CN110764241B - 一种多焦距离轴三反成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种多焦距离轴三反成像光学系统，包括：孔径光阑，为光学系统的入口；第一反射镜，具有单一面型，与孔径光阑相对设置；第二反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第一反射镜的反射光路上；第三反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第二反射镜的反射光路上；探测器像面，各视场区域具有不同的像面，用于接收第三反射镜的反射光线。本申请采用在离轴三反成像光学系统中第二反射镜与第三反射镜的不同区域应用不同的面型，与第一反射镜组合后，可以实现不同的放大率，成像过程中，不同视场的光线分别应用了第二反射镜与第三反射镜的不同区域，可以实现在单一离轴三反成像光学系统中同时实现不同焦距值的功能。

Description

一种多焦距离轴三反成像光学系统
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，特别是涉及一种多焦距离轴三反成像光学系统。
背景技术
离轴三反成像光学系统具有无孔径遮拦、无色差、可实现大视场等优点，在应用光学、光学遥感领域有着重要与广泛的应用。
目前的离轴三反成像光学系统与大多数其他成像光学系统一样，在单一成像时刻仅具有单一的焦距值，即光学系统的成像放大率是固定的。如图1所示，通过孔径光阑01后的入射光线02首先经过主镜03，然后光线经反射入射到次镜04上，光线再经反射入射到三镜05上，最终到达像面06，该系统焦距值固定，为单一数值。相比之下，变焦式光学系统可以通过改变自身的光学放大倍率，使单一光学系统具有多个焦距值，但在变焦式光学系统中，不同焦距值的实现，是需要不断的变换光学元件的位置，光学系统不能在同一时刻具有多个焦距值，不能同时对目标成不同放大率的像。
因此，如何解决离轴三反成像光学系统不能同时具备多个焦距值的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多焦距离轴三反成像光学系统，可以扩展成像放大率范围，同时实现多个焦距值。其具体方案如下：
一种多焦距离轴三反成像光学系统，包括：
孔径光阑，为光学系统的入口；
第一反射镜，具有单一面型，与所述孔径光阑相对设置；
第二反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于所述第一反射镜的反射光路上；
第三反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于所述第二反射镜的反射光路上；
探测器像面，各视场区域具有不同的像面，用于接收所述第三反射镜的反射光线。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第三反射镜的各面型区域与所述第二反射镜的各面型区域一一对应；
各所述视场区域的像面与所述第三反射镜的各面型区域一一对应。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第一反射镜的相对孔径范围为1:0.5至1:3。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第一反射镜的面型为球面或者非球面。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，当所述第一反射镜的面型为非球面时，所述第一反射镜的二次曲面常数范围为-0.8至-1.2。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第二反射镜的面型为非球面。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第三反射镜的面型为非球面。
优选地，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的材料为碳化硅、微晶或铝合金。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种多焦距离轴三反成像光学系统，包括：孔径光阑，为光学系统的入口；第一反射镜，具有单一面型，与孔径光阑相对设置；第二反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第一反射镜的反射光路上；第三反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第二反射镜的反射光路上；探测器像面，各视场区域具有不同的像面，用于接收第三反射镜的反射光线。
本发明采用在离轴三反成像光学系统中第二反射镜与第三反射镜的不同区域应用不同的面型，与第一反射镜组合后，可以实现不同的放大率，成像过程中，不同视场的光线分别应用了第二反射镜与第三反射镜的不同区域，可以实现在单一离轴三反成像光学系统中同时实现不同焦距值的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的单焦距离轴三反成像光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多焦距离轴三反成像光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种多焦距离轴三反成像光学系统，如图2所示，包括：
孔径光阑1，为光学系统的入口；
第一反射镜2，具有单一面型，与孔径光阑1相对设置；
第二反射镜3，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第一反射镜2的反射光路上；
第三反射镜4，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第二反射镜3的反射光路上；
探测器像面5，各视场区域具有不同的像面，用于接收第三反射镜4的反射光线。
需要说明的是，如图2所示，孔径光阑1作为整个光学系统的入口，在孔径光阑1的位置处设置有一定尺寸的通光口，用于限制光学系统的成像孔径，该孔径光阑可以用一反射镜来替代，只要能限制成像孔径即可；第一反射镜作为主镜，收集各视场光线，为光学系统贡献光焦度；第二反射镜作为次镜，收集各视场光线，为光学系统贡献光焦度；第三反射镜作为三镜，收集各视场光线，为光学系统贡献光焦度。
入射光线首先经过孔径光阑1，然后通过第一反射镜2，经第一反射镜2反射的光线入射到第二反射镜3，不同视场的光线入射到第二反射镜2的不同区域，第二反射镜2各区域具有不同的面型参数，经第二反射镜2反射后，不同视场的光线入射到第三反射镜4的不同区域，第三反射镜4各区域具有不同的面型参数，最终经第三反射镜4反射的不同视场的光线达到各自的像面。
在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，第二反射镜与第三反射镜的不同区域具有不同的面型，与第一反射镜组合后，可实现不同的放大率，对不同视场区域同时实现不同的焦距值。也就是说，本发明采用在离轴三反成像光学系统中不同反射镜的不同区域应用不同面型的方法，实现了在单一离轴三反成像光学系统中同时实现不同焦距值的功能。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，第三反射镜的各面型区域与第二反射镜的各面型区域一一对应；各视场区域的像面与第三反射镜的各面型区域一一对应。具体地，如图2所示，第二反射镜3的面型区域3-1为光学系统的第一个视场区域贡献光焦度，第二反射镜3的面型区域3-2为光学系统的第二个视场区域贡献光焦度，第三反射镜4的面型区域4-1为光学系统的第一个视场区域贡献光焦度，第三反射镜4的面型区域4-2为光学系统的第二个视场区域贡献光焦度，像面5-1为光学系统的第一视场区域的像面，像面5-2为光学系统的第二视场区域的像面；其中，根据第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4与像面5的成像顺序，第三反射镜4的面型区域4-1与第二反射镜3的面型区域3-1对应，像面5-1与第三反射镜4的面型区域4-1对应，第三反射镜4的面型区域4-2与第二反射镜3的面型区域3-2对应，像面5-2与第三反射镜的面型区域4-2对应。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，为了提高成像效果，第一反射镜的相对孔径范围可以设置为1:0.5至1:3。另外，第一反射镜的面型可以为球面或者非球面；当第一反射镜的面型为非球面时，第一反射镜的二次曲面常数范围可以设置为-0.8至-1.2。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，第二反射镜的面型可以为非球面；第三反射镜的面型也可以为非球面。
需要注意的是，对于第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的面型的选取，有多种情况，在具体实现过程中，不仅仅限于本发明提供的实施例，可以根据具体情况而定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统中，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的材料可以选用碳化硅、微晶或铝合金。对于第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜材料的选取，可以根据实际情况而定。
具体地，以图2为例，本发明实施例提供的上述多焦距离轴三反成像光学系统的成像过程如下：
6和7分别是光学系统第一个视场区域与第二个视场区域的成像光线，光线6和光线7首先经过视场光阑1，入射到第一反射镜2上，第一反射镜2为一个具有单一面型的反射镜；经过第一反射镜2反射后，光线6和光线7分别入射到第二反射镜3的不同面型区域上，即第二反射镜的第一个面型区域3-1与第二个面型区域3-2上，3-1与3-2对系统分别具有不同或相同的光焦度贡献；经过第二反射镜3的反射后，光线6和光线7分别入射到第三反射镜4的不同面型区域上，即第三反射镜的第一个面型区域4-1与第二个面型区域4-2上，4-1与4-2对系统分别具有不同或相同的光焦度贡献；经过第三反射镜4的反射后，光线6和光线7分别到达各自像面5-1和5-2。
在孔径光阑1、第一反射镜2、第二反射镜3的第一个面型区域3-1、第三反射镜4的第一个面型区域4-1以及像面5-1的组合下，离轴三反成像光学系统具有一个固定的焦距值A，并可对光学系统第一个视场区域的成像光线6进行成像。
在孔径光阑1、第一反射镜2、第二反射镜3的第二个面型区域3-2、第三反射镜4的第二个面型区域4-2以及像面5-2的组合下，离轴三反成像光学系统具有另一个固定的焦距值B，并可对光学系统第二个视场区域的成像光线7进行成像。
示例中，孔径光阑的通光口径为200mm，焦距值A为2200mm，焦距值B为1400mm，第一反射镜的面型类型为二次曲面，第二反射镜的面型类型为高次非球面，第三反射镜的面型类型为xy多项式。
此时，通过在一离轴三反光学系统的不同反射镜的不同区域应用不同的面型，使该类型光学系统可同时对不同视场成不同的焦距值，即焦距值A与焦距值B就是多焦距离轴三反成像光学系统的两个不同的焦距值，这样扩展了光学系统的成像放大率范围，使离轴三反光学系统在没有反射镜位置变化的情况下，也可以同时实现多种焦距值。
综上，本发明实施例提供的一种多焦距离轴三反成像光学系统，包括：孔径光阑，为光学系统的入口；第一反射镜，具有单一面型，与孔径光阑相对设置；第二反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第一反射镜的反射光路上；第三反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于第二反射镜的反射光路上；探测器像面，各视场区域具有不同的像面，用于接收第三反射镜的反射光线。本发明采用在离轴三反成像光学系统中第二反射镜与第三反射镜的不同区域应用不同的面型，与第一反射镜组合后，可以实现不同的放大率，成像过程中，不同视场的光线分别应用了第二反射镜与第三反射镜的不同区域，可以实现在单一离轴三反成像光学系统中同时实现不同焦距值的功能。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的多焦距离轴三反成像光学系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，包括：
孔径光阑，为光学系统的入口；
第一反射镜，具有单一面型，与所述孔径光阑相对设置；所述第一反射镜的相对孔径范围为1:0.5至1:3；不同视场区域的光线可经过所述孔径光阑入射到所述第一反射镜上；
第二反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于所述第一反射镜的反射光路上；经所述第一反射镜反射后的不同视场区域的光线可分别入射到所述第二反射镜的不同面型区域上；
第三反射镜，各面型区域具有不同的面型参数，设置于所述第二反射镜的反射光路上；所述第三反射镜的各面型区域与所述第二反射镜的各面型区域一一对应；经所述第二反射镜的各面型区域反射后的光线可入射到与所述第二反射镜的该面型区域对应的所述第三反射镜的面型区域上；所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均具有一个；
探测器像面，各视场区域具有不同的像面，用于接收所述第三反射镜的反射光线；各所述视场区域的像面与所述第三反射镜的各面型区域一一对应；经所述第三反射镜的各面型区域反射后的光线可到达与所述第三反射镜的该面型区域对应的像面。
2.根据权利要求1所述的多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的面型为球面或者非球面。
3.根据权利要求2所述的多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，当所述第一反射镜的面型为非球面时，所述第一反射镜的二次曲面常数范围为-1.2至-0.8。
4.根据权利要求1所述的多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，所述第二反射镜的面型为非球面。
5.根据权利要求1所述的多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，所述第三反射镜的面型为非球面。
6.根据权利要求1所述的多焦距离轴三反成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的材料为碳化硅、微晶或铝合金。
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