凸轮曲线沿光轴方向移动，实现准直透镜的焦距连续变化。

预紧滑块10的作用是预紧滚珠2，使凸轮转筒6、滚珠2、导向筒1组成回转轴系，凸轮滚筒6能够绕导向筒1中心轴旋转，预紧紧定螺钉9用来固定预紧滑块10。

如图1所示，设变倍镜组L_BB的焦距为f₁，补偿镜组L_BC焦距为f₂，第一像面（Img1）与L_BB距离l₁，其经过L_BB所成的像距离L_BB为l₁’；前面系统出瞳(即准直系统的入瞳)与L_BB距离L₁，其经过L_BB所成的像距离L_BB为L₁’，距离L_BC为L₂；L_BB与L_BC距离为d，L_BC与准直系统出瞳(微透镜位置)距离为L₂’；β₁为变倍镜组L_BB对像面的线放大率，β_{pupil_1}为变倍镜组L_BB对光瞳的线放大率，β_{pupil_2}为补偿镜组L_BC对光瞳的线放大率。

为实现焦距连续变化，L_BB移动x，L_BC应相应地移动为y，移动后各量通过“*”标注，系统变倍比为Γ。

则列出下面方程组：

(1)为满足物平面和像平面共轭：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{l_1}^{\′}=\frac{f_1\·l_1}{f_1+l_1}\\ {l_1}^{\′}+d=f_2\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{l_1}^{*}={l_1}^{*}+x\\ {l_1}^{*\′}=\frac{f_1\·{l_1}^{*}}{f_1+{l_1}^{*}}\\ {l_1}^{*\′}+d^{*}=f_2\end{array}\right.\end{array}$

(2)为满足光瞳匹配要求：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{L_1}^{\′}=\frac{f_1\·L_1}{f_1+L_1}\\ L_2={L_1}^{\′}-d\\ {L_2}^{\′}=\frac{f_2\·L_2}{f_2+L_2}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{L_1}^{*}=L_1+x\\ {L_1}^{*\′}=\frac{f_1\·{L_1}^{*}}{f_1+{L_1}^{*}}\\ {L_2}^{*}={L_1}^{*\′}-d^{*}\\ {L_2}^{*\′}=\frac{f_2\·{L_2}^{*}}{f_2+{L_2}^{*}}\end{array}\right.\end{array}$

(3)为满足倍率要求：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1=\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ {{\mathrm{\β}}_1}^{*}=\frac{{l_1}^{*\′}}{{l_1}^{*}}\\ \frac{{{\mathrm{\β}}_1}^{*}}{{\mathrm{\β}}_1}=\mathrm{\Γ}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_1}=\frac{{L_1}^{\′}}{L_1}\\ {{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_1}}^{*}=\frac{{L_1}^{*\′}}{{L_1}^{*}}\\ {\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_2}\text{=}\frac{{L_2}^{\′}}{L_2}\\ {{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_2}}^{*}=\frac{{L_2}^{*\′}}{{L_2}^{*}}\\ \frac{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_1}}^{*}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_1}}\·\frac{{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_2}}^{*}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{pupil}\_2}}\·=\mathrm{\Γ}\end{array}\right.\end{array}$

y=d*-d-x

y=L₂*′-L₂′

通过对以上方程组分析，得出在满足物像共轭及倍率要求下，仅存在两个位置满足光瞳匹配，通过参数的合理选择，可使准直镜头所要求的长、短焦位置满足此关系。

具体设计时，首先进行高斯计算，而后进行厚透镜的设计。要求各组元单独校正色差，在一般情况下，各组元的相对孔径都不大，并且视场角小，因此各组元所承担的像差较小，采用双胶合透镜即可实现接近衍射极限的成像质量。

本发明的实施案例如图2、3所示，对于口径D=1.2m、焦距f₀=11000mm的望远镜，通过平面镜M3、M4将光路折叠后形成Bent Cassegrain焦点，在Img1后经过准直镜头将光束准直，进行哈特曼波前测量，用于进行系统的自适应校正或主动光学校正，系统工作于500～700nm波段。

根据哈特曼微透镜参数及采样率的要求，准直镜头物方数值口径NA=0.05455，所需焦距f=20～13.33mm、具有1.5倍变化，出射光束口径为D_exp=2.2mm～1.45mm，形成1.5²=2.25倍的空间采样频率变化，同时满足长、短两个位置系统光瞳匹配到微透镜上。

准直镜头设计光路结果如图3所示，该准直镜头的变倍镜组5和补偿镜组13均为双胶合透镜，两组胶合透镜中的负光焦度元件均采用高折射率的火石玻璃ZF7，正光焦度元件均采用冕牌玻璃ZK1，所述两组元件单独校正轴向色差。

该变焦准直镜头的长焦位置两镜组间隔最短，短焦位置变倍镜组5与Img1距离及补偿镜组13与微透镜距离最短，但都留有一定的距离，便于安装和通过Img1处放置标准光源进行准直镜头和哈特曼传感器整体系统误差的标定。

本实施案例光学参数如表1：

表1

其中变倍镜组5焦距23.89mm，补偿镜组13焦距22.23mm，变倍镜组5移动量7.18mm，补偿镜组13移动量6.1mm，变倍补偿曲线如图4所示，横坐标为准直镜头焦距，纵坐标为两组元的移动量。从图4的变倍补偿曲线可以看出，变倍镜组5、补偿镜组13移动曲线平滑，凸轮升角不大，无明显拐点，易于凸轮实现。

变倍过程中准直镜头出射光束始终保持平行，在长、短两个焦距位置光瞳匹配到微透镜上，其他位置出瞳偏移呈二次曲线形状变化，如图5所示，最大偏移量为1.29mm。从图5可以看出：在整个变倍过程中，系统出瞳位置将发生偏移，偏移量先增后减，在长、短焦两个位置出瞳位置一致。

本案例实现的准直镜头技术指标如下：

1、焦距f=20～13.33mm；

2、变倍比Γ=1.5；

3、望远镜物方视场角18”，对应准直镜头物方视场角5.49°～8.24°；

4、适应光谱范围：λ=400～1100nm；

5、从Img1到微透镜距离29.08mm。

从图6～8可以看出，系统在长、短焦位置成像质量接近衍射极限，能够接近理想地实现光束准直功能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，该准直镜头由变倍镜组（5）和补偿镜组（13）组成；所述变倍镜组（5）和补偿镜组（13）可通过沿光轴方向移动，使准直镜头的焦距连续变化，并保持出射光束始终准直；所述变倍镜组（5）和补偿镜组（13）分别由一片双胶合透镜组成。

2.根据权利要求1所述的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，是通过凸轮机构带动变倍镜组（5）和补偿镜组（13）透镜沿光轴方向移动；所述凸轮机构包括：导向筒（1）、滚珠（2）、变倍镜座（3）、镜组紧定螺钉（4）、凸轮转筒（6）、导向轴承（7）、补偿导向轴（8）、预紧紧定螺钉（9）、预紧滑块（10）、驱动齿轮（11）、驱动电机（12）、补偿镜座（14）和变倍导向轴（15）；

所述驱动齿轮（11）随驱动电机（12）一起转动，通过驱动齿轮（11）传动，凸轮转筒（6）在滚珠（2）的作用下绕导向筒（1）中心轴转动；

所述变倍导向轴（15）和补偿导向轴（8）各有2个导向轴承（7），分别位于凸轮转筒（6）和导向筒（1）的凸轮槽内；随着凸轮转筒（6）的转动，变倍导向轴（15）和补偿导向轴（8）将沿凸轮转筒（6）的凸轮槽移动；而同时在导向筒（1）的凸轮槽作用下，变倍导向轴（15）和补偿导向轴（8）只能沿轴向移动；

所述变倍镜座（3）与变倍导向轴（15）固连，变倍镜组（5）通过镜组紧定螺钉（4）固定在变倍镜座（3）内；所述补偿镜座（14）与补偿导向轴（8）固连，补偿镜组（13）通过镜组紧定螺钉（4）固定在补偿镜座（14）内；所述变倍镜组（5）和补偿镜组（13）将按设计好的凸轮转筒（6）上的凸轮曲线沿光轴方向移动，实现准直透镜的焦距连续变化；

所述预紧滑块（10）用于预紧滚珠（2），使凸轮转筒（6）、滚珠（2）、导向筒（1）组成回转轴系，凸轮滚筒（6）能够绕导向筒（1）中心轴旋转；所述预紧紧定螺钉（9）用于固定预紧滑块（10）。

3.根据权利要求1或2所述的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，所述准直镜头物方数值口径NA=0.05455；所需焦距f=20～13.33mm、具有1.5倍变化；出射光束口径为D_exp=2.2mm～1.45mm，形成2.25倍的空间采样频率变化。

4.根据权利要求1或2所述的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，所述双胶合透镜的负光焦度元件均采用高折射率的火石玻璃ZF7，正光焦度元件均采用冕牌玻璃ZK1，所述两元件单独校正轴向色差。

5.根据权利要求1所述的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，在变倍过程中，变倍镜组（5）与第一像面始终留有一定距离。

6.根据权利要求1所述的满足光瞳匹配的哈特曼传感器变焦准直镜头，其特征在于，随着所述准直镜头焦距的变化，哈特曼传感器相机靶面上的形成的点斑区域面积具有小于等于4倍的变化，可以通过相机开窗方式改变相机的采集帧频。

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