CN111367067A - 一种全反射式无焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种全反射式无焦光学系统，其包括：沿光路先后顺序依次排列第一光路模块和第二光路模块，所述第一光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第一反射镜和第二反射镜，第二光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第三反射镜和第四反射镜。本发明的系统采用了四片反射镜，均为反射式元件，能够接收不同波段的光线而不产生色差，从而具有多波段、共口径的优点，四片反射镜构成一个非共轴的光学系统，将入射平行宽光束压缩呈平行细光束，避免光线的二次遮拦，同时满足共焦的条件，具有较小的成像畸变特性，结构紧凑、适装性好。

Description

一种全反射式无焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种全反射式无焦光学系统。
背景技术
无焦光学系统即为入射和出射波前均为平面波的光学系统，对光束没有汇聚和发散作用，也称做望远镜系统。无焦光学系统除了用于传统的望远镜、激光扩束以外，还可以作为成像光学系统的一部分来使用。特别是在需要像移补偿或稳像的光学系统，利用无焦光学系统对光束的缩放作用，在无焦光学系统和成像光学系统之间设置小口径平面镜(即快速反射镜Fast Steering Mirror)，通过快速反射镜转动来消除探测器曝光期间内目标和图像之间相对运动，例如卫星、机载、车辆等动平台的光学系统。
传统透射式或者折反射式无焦光学系统受材料和镀膜技术所限，多波段、共口径透射式光学系统的设计难度大且结构复杂，相比之下，反射式光学系统无色差、光能利用率高、空间利用率高，可较好地满足宽波段、大口径、小型化的应用需求。
对于多波段、共口径的无焦光学系统设计，现有透射式或折反射式光学系统形式受材料限制且设计难度大，而反射式无焦光学系统通常存在二次遮拦且成像畸变大的问题。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的全反射式无焦光学系统成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种全反射式无焦光学系统。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种全反射式无焦光学系统，该系统包括：
沿光路先后顺序依次排列第一光路模块和第二光路模块，所述第一光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第一反射镜和第二反射镜，第二光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第三反射镜和第四反射镜，所述第二反射镜位于所述第一反射镜的一侧，所述第三反射镜和第四反射镜位于所述第一反射镜的另一侧，所述第四反射镜位于所述第一反射镜和所述第三反射镜之间；
所述第一反射镜的焦点与所述第二反射镜的焦点在第一重合点处重合，所述第二反射镜围绕所述第一重合点转动，所述第二反射镜的焦点和所述第三反射镜的焦点在第二重合点处重合，所述第三反射镜围绕所述第二重合点转动，所述第三反射镜的焦点和所述第四反射镜的焦点在第三重合点处重合，所述第四反射镜围绕所述第三重合点转动；
入射光线经过所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后，在所述第二反射镜和所述第三反射镜之间形成有中间像，所述中间像再经所述第三反射镜反射至所述第四反射镜，以平行光线出射，所述中间像位于所述第二重合点处，所述第一光路模块的后焦点与所述第二光路模块的前焦点在所述中间像面处重合。
优选地，所述第二反射镜和所述第三反射镜分别包括至少两个焦点，所述第二反射镜的一个焦点与第一反射镜的焦点重合，形成所述第一重合点，所述第二反射镜的另一个焦点与所述第三反射镜的一个焦点重合，形成所述第二重合点，所述第三反射镜的另一个焦点与所述第四反射镜的焦点重合，形成所述第三重合点。
优选地，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的面型包括二次曲面、高次非球面或自由曲面。
优选地，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的面型均为二次曲面。
优选地，所述第一反射镜的面型为同轴抛物面，所述第二反射镜的面型为同轴双曲面，所述第三反射镜的面型为离轴双曲面，所述第四反射镜的面型为离轴抛物面。
优选地，该系统还包括位于光路入口处依次设置的入瞳和孔径光阑、位于光路出口处的出瞳。
优选地，该系统的视放大率即角放大率的绝对值为入瞳直径与出瞳直径之比。
优选地，所述入瞳和所述孔径光阑均位于所述第一反射镜上。
优选地，在另一些系统中，还包括在所述出瞳处设置成像物镜，所述成像物镜为单波段物镜或多波段物镜。
优选地，在另一些系统中，还包括在所述出瞳处设置用于像移补偿的快速反射镜。
本发明的系统采用了四片反射镜，均为反射式元件，能够接收不同波段的光线而不产生色差，从而具有多波段、共口径的优点，四片反射镜构成一个非共轴的光学系统，将入射平行宽光束压缩呈平行细光束，避免光线的二次遮拦，同时满足共焦的条件，具有较小的成像畸变特性，该系统的结构紧凑、适装性好。
附图说明
图1是本发明的全反射式无焦光学系统的结构示意图。
其中，图1中，F1为第一反射镜1的抛物面焦点；F2 1为第二反射镜2的双曲面的前焦点；F2 2为第二反射镜2的双曲面的后焦点；F3 1为第三反射镜3的双曲面的前焦点；F3 2为第三反射镜3的双曲面的后焦点；F4为第四反射镜4的抛物面焦点。
图2是本发明的全反射式无焦光学系统的MTF曲线图。
图3是本发明的全反射式无焦光学系统的网格畸变图。
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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。
本发明实施例提供了一种全反射式无焦光学系统，该系统中的光学元件全部为反射式元件，能够接收不同波段的光线而不产生色差，从而具有多波段、共口径的优点，此外，本发明的实施例中采用了四片反射镜构成一个非共轴的光学系统，将来自目标的入射平行宽光束压缩呈平行细光束，避免光线的二次遮拦，同时满足共焦的条件，使成像质量在可见光波段接近衍射极限且能够达到与同轴光学系统一样，具有较小的成像畸变特性，该系统的结构紧凑、适装性好。
图1示出了一种全反射式无焦光学系统，请参见图1，该系统包括：沿光路先后顺序依次排列的第一光路模块10和第二光路模块20，其中，第一光路模块10包括：沿光路先后顺序依次排列的第一反射镜1和第二反射镜2，第二光路模块20包括：沿光路先后顺序依次排列的第三反射镜3和第四反射镜4。
具体地，第二反射镜2位于第一反射镜1的一侧，第三反射镜3和第四反射镜4位于第一反射镜1的另一侧，其中，第四反射镜4位于第一反射镜1和第三反射镜3之间。
进一步地，第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的面型包括二次曲面、高次非球面或自由曲面。
更进一步地，第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4的面型均为二次曲面。
具体地，第一反射镜1的面型为同轴抛物面，第二反射镜2的面型为同轴双曲面，第三反射镜3的面型为离轴双曲面，第四反射镜4的面型为离轴抛物面；第一反射镜1的抛物面焦点F1与第二反射镜2的双曲面的前焦点F2 1重合，该重合焦点为第一重合点F1/F2 1，第二反射镜2围绕第一重合点F1/F2 1转动，第二反射镜2的双曲面的后焦点F2 2和第三反射镜3的双曲面的前焦点F3 1重合，该重合焦点为第二重合点F2 2/F3 1，第三反射镜3围绕第二重合点F2 2/F3 1转动，第三反射镜3的双曲面的后焦点F3 2和第四反射镜4的抛物面焦点F4重合，该重合焦点为第三重合点F3 2/F4，第四反射镜4围绕第三重合点F3 2/F4转动，入射光线经过第一反射镜1和第二反射镜2反射后，在第二反射镜2和第三反射镜3之间形成有中间像A1，中间像A1再经第三反射镜3反射至第四反射镜4，以平行光线出射。
进一步地，中间像A1位于第二重合点处，第一光路模块10的后焦点为第二反射镜2的双曲面的后焦点F2 2，第二光路模块20的前焦点为第三反射镜3的双曲面的前焦点F3 1，第一光路模块10的后焦点与第二光路模块20的前焦点在中间像A1面处重合，具体地，该光学系统相当于一个开普勒望远镜，第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4满足共焦的条件，即第一光路模块10相当于正光焦度的望远物镜，第二光路模块20相当于正光焦度的望远目镜，望远物镜的后焦点与望远目镜的前焦点在中间像A1面处重合。
在本实施例的光学系统中，四片反射镜在光路方向上共焦不共轴，具有多波段、共口径、成像质量好、畸变小、结构紧凑、适装性好的优点，解决了传统的反射式无焦光学系统存在光线二次遮拦且成像畸变大的问题。
在上述实施例的基础上，本实施例中，该系统还包括位于光路入口处依次设置的入瞳(图中未示出)和孔径光阑(图中未示出)、位于光路出口处的出瞳A2，本实施例中，出瞳A2可作为望远镜头的出瞳A2，为有实出瞳。进一步地，入瞳和孔径光阑均位于第一反射镜1上。
在上述实施例的基础上，本实施例中，该系统的光束压缩比或视放大率或角放大率的绝对值为入瞳直径与出瞳A2直径之比，其计算公式为：
τ＝-D1/D2
其中，τ为光束压缩比或视放大率或角放大率，D1为入瞳直径，D2为出瞳A2直径。
在另一些优选地实施例中，该系统还包括设置于出瞳A2处的成像物镜，成像物镜为单波段物镜或多波段物镜。
在另一些优选地实施例中，该系统还包括设置于出瞳A2处的用于像移补偿的快速反射镜。
在本实施例中，该系统的成像质量接近衍射极限，系统主要技术指标如下：
入瞳直径：250mm，出瞳A2直径：36.6mm，
视放大率：-6.83×，
谱段范围：400-900nm，
物方全视场：0.90°×0.92°，
畸变率：-0.184％。
请参见表1，表1为本实施例的光学系统的具体光学参数。
Figure BDA0001920479380000061
本发明不限于上述实施例，上述反射镜可以采用其他种类的反射镜，例如：高次非球面、自由曲面反射镜等，应当理解的是，凡是在本发明技术方案的基础上作出的任何简单变形都在本发明意图保护范围之内。
请参见图2，图2为该系统的MTF(调制传递函数)曲线，表明本实施例的光学系统像质在可见光波段成像质量达到衍射极限。
请参见图3，图3为成像网格畸变图，如图3所示，本实施例的光学系统成像质量好，成像畸变小，畸变率为-0.184％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全反射式无焦光学系统，其特征在于，该系统包括：
沿光路先后顺序依次排列第一光路模块和第二光路模块，所述第一光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第一反射镜和第二反射镜，第二光路模块包括沿光路先后顺序依次排列设置的第三反射镜和第四反射镜，所述第二反射镜位于所述第一反射镜的一侧，所述第三反射镜和第四反射镜位于所述第一反射镜的另一侧，所述第四反射镜位于所述第一反射镜和所述第三反射镜之间；
所述第一反射镜的焦点与所述第二反射镜的焦点在第一重合点处重合，所述第二反射镜围绕所述第一重合点转动，所述第二反射镜的焦点和所述第三反射镜的焦点在第二重合点处重合，所述第三反射镜围绕所述第二重合点转动，所述第三反射镜的焦点和所述第四反射镜的焦点在第三重合点处重合，所述第四反射镜围绕所述第三重合点转动；
入射光线经过所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后，在所述第二反射镜和所述第三反射镜之间形成有中间像，所述中间像再经所述第三反射镜反射至所述第四反射镜，以平行光线出射，所述中间像位于所述第二重合点处，所述第一光路模块的后焦点与所述第二光路模块的前焦点在所述中间像面处重合。
2.根据权利要求1所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第二反射镜和所述第三反射镜分别包括至少两个焦点，所述第二反射镜的一个焦点与第一反射镜的焦点重合，形成所述第一重合点，所述第二反射镜的另一个焦点与所述第三反射镜的一个焦点重合，形成所述第二重合点，所述第三反射镜的另一个焦点与所述第四反射镜的焦点重合，形成所述第三重合点。
3.根据权利要求1所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的面型包括二次曲面、高次非球面或自由曲面。
4.根据权利要求3所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的面型均为二次曲面。
5.根据权利要求4所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的面型为同轴抛物面，所述第二反射镜的面型为同轴双曲面，所述第三反射镜的面型为离轴双曲面，所述第四反射镜的面型为离轴抛物面。
6.根据权利要求1所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，该系统还包括位于光路入口处依次设置的入瞳和孔径光阑、位于光路出口处的出瞳。
7.根据权利要求6所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，所述入瞳和所述孔径光阑均位于所述第一反射镜上。
8.根据权利要求6所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，该系统还包括在所述出瞳处设置成像物镜，所述成像物镜为单波段物镜或多波段物镜。
9.根据权利要求6所述的全反射式无焦光学系统，其特征在于，该系统还包括在所述出瞳处设置用于像移补偿的快速反射镜。
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