CN109870792A

CN109870792A - 共轴全反式光学成像系统

Info

Publication number: CN109870792A
Application number: CN201711251006.6A
Authority: CN
Inventors: 戴一帆; 熊玉朋; 陈善勇; 关朝亮; 铁贵鹏; 彭小强
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: CN109870792B

Abstract

本发明公开了一种共轴全反式光学成像系统，前反射元件上开设有入射孔，前反射元件、后反射元件相对设置，前反射元件和后反射元件相对的两个面上分别加工出前反射面和后反射面，前反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第二反射面、第四反射面、……、第2N反射面(1n)，后反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第一反射面、第三反射面、……、第2N‑1反射面(2n)，共轴环形反射面为平面、二次曲面或非球面，光线通过入射孔进入前反射面和后反射面之间并依次通过第一反射面、第二反射面、第三反射面、第四反射面、……、第2N‑1反射面、第2N反射面反射后汇聚至成像面上，具有结构简单紧凑、便于调试、成像质量好且能实现大视场角等优点。

Description

共轴全反式光学成像系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种共轴全反式光学成像系统。

背景技术

光学成像系统在航天遥感、工业视觉和安防监控等领域应用广泛，光学系统常使用反射式系统和折射式系统：折射式系统受光学材料的制约，一般口径在200mm以下，且常用材料的折射率随温度变化存在明显的非线性，宽波段的系统光谱范围宽，产生的色差很难校正，光学设计难度较大；反射式系统不存在色差，但视场角通常较小，主次镜装调难度大。

文献“Ultrathin cameras using annular foldedoptics”(Applied Optics，2007，46(4)：463-471)中公开了一种环形孔径光路多次反射型超薄光学成像系统，该系统的总厚度为5mm，有效口径为27mm，焦距为38mm，与相同口径的传统镜头相比，在保留了较好光能量收集的同时大大减少了相机的厚度和重量；但该系统的光线传播介质为CaF2，透射系统引入的色差难以校正，且成本较高，不易于大规模推广使用；中国专利文献CN101581828A公开了一种环形孔径超薄光学成像系统系统，其工作波段为486nm-656nm，外直径60mm，在保持良好成像质量的同时明显地减小了体积和重量，但该系统的视场角为6.66°，没有解决共轴发射系统视场角小的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、便于调试、成像质量好且能实现大视场角的共轴全反式光学成像系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种共轴全反式光学成像系统，包括前反射元件、后反射元件和成像面，所述前反射元件、后反射元件相对设置，所述前反射元件和后反射元件相对的两个面上分别加工出前反射面和后反射面，所述前反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第二反射面、第四反射面、……、第2N反射面(1n)，所述后反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第一反射面、第三反射面、……、第2N-1反射面(2n)，所述共轴环形反射面为平面、二次曲面或非球面，光线通过入射孔进入前反射面和后反射面之间并依次通过第一反射面、第二反射面、第三反射面、第四反射面、……、第2N-1反射面、第2N反射面反射后汇聚至所述成像面上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述共轴环形反射面为高阶非球面反射面。

所述成像面与所述后反射元件设置在同一侧，且位于所述后反射面的N个共轴环形反射面的轴线上。

所述前反射元件上开设有多个弧形的入射孔。

N的取值范围满足，2≤N≤9。

所述共轴全反式光学成像系统的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。

所述共轴全反式光学成像系统的视场角为10°以上。

所述前反射元件和后反射元件为相同材料制成。

所述共轴环形反射面表面均有镀膜层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的共轴全反式光学成像系统，采用前反射元件、后反射元件共同对光线进行反射，光线在各共轴环形反射面上经多次反射后汇集到成像面上成像，即本发明的光学成像系统为全反射系统，不存在色差，前反射面上的N个共轴环形反射面均在前反射元件上加工，后反射面上的N个共轴环形反射面均在后反射元件上加工，不仅简化了结构，使结构更加紧凑，降低了加工和调试难度，且由于前反射面或后反射面的N个共轴环形反射面位于同一基体上，反射率、热学性能一致，因此，便于对各共轴环形反射面的角度等参数进行优化调试，以最大限度地提高共轴全反式光学成像系统的光学性能。

(2)本发明的共轴全反式光学成像系统，可通过计算机优化各共轴环形反射面的角度和球面参数，使视场角达到10°以上，并使各视场下的成像质量接近于衍射极限。

附图说明

图1是本发明共轴全反式光学成像系统的结构示意图。

图2是本发明共轴全反式光学成像系统用于长波红外线的点列图。

图3是本发明共轴全反式光学成像系统用于长波红外线的传递函数曲线图。

图4是本发明共轴全反式光学成像系统用于长波红外线的场曲和畸变曲线图。

图中各标号表示：

1、前反射元件；11、第二反射面；12、第四反射面；2、后反射元件；21、第一反射面；22、第三反射面；3、成像面；4、入射孔。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的共轴全反式光学成像系统包括前反射元件1、后反射元件2和成像面3，前反射元件1、后反射元件2相对设置，前反射元件1和后反射元件2相对的两个面上分别加工出前反射面和后反射面，前反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第二反射面11、第四反射面12、……、第2N反射面1n，后反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第一反射面21、第三反射面22、……、第2N-1反射面2n，共轴环形反射面为平面、二次曲面或非球面，光线通过入射孔进入前反射面和后反射面之间并依次通过第一反射面、第二反射面、第三反射面、第四反射面、……、第2N-1反射面、第2N反射面反射后汇聚至成像面3上，采用前反射元件1、后反射元件2共同对光线进行反射，光线在各共轴环形反射面上经多次反射后汇集到成像面3上成像，即本发明的光学成像系统为全反射系统，不存在色差，前反射面上的N个共轴环形反射面均在前反射元件1上加工，后反射面上的N个共轴环形反射面均在后反射元件2上加工，不仅简化了结构，使结构更加紧凑，降低了加工和调试难度，且由于前反射面或后反射面的N个共轴环形反射面位于同一基体上，反射率、热学性能一致，因此，便于对各共轴环形反射面的角度等参数进行优化调试，以最大限度地提高共轴全反式光学成像系统的光学性能，本发明的N个共轴环形反射面可应用单点金刚石车削技术在铝基底上共体加工完成。

本发明的共轴全反式光学成像系统的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段，即适用范围广，并能按比例缩放，以适用于不同光学探测系统的需要。

本实施例中，共轴环形反射面为高阶非球面反射面，非球面镜具有自由度多、像差校正能力强、重量轻等优点。

N的取值范围满足，2≤N≤9，本实施例中，N等于2。

本实施例中，成像面3与后反射元件2设置在同一侧，且位于后反射面的N个共轴环形反射面的轴线上。

本实施例中，前反射元件1上开设有多个弧形的入射孔4。

本实施例中，共轴全反式光学成像系统的视场角为15°以上。

本实施例中，前反射元件1和后反射元件2为相同材料制成。

本实施例中，共轴环形反射面表面均有镀膜层。

如图1所示，本实施例的共轴全反式光学成像系统，前反射元件1上的两个共轴环形反射面分别为第二反射面11和第四反射面12，后反射元件2上的两个共轴环形反射面分别为第一反射面21和第三反射面22，第一反射面21、第二反射面11、第三反射面22和第四反射面12均为高阶非球面，入射光线通过前反射元件1上的弧形入射孔进入，依次经过第一反射面21、第二反射面11、第三反射面22和第四反射面12反射后汇集至成像面3上。

将本实施例的共轴全反式光学成像系统应用于长波红外线，其中，工作波段为8μm-14μm，焦距为47.5mm，系统外直径为53mm，遮拦比0.82，通过下表1和表2中的优化参数，可使视场角达到17.3°。

表1是通过计算机软件优化设计得到的本实施例的共轴全反式光学成像系统应用于长波红外时的各反射面和成像面3的优化参数：

表1反射面和成像面的优化参数

标号	类型	曲率半径	厚度
				21	反射面	-50.35645	-9.190201
11	反射面	-240.0034	9.911746
				22	反射面	-185.7774	-10.276107
12	反射面	-58.22731	13.713569
				3	平面	-	-

在本实施例中，第一反射面21、第二反射面11、第三反射面22和第四反射面12均为高阶非球面，其中非球面按下式得到：

式中，c为顶点处的基本曲率；k为圆锥曲线常数；r为垂直光轴方向的径向坐标；A₄，A₆，A₈，A₁₀，A₁₂，A₁₄和A₁₆为非球面系数。

表2是通过计算机软件优化设计得到的本实施例的共轴全反式光学成像系统应用于长波红外时的各反射面的非球面系数的优化参数：

表2各反射面非球面系数的优化参数

图2示出了光线通过本实施例的共轴全反式光学成像系统的光线追迹点列图，即光线在成像面3上的聚焦情况，点列图直径的RMS值和能量集中度列于表3，由图2可见成像面3上所有视场的点列图均方根值基本落在像素大小(17μm)范围内，表明本实施例的共轴全反式光学成像系统具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。

表3各视场角下的均方根半径值和几何半径值

视场角	0°	2.88°	5.76°	8.64°	11.5°	14.4°	16.3°	17.3°
									均方根半径	8.207	8.120	7.945	7.231	6.033	6.524	9.346	11.590
几何半径	9.488	11.789	13.026	13.054	10.952	19.125	29.882	36.251

图3示出了本实施例的共轴全反式光学成像系统的传递函数曲线图，图3中各视场的传递函数曲线都接近衍射极限。

图4示出了本实施例的共轴全反式光学成像系统的的场曲和畸变曲线图，可见此系统的相对畸变1.62％，小于2％，成像效果较好。

即本实施例的共轴全反式光学成像系统为全反射系统，不引入色差，通过四个高阶非球面的配合使视场角达到15°以上，并可补偿系统范围内的大部分像差，通过计算机软件的优化，各视场下的成像质量均接近于衍射极限，成像质量好。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种共轴全反式光学成像系统，其特征在于：包括前反射元件(1)、后反射元件(2)和成像面(3)，所述前反射元件(1)、后反射元件(2)相对设置，所述前反射元件(1)和后反射元件(2)相对的两个面上分别加工出前反射面和后反射面，所述前反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第二反射面(11)、第四反射面(12)、……、第2N反射面(1n)，所述后反射面包括N个共轴环形反射面，且分别为第一反射面(21)、第三反射面(22)、……、第2N-1反射面(2n)，所述共轴环形反射面为平面、二次曲面或非球面，光线通过入射孔进入前反射面和后反射面之间并依次通过第一反射面、第二反射面、第三反射面、第四反射面、……、第2N-1反射面、第2N反射面反射后汇聚至所述成像面(3)上。

2.根据权利要求1所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述共轴环形反射面为高阶非球面反射面。

3.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述成像面(3)与所述后反射元件(2)设置在同一侧，且位于所述后反射面的N个共轴环形反射面的轴线上。

4.根据权利要求3所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述前反射元件(1)上开设有多个弧形的入射孔(4)。

5.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：N的取值范围满足，2≤N≤9。

6.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述共轴全反式光学成像系统的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。

7.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述共轴全反式光学成像系统的视场角为10°以上。

8.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述前反射元件(1)和后反射元件(2)为相同材料制成。

9.根据权利要求1或2所述的共轴全反式光学成像系统，其特征在于：所述共轴环形反射面表面均有镀膜层。