CN107942416A - 一种环带自由曲面光学元件及单片式光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间光学技术领域，具体公开一种环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。本发明的环带自由曲面光学元件，采用透镜形式，包含第一面和第二面，光线在第一面的透射带透射进入光学元件，在光学元件内部经过四次反射后在第二面透射带出射，到达探测器像面完成成像。光学元件的第一面和第二面的环带面型分别采用低阶XY多项式进行高精度拟合，保证环带自由曲面面型能够实现一体化加工检测，结构简单，降低了加工难度。本发明采用单片的环带自由曲面光学元件组成一种单片式光学系统，矫正了系统轴外视场像差和色差，实现了系统的极其小型化以及轻型化。
Description
技术领域
本发明涉及于空间光学技术领域，特别涉及一种用于飞行器的目标探测的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。
背景技术
目前航空及航天的侦察、探测等领域获得高清晰度照片的空间探测光学系统，一般采用的是曲率半径不同环带式的非球面面型，单各环带面型分立加工，难以保证环带面型相对距离、偏心倾斜等。采用单片式自由曲面棱镜方案，虽然避免了中心遮拦，但在相同指标参数和光学元件材质条件下，系统体积和重量为同轴方案的1.3～1.6倍，而且目前的自由曲面棱镜加工检测难度较大。
为了克服上述缺点，设计一种新的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。
发明内容
本发明旨在克服现有空间探测光学系统技术的缺陷，降低光学系统的加工难度低、减小光学系统的体积较小，提供一种结构简单、重量轻、成像谱段宽、光学传函数高及成像畸变低的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种单片式光学系统，包括探测器像面，其还包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；所述第一面设有第一透射带、与所述第一透射带连接的第一反射带以及与所述第一反射带的第二反射带；所述第二面设有第三反射带、与第三反射带连接的第四反射带以及与所述第四反射带连接的第二透射带；无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带透射进入所述环带自由曲面透镜，然后在所述第三反射带发生反射，之后在所述第一反射带发生反射，之后在所述第四反射带发生反射，而后在所述第二反射带发生反射，最后再经过所述第二透射带透射出去，透射出的光线到达探测器像面完成成像。
一些实施例中，所述第一透射带、所述第一反射带和所述第二反射带的面型曲率半径不同；所述第三反射带、所述第四反射带和所述第二透射带面型曲率半径不同。
一些实施例中，所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：本发明中坐标系定义如下：y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；面型拟合的XY多项式表达式为：
其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。
一些实施例中，所述单片式光学系统在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像。
一些实施例中，所述单片式光学系统的口径为65mm，成像视场为4°×4°。
再另一方面，本发明提供一种环带自由曲面光学元件，用于组成单片式光学系统，其包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：本发明中坐标系定义如下：y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；面型拟合的XY多项式表达式为：
其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。
一些实施例中，所述第一面为内凹的圆形环带自由曲面，第二面为外凸的圆形环带自由曲面，所述第一面的反射面向后，所述第二面设置在所述第一面后方，所述第二面的反射面向前使得所述第二面的反射面与所述第一面的反射面相向设置。
一些实施例中，无穷远目标发出光信号通过所述环带自由曲面光学元件，经过所述第一面透射进入所述环带自由曲面透镜，在第二面发生两次反射以及在第一面发生两次反射，最后经过第二面透射出去，最终到达焦面探测器得到目标的数字图像。
一些实施例中，所述环带自由曲面透镜的材质为熔融石英。
一些实施例中，所述环带自由曲面光学元件在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像，所述环带自由曲面光学元件的口径为65mm，成像视场为4°×4°。
本发明的有益效果在于：
1、通过无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带透射进入所述环带自由曲面透镜，然后在所述第三反射带发生反射，之后在所述第一反射带发生反射，之后在所述第四反射带发生反射，而后在所述第二反射带发生反射，最后再经过所述第二透射带透射出去，透射出的光线到达探测器像面完成成像，以此充分利用单片光学元件内表面，增加光路反射次数，达到校正系统轴外视场像差和色差的目的。
2、所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，面型拟合都采用低阶XY多项式进行高精度拟合，以此实现一体化加工检测，解决了现有技术的共体复杂面型分立加工，相对位置、偏心倾斜误差大的问题。
3、采用单片式自由曲面的光学系统实现了可见光宽谱段、高分辨率、大视场成像，光学系统全视场MTF值接近衍射极限，成像畸变低，并且系统具有小型化和轻型化的优点。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的环带自由曲面光学元件的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的单片式光学系统的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的单片式光学系统的全视场MTF图；
图4为根据本发明的一个实施例的单片式光学系统的畸变图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
请参看图1和图2，为本发明的环带自由曲面光学元件，用于组成单片式光学系统，环带自由曲面光学元件包括环带自由曲面透镜A，所述环带自由曲面透镜A包括第一面1及第二面2。所述第一面1和所述第二面2都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：本发明中坐标系定义如下：y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；
面型拟合的XY多项式表达式为：
其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。本实施例中，XY多项式系数的应用项小于40项。采用低阶XY多项式进行高精度拟合，保证所述第一面1和所述第二面2分别能够实现一体化加工检测，以此降低加工难度。所述环带自由曲面透镜的材质为熔融石英，熔融石英的比刚度大，线胀系数小，能够适应苛刻的空间环境要求，从而使得整体极其小型化以及轻型化。
在其中一个实施例中，所述第一面1为内凹的圆形环带自由曲面，第二面2为外凸的圆形环带自由曲面，所述第一面1的反射面向后，所述第二面2设置在所述第一面1后方，所述第二面2的反射面向前使得所述第二面2的反射面与所述第一面1的反射面相向设置。
请参看图2，为本发明的通过所述环带自由曲面光学元件组成的一种单片式光学系统，包括探测器像面B，所述探测器像面B设在所述环带自由曲面光学系统焦面上。
无穷远目标发出光信号通过所述环带自由曲面光学元件，经过所述第一面1透射进入所述环带自由曲面透镜A，在第二面2发生两次反射以及在第一面1发生两次反射，最后经过第二面2透射出去，最终到达焦面探测器得到目标的数字图像。
具体的为，所述第一面1设有第一透射带11、与所述第一透射带11连接的第一反射带12以及与所述第一反射带12的第二反射带13。所述第二面2设有第三反射带21、与第三反射带21连接的第四反射带22以及与所述第四反射带22连接的第二透射带23。所述第一透射带11、所述第一反射带12和所述第二反射带13的面型曲率半径不同。所述第三反射带21、所述第四反射带22和所述第二透射带23面型曲率半径不同。无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带11透射进入所述环带自由曲面透镜A，然后在所述第三反射带21发生反射，之后在所述第一反射带12发生反射，之后在所述第四反射带22发生反射，而后在所述第二反射带13发生反射，最后再经过所述第二透射带23透射出去，透射出的光线到达探测器像面B完成成像。即是目标发出光线通过单片式环带自由曲面光学元件，经过2次透射和4次反射最终到达焦面探测器，从而得到目标的数字图像。充分利用单片光学元件内表面，增加光路反射次数，达到校正系统轴外视场像差和色差的目的。
在其中一个实施例，所述环带自由曲面光学元件在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像，使得所述单片式光学系统在波长为0.4μm～0.89μm的可见光范围内成像。所述环带自由曲面光学元件的结构非常简单，所述环带自由曲面光学元件的口径为65mm，成像视场为4°×4°，也是所述单片式光学系统的口径为65mm，成像视场为4°×4°。
请参看图3，光学传递函数曲线图，光学传递函数MTF接近衍射极限，所述单片式光学系统的全视场MTF在38lp/mm处达到0.8以上。
请参看图4，系统畸变曲线图，单片式光学系统畸变都在0.5％内，所以本发明的环带自由曲面光学元件组成单片式光学系统的系统成像畸变很低。
本发明在设计过程中，约束所述环带自由曲面光学元件的共体复杂曲面的相对距离量和面型参数，在满足系统指标条件下，所述环带自由曲面光学元件的复杂曲面的所述第一面1及所述第二面2采用低阶XY多项式进行高精度拟合，使得所述环带自由曲面光学元件能够实现一体化加工检测，降低了加工难度，解决了现有技术中的分立加工共体面型相对位置、偏心倾斜误差大的问题。本发明以单片式环带自由曲面光学元件组成了大视场、宽谱段、高分辨率的空间探测光学系统，使得本发明的单片式光学系统在航空及航天的侦察、探测等领域获得高清晰度照片，可广泛应用于民用、国防、军工等领域。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种单片式光学系统，包括探测器像面，其特征在于：还包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；
所述第一面设有第一透射带、与所述第一透射带连接的第一反射带以及与所述第一反射带连接的第二反射带；
所述第二面设有第三反射带、与第三反射带连接的第四反射带以及与所述第四反射带连接的第二透射带；
无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带透射进入所述环带自由曲面透镜，然后在所述第三反射带发生反射，之后在所述第一反射带发生反射，之后在所述第四反射带发生反射，而后在所述第二反射带发生反射，最后再经过所述第二透射带透射出去，透射出的光线到达探测器像面完成成像。
2.如权利要求1所述的单片式光学系统，其特征在于：
所述第一透射带、所述第一反射带和所述第二反射带的面型曲率半径不同；
所述第三反射带、所述第四反射带和所述第二透射带面型曲率半径不同。
3.如权利要求1所述的单片式光学系统，其特征在于：所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：
y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；
面型拟合的XY多项式表达式为：
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其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。
4.如权利要求1所述的单片式光学系统，其特征在于：所述单片式光学系统在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像。
5.如权利要求1所述的单片式光学系统，其特征在于：所述单片式光学系统的口径为65mm，成像视场为4°×4°。
6.一种环带自由曲面光学元件，用于组成单片式光学系统，其特征在于：包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：
y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；
面型拟合的XY多项式表达式为：
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其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。
7.如权利要求6所述的环带自由曲面光学元件，其特征在于：所述第一面为内凹的圆形环带自由曲面，第二面为外凸的圆形环带自由曲面，所述第一面的反射面向后，所述第二面设置在所述第一面后方，所述第二面的反射面向前使得所述第二面的反射面与所述第一面的反射面相向设置。
8.如权利要求6所述的环带自由曲面光学元件，其特征在于：无穷远目标发出光信号经过所述第一面透射进入所述环带自由曲面透镜，在第二面发生两次反射以及在第一面发生两次反射，经过第二面透射，到达焦面探测器得到目标的数字图像。
9.如权利要求6所述的环带自由曲面光学元件，其特征在于：所述环带自由曲面透镜的材质为熔融石英。
10.如权利要求6所述的环带自由曲面光学元件，其特征在于：所述环带自由曲面光学元件在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像，所述环带自由曲面光学元件的口径为65mm，成像视场为4°×4°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180420 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |