CN104977705A

CN104977705A - 大视场离轴反射变焦光学系统

Info

Publication number: CN104977705A
Application number: CN201510151888.3A
Authority: CN
Inventors: 常军; 谢桂娟; 周继德; 张柯; 杨盛谊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-10-14

Abstract

本发明属于航空航天探测、识别成像光学技术领域中的一种大视场离轴反射变焦光学系统：光学系统采用共轴离孔径离视场的离轴结构形式，由第一片负反射镜、第二片正反射镜、第三片正反射镜、探测器、光阑组成，光阑设置在第一片负反射镜上，第一面主反射镜1采用具有负光焦度的二次曲面作为前固定组；第二面正二次曲面反射镜为变倍组，实现变焦的目的；第三面反射镜为补偿组，得到具有稳定像面的大视场变焦光学系统。本结构类型光学系统可实现焦距为25mm-75mm的3倍变焦，视场可达6.7°—19°，并且在各个变焦位置的调制传递函数(MTF)都大于0.350lp/mm，具有很高的成像质量。

Description

大视场离轴反射变焦光学系统

技术领域

本发明属于机载探测、识别成像光学技术领域中的一种宽谱段，大视场高分辨率全反射变焦距光学系统。

背景技术

以光电阵列探测器作为成像接收器的全反射变焦距光学系统具有宽谱段、高分辨率成像的特点，在航空航天的空间侦察、空间观测中，能获得位于无穷远目标的高清晰度照片，可广泛应用于现代工业或机载遥感等领域，因此备受工业及军事等部门的青睐。

目前普遍采用的全反射变焦距光学系统，都采用具有正光焦度的主镜作为前固定组。共轴全反射变焦距光学系统，视场很小，具有较大的遮拦，对传递函数(MTF)有着很大的影响，很难获得比较高的MTF。而具有正光焦度主镜的离轴全反射变焦光学系统中，虽然遮拦较小但往往存在着成像位置不佳，布局不合理，或者结构随视场角度增大而急剧增大，从而会增加系统重量，视场受限制等问题。

已有技术中，与本发明最为接近的是专利(CN101697031A)，如图1所示：由光焦度为正的第一面非球面主反射镜6和第三面非球面反射镜9，及低阶非球面的第二面次反射镜7和探测器元件10组成。

该光学系统1)采用光焦度为正的前固定组，遮拦较大，视场较小，为1°～3°；2)像面位于平面反射镜之后，对像面有有较大的遮拦，不能满足空间光学系统对大视场高分辨率成像的要求。

为了克服上述缺点，特设计一种具有较大视场角(短焦距为15°×19°，长焦距为5°×6.7°)，无遮拦，镜面面型易加工和检测，系统结构简单，并能获得变倍比为3的高MTF的宽谱段大视场三镜全反射变焦距光学系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在获得较大视场的条件下，使全反射变焦距光学系统，满足较高的MTF，且系统的像面在变焦过程中一直保持稳定，实现3倍变焦。系统的反射镜面型易加工，当镜片使用特殊材料时，可正常检测。

为了解决上述问题，本发明公开了一种大视场离轴反射变焦光学系统，如下图2所示，该光学系统包括：具有负光焦度的第一面主反射镜(1)、具有正光焦度的第二面次反射镜(2)、具有正光焦度的第三面反射镜(3)、探测器(4)、光阑(5)位于第一主反射镜上；

所述光学系统的第一片负反射镜(1)为二次曲面，光阑位于此面上，曲率半径R₁＝43.5，二次系数K₁＝0.8268；

所述光学系统的第二片正反射镜(2)也为二次曲面，曲率半径R₂＝65.7，二次系数K₂＝0.1183；

所述光学系统的第三片正反射镜(3)为高阶非球面，曲率半径R₃＝-270.4，二次系数K₂＝0，四次系数A＝1.2937e-007，六次系数B＝2.1459e-011，八次系数C＝9.2465e-014；

所述光学系统的探测器(4)为常见的CCD或其它列阵探测器；

本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图示2(a)平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面，第一负反射镜(1)和第二正反射镜(2)构成反摄远结构，获得大视场；为了方便装调，减小因系统偏心倾斜造成的成像误差，此系统采用共轴离孔径离视场的离轴结构形式，三个反射镜的光轴变焦重合，且为系统的光轴，进一步扩大了系统的视场，提高了像质；孔径光阑的光轴沿y轴向下偏移11mm，三个反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保系统像面稳定。

第一面主反射镜(1)和第二面次反射镜(2)的反射面相对安排，第二面次反射镜(2)和第三面反射镜(3)的反射面相对安排，第三面反射镜(3)的反射面与探测器像面(4)相对安排。三块反射镜的中心都在yz平面上(x坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。孔径光阑(5)和第一面主反射镜(1)重合，光阑中心沿y轴正方向偏移光轴11mm。

工作原理说明：为了使全反射变焦光学系统具有较大的视场，本发明采用了反摄远型全反射式系统的结构，第一面主反射镜(1)的光焦度为负，第二面次反射镜(2)的光焦度为正，第三面反射镜(3)的光焦度为正。采用离孔径、视场偏置的方法，将无穷远的目标经过第一面主反射镜(1)后反射到第二面次反射镜(2)，经过第二面次反射镜(2)后，照射到第三面反射镜(3)，然后由第三面反射镜(3)成像到探测器元件(4)上，得到最后的像。第一面主反射镜(1)为前固定组，第二面次反射镜(2)为变倍组，第三面反射镜(3)为补偿组。通过移动第二面次反射镜(2)，改变第二面次反射镜(2)与第一面主反射镜(1)的间距，实现光学系统的变焦；根据特定的变焦关系，移动第三面反射镜(3)，补偿像面位置的移动，保持像面不动，得到具有稳定像面的大视场全反射三镜变焦光学系统。

积极效果：本光学系统为反摄远型全反射三镜变焦光学系统，采用离孔径、视场偏置的离轴结构形式，可实现大视场宽谱段变焦成像的目的。1)当焦距为25mm时视场可达15°×19°，焦距为75mm时，可实现5°×6.7°视场的清晰成像，变倍比为3,系统总长小于107mm，易于实现小型化，光学系统的三维结构示意图如图3所示；2)为了尽可能高效的运用非球面，通过对各个非球面参数对像差的影响分析，确定各面反射镜的参数，经过合理组合优化，确定第一和第二反射镜为二次曲面，第三正反射镜为8次非球面反射镜，可以使用特殊镜面材料，方便检测和加工；3)系统采用离轴形式，得到无遮拦系统，成像质量好，系统长焦及短焦结构的MTF皆大于0.350lp/mm(如图4所示)，结构简单，特别适合作为机载或空间上用的宽谱段宽覆盖高分辨力轻型相机的光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。

附图说明

图1是已有技术的结构示意图；

图2是本发明的连续变焦系统的光学系统示意图；

图2(a)是变焦系统第一重结构(f＝25mm)的光学系统示意图，视场为15°×19°；

图2(b)是变焦系统第二重结构(f＝75mm)的光学系统示意图，视场为为5°×6.7°；

图中，(1)-主反射镜，(2)-次反射镜，(3)-第三面反射镜，(4)-探测器像面，(5)-孔径光阑与主反射镜重合；

图3是变焦系统的三维模型示意图，其中：

图3(a)是变焦系统第一重结构(f＝25mm)的三维模型示意图；

图3(b)是变焦系统第二重结构(f＝75mm)的三维模型示意图；

图4是本发明的系统MTF图，其中：

图4(a)是变焦系统第一重结构(f＝25mm)的光学系统MTF图；

图4(b)是变焦系统第二重结构(f＝75mm)的光学系统MTF图；

图5是本发明采用的坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实物例对本发明做进一步说明：

本发明按图2所示的结构实施，其详细内容如图2所示，系统包括：具有负光焦度的第一面主反射镜(1)、具有正光焦度的第二面次反射镜(2)、具有正光焦度的第三面反射镜(3)、探测器(4)、光阑(5)位于第一主反射镜上；考虑到后续的环境影响和轻量化设计，主、次反射镜(1)、(2)和第三反射镜(3)的材质采用碳化硅或适用于空间的高比刚度、接近零膨胀的、热畸变较小的替代材料，如ULE、ZERODO。探测器像面(4)采用CCD探测器或其它列阵探测器。

本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图示2(a)平面内， x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。第一面主反射镜(1)，第二面次反射镜(2)，第三面反射镜(3)和探测器像面(4)的光轴和系统光轴重合，在光的传播方向上依次排列，孔径光阑(5)和主反射镜(1)重合，光阑中心沿y轴正方向偏移光轴11mm。

所述光学系统的第一负反射镜(1)为二次曲面，光阑位于此面上，曲率半径R₁＝43.5，二次系数K₁＝0.8268；第二正反射镜(2)也为二次曲面，曲率半径R₂＝65.7，二次系数K₂＝0.1183；第三正反射镜(3)为高阶非球面，曲率半径R₃＝-270.4，二次系数K₂＝0，四次系数A＝1.2937e-007，六次系数B＝2.1459e-011，八次系数C＝9.2465e-014；

所述光学系统的各个反射镜的曲率半径、非球面系数、各反射镜间的距离等参数如下表1所述。

当焦距为25mm时视场可达15°×19°，当焦距为75mm时，可实现5°×6.7°视场的清晰成像，变倍比为3,系统总长小于107mm，易于实现小型化；反射镜面型采用高效组合，第一和第二反射镜为二次曲面，第三正反射镜为8次非球面镜，可以使用特殊镜面材料，方便检测和加工；系统采用离轴形式，得到无遮拦系统，成像质量好，系统结构简单，特别适合作为机载或空间上用的宽谱段宽覆盖高分辨力轻型相机的光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。

表1

Claims

1.一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：具有大视场宽谱段高分辨率成像的反摄远型全反射变焦光学系统，包括第一面主反射镜1，第二面次反射镜2，第三面反射镜3和探测器像面4，孔径光阑5和主反射镜1重合；光学系统采用三反结构，在保证成像质量的前提下，极大的增大了系统的视场；本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图示3平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面；第一面主反射镜1，第二面次反射镜2，第三面反射镜3和探测器像面4的光轴和系统光轴重合，在光的传播方向上依次排列，孔径光阑5和主反射镜1重合，光阑中心沿y轴正方向偏移光轴11mm。

2.根据权利要求1所述的一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：系统采用反摄远型光学系统结构形式，第一面主反射镜1是一个光焦度为负的二次曲面反射镜，曲率半径R₁＝43.5，二次系数K₁＝0.8268；第二面次反射镜2是一个光焦度为正的二次曲面反射镜，曲率半径R₂＝65.7，二次系数K₂＝0.1183；第三面反射镜3是一个光焦度为正的高阶非球面反射镜，曲率半径R3＝-270.4，二次系数K2＝0，四次系数A＝1.2937e-007，六次系数B＝2.1459e-011，八次系数C＝9.2465e-014；探测器像面4采用CCD探测器或其它列阵探测器；孔径光阑5和第一面主反射镜1的位置重合，光阑中心沿y轴正方向偏移光轴12mm。

3.根据权利要求2所述的一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：系统的主、次反射镜1、2和第三反射镜3的材质采用碳化硅或适用于空间的高比刚度、接近零膨胀的、热畸变较小的替代材料，如ULE、ZERODO，来减少后续的环境影响以及进行轻量化设计。

4.根据权利要求1所述的一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：第一面主反射镜1和第二面次反射镜2的反射面相对安排，短焦(f＝25mm)时，第一面主反射镜1和第二面次反射镜2之间的厚度为-38.1mm，长焦(f＝75mm)时，厚度为-15mm；第二面次反射镜2和第三面反射镜3的反射面相对安排，短焦(f＝25mm)时，第二面主反射镜2和第三面次反射镜3之间的厚度为64.932mm，长焦(f＝75mm)时，厚度为114.603mm；第三面反射镜3的反射面与探测器像面4相对安排，短焦(f＝25mm)时，第三面主反射镜3和探测器4之间的厚度为-6.833mm，长焦(f＝75mm)时，厚度为-79.602mm；三块反射镜的中心都在yz平面上(x坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定；孔径光阑5和主反射镜1重合，光阑中心沿y轴正方向偏移光轴11mm。

5.根据权利要求1所述的一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：此光学系统采用共轴离孔径离视场的离轴结构形式，以主镜位置作为基准，保持主镜的完整性，并且装调较方便，实现了全反射无遮拦，大视场的变焦要求，当焦距为25mm时视场可达15°×19°，焦距为75mm时，视场可达到5°×6.7°，并且在各个变焦位置的调制传递函数(MTF)都大于0.350lp/mm，在短焦(f＝25mm)处，系统的调制传递函数(MTF)大于0.4550lp/mm，具有很高的成像质量。

6.根据权利要求1所述的一种大视场离轴反射变焦光学系统，其特征在于：第一面主反射镜1为前固定组，第二面次反射镜2为变倍组，第三面反射镜3为补偿组；通过移动第二面次反射镜2，改变第二面次反射镜2与第一面主反射镜1的间距，实现光学系统的变焦，变倍焦距为25mm-75mm；根据特定的变焦关系，移动第三面反射镜3，补偿像面位置的移动，保持像面不动，得到具有稳定像面的大视场全反射变焦光学系统。