CN111025615A

CN111025615A - 一种光学系统

Info

Publication number: CN111025615A
Application number: CN201911384926.4A
Authority: CN
Inventors: 王灵杰; 刘涛; 张新; 史广维; 张建萍
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-12-28
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-28
Also published as: CN111025615B

Abstract

本发明提供一种光学系统，其包括：第一折射镜组、光阑、第二折射镜组、自由曲面透镜和反射镜组，第一折射镜组、光阑、第二折射镜组、自由曲面透镜和反射镜组依次沿光路设置。光能够依次穿过第一折射镜组、光阑、第二折射镜组、自由曲面透镜而抵达反射镜组，反射镜组能够对光进行反射。与现有技术比较本发明的有益效果在于：该光学系统包括折射镜组和反射镜组，折射镜组的光焦度较小，反射镜组承担了主要的光焦度，并且离轴反射镜组能够用于实现像方远心的聚焦成像。该光学系统中减少了折射元件的口径及数量，同时使用含有自由曲面的透镜用以校正畸变，该光学系统能够进行像差优化设计，光学系统在增大焦距和视场的同时降低设计制造难度和成本。

Description

一种光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学系统。

背景技术

航空测绘相机在民用遥感、国土测绘、资源普查、自然灾害监测、土木工程、土地利用和城市规划等领域有着广泛的应用前景，对促进我国的国民经济建设有着重要的实际意义。

航空测绘相机的光学镜头是实现测绘成像、光学探测遥感的关键部件。随着航空测绘应用领域的不断拓展，航空测绘相机的光学系统设计指标也进一步提高，航空测绘相机的设计焦距越来越长，视场角不断扩大，因此，系统像差急剧增大。

航空测绘相机常采用反射式和折射式两种结构。反射式光学系统具有以下优势：不存在任何色差，工作光谱范围宽，可用于宽谱段成像，容易实现热稳定成像，但传统反射式光学系统的缺点是视场角较小。近些年，国内外出现了使用自由曲面的大视场离轴三反和离轴四反光学系统，如申请号为201010613570.X，且名为《超大视场偏轴全反射式光学系统》的专利申请文件中所述的光学系统，以及申请号为201310119864.0，且名为《使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统》的专利申请文件中所述的光学系统。这些离轴反射系统虽然能够达到较大视场，但是存在较大的畸变，同时难以实现像方远心光路。

因此，宽视场测绘相机多采用同轴折射式结构。同轴折射式光学系统随着焦距和视场角的增大，会导致光学系统庞大笨重、成本昂贵，并且超大口径的透镜材料难以制备，已不能很好的适用于高性能航空测绘相机的发展要求，必须采用其它方式对光学系统进行优化设计。

发明内容

现有航空测绘相机要满足长焦距、大视场、小畸变、远心成像的要求时，光学系统存在体积庞大笨重、成本昂贵、超大口径的透镜材料难以制备等问题。有鉴于此，为了解决以上技术问题，本发明提供一种光学系统，其包括：第一折射镜组、光阑、第二折射镜组、自由曲面透镜和反射镜组，所述第一折射镜组、所述光阑、所述第二折射镜组、所述自由曲面透镜和所述反射镜组依次沿光路设置，光能够依次穿过所述第一折射镜组、所述光阑、所述第二折射镜组、所述自由曲面透镜而抵达所述反射镜组，所述反射镜组能够对光进行反射。

较佳地，所述第一折射镜组为具有正光焦度的折射镜组，所述第二折射镜组为具有负光焦度的折射镜组，所述反射镜组为具有正光焦度的反射镜组，所述第一折射镜组、所述光阑和所述第二折射镜组为同轴组件，所述自由曲面透镜为离轴偏心组件；所述反射镜组为离轴偏心组件。

较佳地，所述第一折射镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿光路依次设置；所述第二折射镜组包括第四透镜和第五透镜，所述第四透镜和所述第五透镜沿光路依次设置。

较佳地，所述反射镜组至少包括两个反射镜。

较佳地，当所述反射镜组仅包括第一反射镜和第二反射镜共两个反射镜时，所述第一反射镜为非球面凹面镜，所述第二反射镜为非球面凸面镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜沿光路依次设置。

较佳地，当所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜共三个反射镜时，所述第一反射镜为球面凸面镜，所述第二反射镜为非球面凹面镜，所述第三反射镜为球面凸面镜。

较佳地，所述第一透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第二透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第三透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第四透镜的前表面为非球面，其后表面为球面；所述第五透镜的前表面为非球面，其后表面为球面；所述自由曲面透镜的前表面为球面，其后表面为自由曲面。

较佳地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述自由曲面透镜均为玻璃材质的光学器件。

较佳地，所述第一透镜的折射率范围为1.60至1.81，所述第一透镜的色散范围为46至58；所述第二透镜的折射率范围为1.48至1.67，所述第二透镜的色散范围为47至67；所述第三透镜的折射率范围为1.47至1.57，所述第三透镜的色散范围为61至81；所述第四透镜的折射率范围为1.48至1.67，所述第四透镜的色散范围为47至67；所述第五透镜的折射率范围为1.68至1.87，所述第五透镜的色散范围为45至65；所述自由曲面透镜的折射率范围为1.47至1.57，所述自由曲面透镜色散范围为61至81。

较佳地，所述反射镜组中的离轴偏心反射镜采用弯向所述光阑的类同心结构。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种光学系统结构，该光学系统分为折射镜组和反射镜组，折射镜组的光焦度较小，反射镜组承担了主要的光焦度，并且离轴反射镜组能够实现像方远心的聚焦成像。该光学系统中减少了折射元件的数量，减小折射元件的口径，同时使用含有自由曲面的透镜用以校正畸变，该光学系统能够进行像差优化设计，这种设计在增大焦距和视场的同时降低设计制造难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为本发明实施例1中光学系统X方向的结构示意图；

图1B为本发明实施例1中光学系统Y方向的结构示意图；

图2A为本发明实施例1的光学系统视场的调制传递函数图；

图2B为本发明实施例1的光学系统另一视场的调制传递函数图；

图3为本发明实施例1的光学系统的光学畸变图；

图4A为本发明实施例2中光学系统X方向的结构示意图；

图4B为本发明实施例2中光学系统Y方向的结构示意图；

图5A为本发明实施例2的光学系统视场的调制传递函数图；

图5B为本发明实施例2的光学系统另一视场的调制传递函数图；

图6是本发明实施例2的光学系统的光学畸变图。

附图标记：

第一折射镜组10、第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、光阑20、第二折射镜组30、第四透镜31、第五透镜32、自由曲面透镜40、反射镜组50、第一反射镜51、第二反射镜52和第三反射镜53。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例1

本发明提供一种光学系统，其包括：第一折射镜组10、光阑20、第二折射镜组30、自由曲面透镜40和反射镜组50。该光学系统中，第一折射镜组10、光阑20、第二折射镜组30、自由曲面透镜40和反射镜组50依次设置，可以理解为沿光路依次设置第一折射镜组10、光阑20、第二折射镜组30、自由曲面透镜40和反射镜组50。

优选地，第一折射镜组10为具有正光焦度的折射镜组，第二折射镜组30为具有负光焦度的折射镜组，自由曲面透镜40为离轴偏心的自由曲面透镜，反射镜组50为具有正光焦度的反射镜组。

进一步，具有正光焦度的第一折射镜组10包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13沿光路依次设置。具有负光焦度的第二折射镜组30包括第四透镜31和第五透镜32；第四透镜31和第五透镜32沿光路依次设置。具有正光焦度的反射镜组50包括第一反射镜51和第二反射镜52。第一反射镜51和第二反射镜52也沿光路依次设置。

具有正光焦度的第一折射镜组10、光阑20和具有负光焦度的第二折射镜组30为同轴组件；自由曲面透镜40为离轴偏心组件；反射镜组50为离轴偏心组件。

所述第一透镜11的前表面为球面，其后表面为非球面；第二透镜12的前表面为球面，其后表面为非球面；第三透镜13的前表面为球面，其后表面为非球面；第四透镜31的前表面为非球面，其后表面为球面；第五透镜32的前表面为非球面，其后表面为球面；离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面为球面，其后表面为自由曲面；第一反射镜51为非球面凹面镜，第二反射镜52为非球面凸面镜。

所述第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜31、第五透镜32和离轴偏心的自由曲面透镜40均为玻璃材质。

第一透镜11的折射率n₁范围为1.60<n₁<1.81，色散v₁范围为46<v₁<58，本优选实施例1中，第一透镜11采用H-ZK21型号的玻璃材质，其折射率为1.623，色散为58.12。

第二透镜12的折射率n₂范围为1.48<n₂<1.67，色散v₂范围为47<v₂<67，本优选实施例1中，第二透镜12采用H-KF6型号的玻璃材质，其折射率为1.517，色散为52.15。

第三透镜13的折射率n₃范围为1.47<n₃<1.57，色散v₃范围为61<v₃<81，本优选实施例1中，第三透镜13采用H-QK3L型号的玻璃材质，其折射率为1.487，色散为70.44。

第四透镜31的折射率n₄范围为1.48<n₄<1.67，色散v₄范围为47<v₄<67，本优选实施例1中，第四透镜31采用H-QF6型号的玻璃材质，其折射率为1.531，色散为48.84。

第五透镜32的折射率n₅范围为1.68<n₅<1.87，色散v₅范围为45<v₅<65，本优选实施例1中，第五透镜32采用H-LAF10L型号的玻璃材质，其折射率为1.788，色散为47.49。

离轴偏心的自由曲面透镜40的折射率n₆范围为1.47<n₆<1.57，色散v₆范围为61<v₆<81，本优选实施例1中，离轴偏心的自由曲面透镜40采用H-QK3L型号的玻璃材质，其折射率为1.487，色散为70.44。

从图1A可以看出，本发明实施例1的离轴偏心反射镜采用弯向光阑的类同心结构。具体来说每个非球面反射镜可以看做拥有一个近似的球心，当多个非球面反射镜的球心基本重合，且光阑或者光阑的像在通过球心位置的平面附近时可称为类同心结构。类同心结构反射镜的主要优点是，由于光阑或者光阑的像在球心位置附近，反射镜的主要像差为球差，其它轴外像差很小。此外，类同心结构凸面和凹面反射镜的组合，可以实现像方远心成像。因此，在光学设计过程中利用类同心结构的反射镜组实现像方远心的聚焦成像，利用折射式光学镜组校正场曲、畸变等轴外像差，实现像差补偿。并且折射镜组的光焦度较小，容易通过玻璃材料的选择来校正色差。

本发明实施例1的镜头有效焦距为f＝210mm，F/#＝6，工作波段430nm至700nm，其水平全视场达到X方向67.2度，Y方向全视场为0.2度，光学系统为离轴偏视场结构，系统的中心视场在Y方向偏离轴上视场6.5°。

图1A和图1B表示出了本发明实施例1的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统X方向和Y方向的结构示意图。

本发明实施例1中的光学系统含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统。本发明实施例1中的光学系统采用折反射式结构，不仅实现了210mm的长焦距和67.2°宽的线视场成像，并且实现了准像方远心成像。此外，光学系统使用离轴偏视场结构，多个非球面折射镜和一个离轴偏心的自由曲面透镜，有效地控制了畸变。该发明结合了折射式和反射式光学系统的优点，实现了长焦距宽视场成像。折射镜组的最大口径为190mm，反射镜组的最大口径为400mm，折射镜组的口径较小，避免了光学系统透镜材料口径过大的问题，并且降低了光学系统加工生产的难度。同时，折射镜组的光焦度较小，反射镜承担了主要的光焦度。本光学系统充分利用了反射式光学系统所具有的无色差、工作光谱范围宽、温度稳定性好等特点，还有效降低了折射镜组对色差的校正难度。

本发明实施例1的光学元件参数如下表一到表四所示。

本发明实施例1的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统的表面类型、曲率半径、厚度、空气间隔、材料和口径如下表一所示：

表一光学系统的表面类型、曲率半径、厚度、空气间隔、材料和口径

表一中，表面1为第一透镜11的前表面，表面2为第一透镜11的后表面。表面3为第二透镜12的前表面，表面4为第二透镜12的后表面。表面5为第三透镜13的前表面，表面6为第三透镜13的后表面。表面7为光阑表面。表面8为第四透镜31的前表面，表面9为第四透镜31的后表面。表面10为第五透镜32的前表面，表面11为第五透镜32的后表面。表面12为离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面，表面13为离轴偏心的自由曲面透镜40的后表面。表面14为第一反射镜51的表面。表面15为第二反射镜52的表面。

由于表面14为反射镜的表面，所以，表面14的厚度(间隔)为负号，并且指的是此面到下一个面的距离。表面15为反射镜的表面，所以表面15的厚度(间隔)变为正号，并且指的是此面到下一个面的距离。

针对本发明实施例1的各个非球面相关的非球面系数，如表二中所示，本发明实施例1中涉及的非球面方程为：

表二本发明实施例1中非球面系数

表二中，表面2为第一透镜11的后表面，表面4为第二透镜12的后表面，表面6为第三透镜13的后表面，表面8为第四透镜31的前表面，表面10为第五透镜32的前表面。如前文所述，所述第一透镜11的其后表面为非球面；第二透镜12的后表面为非球面；第三透镜13的后表面为非球面；第四透镜31的前表面为非球面；第五透镜32的前表面为非球面。

表面13为离轴偏心的自由曲面透镜40的后表面。表面13为离轴偏心的自由曲面透镜40的自由曲面。优选地，离轴偏心的自由曲面透镜40的自由曲面为XY Polynomial面，其方程为

j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1

本发明实施例1中自由曲面透镜后表面的系数如下表三所示：

表三本发明实施例1中自由曲面透镜后表面的系数

本发明实施例1中自由曲面透镜、两个非球面反射镜和像面的离轴偏心系数如下表四所示，(优选地，所有元件为基本偏心)：

表面	Y偏心	Alpha倾斜
			12	32.36	-0.27
14	-94.39	-0.55
			15	-56.59	-16.71
像面	50.34	0

表四自由曲面透镜、两个非球面反射镜和像面的离轴偏心系数

表四中，表面12为离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面。表面14为第一反射镜51的表面。表面15为第二反射镜52的表面。

从图1A可以看出，各视场的主光线基本垂直于像面，分析表明，各视场主光线与像面法线的夹角均小于8°，实现了像方远心成像。

图2A和图2B是本发明实施例1的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function)曲线，图中横轴表示空间频率，单位为线对每毫米(lp/mm)；纵轴表面调制传递函数(MTF)的数值。所述调制传递函数MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0到1.0，MTF曲线越高越直表示镜头成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图2A和图2B可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线在77lp/mm处均大于0.42。此外，图2A和图2B中各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头组件在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。

图3是本发明实施例1的光学系统的畸变示意图，其中横轴表示X方向-33.60°～+33.60°的视场，纵轴表示Y方向-6.6°～-6.4°视场。畸变是实际镜头对物体成像时的一种扭曲，它会使直线成像为曲线，在实际成像中是不可避免的。本实施例1的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统有效地控制了畸变，在X方向-33.60°～+33.60°视场，Y方向-6.6°～-6.4°的畸变小于0.27％。

实施例2

图4A和图4B表示出了本发明实施例2的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统X方向和Y方向的结构示意图。与实施例1相比，实施例2的反射镜组50包括三个离轴偏心的反射镜。第一反射镜51为曲率半径非常大的球面凸面镜，主要起到折叠光路的作用，并且折射镜组和光阑等被第一反射镜51反射后所成的虚像位于第一反射镜后面；第二反射镜52为非球面凹面镜，第三反射镜53为球面凸面镜，第二反射镜52和第三反射镜53都弯向光阑的像，这两个反射镜仍采用类同心结构。具体来说，第二反射镜52和第三反射镜53可以看做拥有一个近似的球心，当多个非球面反射镜的球心基本重合，且光阑或者光阑的像在通过球心位置的平面附近时可称为类同心结构。类同心结构反射镜的主要优点是，由于光阑或者光阑的像在球心位置附近，反射镜的主要像差为球差，其它轴外像差很小。此外，类同心结构凸面和凹面反射镜的组合，可以实现像方远心成像。与实施例1中的离轴两反结构相比，这种离轴三反式结构的好处是：1、可以对像差进行更好地校正，从而增大光学系统Y方向的视场；2、凸面反射镜都可以采用球面结构，避免了较难加工的凸面非球面反射镜；3、可以进一步折叠光路，缩小光学系统的体积。

进一步，具有正光焦度的第一折射镜组10包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13沿光路依次设置。具有负光焦度的第二折射镜组30包括第四透镜31和第五透镜32；第四透镜31和第五透镜32沿光路依次设置。具有正光焦度的反射镜组50包括具有正光焦度的反射镜组50包括第一反射镜51、第二反射镜52和第三反射镜53。第一反射镜51、第二反射镜52和第三反射镜53也沿光路依次设置。

所述第一透镜11的前表面为球面，其后表面为非球面；第二透镜12的前表面为球面，其后表面为非球面；第三透镜13的前表面为球面，其后表面为非球面；第四透镜31的前表面为非球面，其后表面为球面；第五透镜32的前表面为非球面，其后表面为球面；离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面为球面，其后表面为自由曲面；第一反射镜51为曲率半径非常大的球面凸面镜，第二反射镜52为非球面凹面镜，第三反射镜53为球面凸面镜。

第一透镜11的折射率n₁范围为1.60<n₁<1.81，色散v₁范围为46<v₁<58，本优选实施例2中，第一透镜11采用H-ZLAF50D型号的玻璃材质，其折射率为1.804，色散为46.58。

第二透镜12的折射率n₂范围为1.48<n₂<1.67，色散v₂范围为47<v₂<67，本优选实施例2中，第二透镜12采用H-ZBAF52型号的玻璃材质，其折射率为1.670，色散为47.20。

第三透镜13的折射率n₃范围为1.47<n₃<1.57，色散v₃范围为61<v₃<81，本优选实施例2中，第三透镜13采用H-QK3L型号的玻璃材质，其折射率为1.487，色散为70.44。

第四透镜31的折射率n₄范围为1.48<n₄<1.67，色散v₄范围为47<v₄<67，本优选实施例2中，第四透镜31采用H-KF6型号的玻璃材质，其折射率为1.517，色散为52.15。

第五透镜32的折射率n₅范围为1.68<n₅<1.87，色散v₅范围为45<v₅<65，本优选实施例2中，第五透镜32采用H-LAF10L型号的玻璃材质，其折射率为1.788，色散为47.49。

离轴偏心的自由曲面透镜40的折射率n₆范围为1.47<n₆<1.57，色散v₆范围为61<v₆<81，本优选实施例2中，离轴偏心的自由曲面透镜40采用H-QK3L型号的玻璃材质，其折射率为1.487，色散为70.44。

从图4A和图4B中可以看出，第一反射镜51为曲率半径非常大的球面凸面镜，主要起到折叠光路的作用，并且折射镜组和光阑等被第一反射镜51反射后所成的虚像位于第一反射镜后面；第二反射镜52为非球面凹面镜，第三反射镜53为球面凸面镜，第二反射镜52和第三反射镜53都弯向光阑的像，这两个反射镜仍采用类同心结构。具体来说第二反射镜52和第三反射镜53可以看做拥有一个近似的球心，当多个非球面反射镜的球心基本重合，且光阑或者光阑的像在通过球心位置的平面附近时可称为类同心结构。类同心结构反射镜的主要优点是，由于光阑或者光阑的像在球心位置附近，反射镜的主要像差为球差，其它轴外像差很小。此外，类同心结构凸面和凹面反射镜的组合，可以实现像方远心成像。因此，在光学设计过程中利用类同心结构的反射镜组实现像方远心的聚焦成像，利用折射式光学镜组校正场曲、畸变等轴外像差，实现像差补偿。并且折射镜组的光焦度较小，容易通过玻璃材料的选择来校正色差。

本发明实施例2的镜头有效焦距为f＝210mm，F/#＝6，工作波段430nm至700nm，其水平全视场达到X方向67.2度，Y方向全视场为0.61度，光学系统为离轴偏视场结构，其中心视场在Y方向偏离轴上视场6.6°。

本发明实施例2中的光学系统含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统。本发明实施例2中的光学系统采用折反射式结构，不仅实现了210mm的长焦距和67.2°宽的线视场成像，并且实现了准像方远心成像。此外，光学系统使用离轴偏视场结构，多个非球面折射镜和一个离轴偏心的自由曲面透镜，有效地控制了畸变。该发明结合了折射式和反射式光学系统的优点，实现了长焦距宽视场成像。折射镜组的最大口径为200mm，反射镜组的最大口径为400mm，折射镜组的口径较小，避免了光学系统透镜材料口径过大的问题，并且降低了光学系统加工生产的难度。同时，折射镜组的光焦度较小，反射镜承担了主要的光焦度。本光学系统充分利用了反射式光学系统所具有的无色差、工作光谱范围宽、温度稳定性好等特点，还有效降低了折射镜组对色差的校正难度。

本发明实施例2的光学元件参数如下表五到表八所示。

本发明实施例2的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统的表面类型、曲率半径、厚度、空气间隔、材料和口径如下表五所示：

表五光学系统的表面类型、曲率半径、厚度、空气间隔、材料和口径

表五中，表面1为第一透镜11的前表面，表面2为第一透镜11的后表面。表面3为第二透镜12的前表面，表面4为第二透镜12的后表面。表面5为第三透镜13的前表面，表面6为第三透镜13的后表面。表面7为光阑表面。表面8为第四透镜31的前表面，表面9为第四透镜31的后表面。表面10为第五透镜32的前表面，表面11为第五透镜32的后表面。表面12为离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面，表面13为离轴偏心的自由曲面透镜40的后表面。表面14为第一反射镜51的表面。表面15为第二反射镜52的表面。表面16为第三反射镜53的表面。

由于表面14为反射镜的表面，所以，表面14的厚度(间隔)为负号，并且指的是此面到下一个面的距离。表面15为反射镜的表面，所以表面15的厚度(间隔)变为正号，并且指的是此面到下一个面的距离。第表面16为反射镜的表面，表面16的厚度(间隔)变为负号，并且指的是此面到下一个面的距离。

针对本发明实施例2的各个非球面相关的非球面系数，如表六中所示，本发明实施例2中涉及的非球面方程为：

表六本发明实施例2中非球面系数

j＝[m+n]²+m+3n]/2+1

本发明实施例2中自由曲面透镜后表面的系数如下表七所示：

表七本发明实施例2中自由曲面透镜后表面的系数

本发明实施例2中自由曲面透镜、三个反射镜和像面的离轴偏心系数如下表八所示，(优选地，所有元件为基本偏心)：

表面	Y偏心	Alpha倾斜
			12	-30.00	-18.00
14	-85.95	39.69
			15	85.22	12.69
16	-51.27	6.78
			像面	36.60	0

表八自由曲面透镜、三个反射镜和像面的离轴偏心系数

表八中，表面12为离轴偏心的自由曲面透镜40的前表面。表面14为第一反射镜51的表面。表面15为第二反射镜52的表面。表面16为第三反射镜53的表面。

图5A和图5B是本发明实施例2的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function)曲线。从图5A和图5B可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的调制传递函数MTF曲线在77lp/mm处均大于0.40。

图6是本发明实施例2的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统的畸变示意图，其中横轴表示X方向-33.60°～+33.60°的视场，纵轴表示Y方向-6.905°～-6.295°视场。本实施例2的含有自由曲面透镜的长焦距大视场折反射式远心光学系统使用一个离轴偏心的自由曲面透镜，有效地控制了畸变，在X方向-33.60°～+33.60°视场，Y方向-6.905°～-6.295°视场的畸变小于0.05％。

综上，本发明提出一种新型的含有自由曲面的折反射式光学系统结构。其有益效果在于：

系统分为折射镜组和反射镜组，折射镜组的光焦度较小，反射镜承担了主要的光焦度，并且离轴反射镜组实现像方远心的聚焦成像。设计中尽量减少折射元件的数量，减小折射元件的口径，同时使用含有自由曲面的透镜校正畸变，进行像差优化设计，在增大焦距和视场的同时降低设计制造难度和成本。

本发明中离轴偏心的反射镜采用弯向光阑的类同心结构。具体来说每个非球面反射镜可以看做拥有一个近似的球心，当多个非球面反射镜的球心基本重合，且光阑或者光阑的像在通过球心位置的平面附近时可称为类同心结构。类同心结构反射镜的主要优点是，由于光阑或者光阑的像在球心位置附近，反射镜的主要像差为球差，其它轴外像差很小。此外，类同心结构凸面和凹面反射镜的组合，可以实现像方远心成像。因此，在光学设计过程中利用类同心结构的反射镜组实现像方远心的聚焦成像，利用折射式光学镜组校正场曲、畸变等轴外像差，实现像差补偿。

该长焦距大视场折反射式远心光学系统采用折反射式结构，不仅实现了210mm的长焦距和X方向67.2°宽的线视场成像，并且实现了准像方远心成像。此外，光学系统使用离轴偏视场结构，多个非球面折射镜和一个离轴偏心的自由曲面透镜，有效地控制了畸变。该发明结合了折射式和反射式光学系统的优点，实现了长焦距宽视场的像方远心成像。折射镜组的最大口径为200mm，反射镜组的最大口径为400mm，折射镜组的口径较小，避免了光学系统透镜材料口径过大的问题，并且降低了光学系统加工生产的难度。同时，折射镜组的光焦度较小，反射镜承担了主要的光焦度。本光学系统充分利用了反射式光学系统所具有的无色差、工作光谱范围宽、温度稳定性好等特点，还有效降低了折射镜组对色差的校正难度。本发明非常适合于多线阵立体测绘、航空高分辨光谱成像等领域。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，其包括：第一折射镜组、光阑、第二折射镜组、自由曲面透镜和反射镜组，所述第一折射镜组、所述光阑、所述第二折射镜组、所述自由曲面透镜和所述反射镜组依次沿光路设置，光能够依次穿过所述第一折射镜组、所述光阑、所述第二折射镜组、所述自由曲面透镜而抵达所述反射镜组，所述反射镜组能够对光进行反射。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一折射镜组为具有正光焦度的折射镜组，所述第二折射镜组为具有负光焦度的折射镜组，所述反射镜组为具有正光焦度的反射镜组，所述第一折射镜组、所述光阑和所述第二折射镜组为同轴组件，所述自由曲面透镜为离轴偏心组件；所述反射镜组为离轴偏心组件。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一折射镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿光路依次设置；所述第二折射镜组包括第四透镜和第五透镜，所述第四透镜和所述第五透镜沿光路依次设置。

4.如权利要求1-3任一所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜组至少包括两个反射镜。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，当所述反射镜组仅包括第一反射镜和第二反射镜共两个反射镜时，所述第一反射镜为非球面凹面镜，所述第二反射镜为非球面凸面镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜沿光路依次设置。

6.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，当所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜共三个反射镜时，所述第一反射镜为球面凸面镜，所述第二反射镜为非球面凹面镜，所述第三反射镜为球面凸面镜。

7.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第二透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第三透镜的前表面为球面，其后表面为非球面；所述第四透镜的前表面为非球面，其后表面为球面；所述第五透镜的前表面为非球面，其后表面为球面；所述自由曲面透镜的前表面为球面，其后表面为自由曲面。

8.如权利要求2或7所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述自由曲面透镜均为玻璃材质的光学器件。

9.如权利要求2或7所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率范围为1.60至1.81，所述第一透镜的色散范围为46至58；所述第二透镜的折射率范围为1.48至1.67，所述第二透镜的色散范围为47至67；所述第三透镜的折射率范围为1.47至1.57，所述第三透镜的色散范围为61至81；所述第四透镜的折射率范围为1.48至1.67，所述第四透镜的色散范围为47至67；所述第五透镜的折射率范围为1.68至1.87，所述第五透镜的色散范围为45至65；所述自由曲面透镜的折射率范围为1.47至1.57，所述自由曲面透镜色散范围为61至81。

10.如权利要求1-3任一所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜组中的离轴偏心反射镜采用弯向所述光阑的类同心结构。