CN112859313A - 离轴反射式发射成像共孔径光学系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了离轴反射式发射成像共孔径光学系统及方法，包括发射光路与成像光路，以及第一反射镜、第二反射镜、分光镜、第三反射镜和第四反射镜；且发射光路与成像光路在第一反射镜、第二反射镜、分光镜之间光段共光路；成像光路入瞳同时也是发射光路出瞳等；本发明具有全波段无色差，成像质量和发射光束质量优秀，结构简单，生产和维护成本低，系统装调便利等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光发射和成像领域，更为具体的，涉及离轴反射式发射成像共孔径光学系统及方法。
背景技术
激光通讯具有传输损耗小、传输距离远、通信质量高、通讯容量大，保密性强等优点，但是在移动中进行远距离激光通讯时，由于通讯目标的相对位置随时都在变化，必须配备目标跟踪系统用以实时探测并跟踪通讯目标位置。这就会同时用到成像光学系统和激光发射光学系统，随着应用要求的不断提高，对系统的集成性、功能的多元化的需求也日益紧迫。
将发射和成像光学系统一体化设计已是一种趋势，目前发射和成像光学系统一体化设计多采用透镜式光学系统实现，但是成像系统与发射系统通常工作的不同的波段，由于采用透射玻璃元件，不可避免的存在色差问题，造成仪器体积庞大光路透镜设计复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供离轴反射式发射成像共孔径光学系统及方法，具有全波段无色差，成像质量和发射光束质量优秀，结构简单，生产和维护成本低，系统装调便利等优点。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
离轴反射式发射成像共孔径光学系统，包括发射光路与成像光路，其特征在于，设置有第一反射镜、第二反射镜、分光镜、第三反射镜和第四反射镜；且发射光路与成像光路在第一反射镜、第二反射镜、分光镜之间光段共光路；成像光路入瞳同时也是发射光路出瞳；
在所述成像光路中，第一反射镜将成像光路入瞳光束折转并会聚至第二反射镜，第二反射镜将第一反射镜会聚的光束整形为近似平行光束并折转至分光镜，近似平行光束透过分光镜射入第三反射镜，第三反射镜将分光镜所透射的近似平行光束进行一次成像并折转至第四反射镜，同时产生部分球差；第四反射镜将第三反射镜折转的光束继续折转并引入与自第三反射镜入射的光束相对应的球差和相差，综合后以平衡系统像差，并使得光束在像面处成像；
在所述发射光路中，发射激光由发射入瞳入射，分光镜将由发射入瞳射入的激光折转至第二反射镜，第二反射镜将分光镜折转的激光折转至第一反射镜，并将光束发散，第一主反射镜将第二反射镜折转射入光束折转至发射光路出瞳，并在预设距离位置会聚。
进一步地，第一反射镜、第二反射镜、分光镜、第三反射镜和第四反射镜均离轴使用。
进一步地，第一反射镜、第三反射镜、第四反射镜均为非球面，第二反射镜为旋转抛物面。
进一步地，第一反射镜具有正光焦度。
进一步地，第二反射镜具有负光焦度。
进一步地，第三反射镜具有正光焦度。
进一步地，第四反射镜具有正光焦度。
进一步地，第四反射镜为二次曲面。
进一步地，第二反射镜沿其光轴平动能实现发射光路与成像光路同步调焦。
基于离轴反射式发射成像共孔径光学系统的方法，包括步骤：用于对极紫外波段至长波红外波段的入射光束成像与发射激光发射。
本发明的有益效果是：
本发明全波段无色差，成像质量和发射光束质量优秀，结构简单，生产和维护成本低，系统装调便利等；具体的，
在本发明实施例中采用全反射式光路，对极紫外波段至长波红外波全波段无色差，避免了发射光路与成像光路工作波段差异对系统性能的影响，且在系统更换工作波段时无需更改光学系统设计。
在本发明实施例中光路采用子午面对称式设计，且非平行光路段的反射镜都采用共焦点设计，使得系统子午面和弧矢面内的像差极低，且成像光路视场和发射光路视场皆为圆视场。
在本发明实施例中发射光束和成像光束在分光镜处都是平行光束，使得系统可同时实现优秀的发射光束质量和成像质量。
在本发明实施例中光学成像与激光发射光路仅通过四片反射镜和一片分光镜，共计五片镜子，结构简单，生产和维护成本低。
在本发明实施例中第一反射镜与第二反射镜共焦点，第三反射镜与第四反射镜共焦点，在第二反射镜与第三反射镜之间的光路为平行光，给系统装调带来了极大的便利性。
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1为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统的光路结构示意图；
图2为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的点列图；
图3为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统发射光路的点列图；
图4为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的点扩散函数图；
图5为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统发射光路的点扩散函数图；
图6为本发明实施例的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的光学传递函数测试图；
图中，0-成像光路入瞳，1-第一反射镜，2-第二反射镜，3-分光镜，4-第三反射镜，5-第四反射镜，6-像面，7-发射入瞳。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～6所示，离轴反射式发射成像共孔径光学系统，
离轴反射式发射成像共孔径光学系统，包括发射光路与成像光路，其特征在于，设置有第一反射镜1、第二反射镜2、分光镜3、第三反射镜4和第四反射镜5；且发射光路与成像光路在第一反射镜1、第二反射镜2、分光镜3之间光段共光路；成像光路入瞳0同时也是发射光路出瞳；
在所述成像光路中，第一反射镜1将成像光路入瞳0光束折转并会聚至第二反射镜2，第二反射镜2将第一反射镜1会聚的光束整形为近似平行光束并折转至分光镜3，近似平行光束透过分光镜3射入第三反射镜4，第三反射镜4将分光镜3所透射的近似平行光束进行一次成像并折转至第四反射镜5，同时产生部分球差；第四反射镜5将第三反射镜4折转的光束继续折转并引入与自第三反射镜4入射的光束相对应的球差和相差，综合后以平衡系统像差，并使得光束在像面6处成像；
在所述发射光路中，发射激光由发射入瞳7入射，分光镜3将由发射入瞳7射入的激光折转至第二反射镜2，第二反射镜2将分光镜3折转的激光折转至第一反射镜1，并将光束发散，第一主反射镜1将第二反射镜2折转射入光束折转至发射光路出瞳，并在预设距离位置会聚。
进一步地，第一反射镜1、第二反射镜2、分光镜3、第三反射镜4和第四反射镜5均离轴使用。
进一步地，第一反射镜1、第三反射镜4、第四反射镜5均为非球面，第二反射镜2为旋转抛物面。
进一步地，第一反射镜1具有正光焦度。
进一步地，第二反射镜2具有负光焦度。
进一步地，第三反射镜4具有正光焦度。
进一步地，第四反射镜5具有正光焦度。
进一步地，第四反射镜5为二次曲面。
进一步地，第二反射镜2沿其光轴平动能实现发射光路与成像光路同步调焦。
基于离轴反射式发射成像共孔径光学系统的方法，包括步骤：用于对极紫外波段至长波红外波段的入射光束成像与发射激光发射。
在本发明的其他实施例中，表1给出了本发明实施实例中的离轴反射式发射成像共孔径光学系统的基本参数。
表1 光学系统参数
| 成像入瞳口径(激光发射口径) | 400mm |
| 成像视场角 | ±1mrad |
| 发射光路焦距 | 1430mm |
| 成像光路焦距 | 6000mm |
| 波长 | 632.8nm，808nm，1530nm |
表2给出了本发明实施实例中的离轴反射式发射成像共孔径光学系统每个光学元件的参数。
表2 光学元件参数
其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数；表2中的“曲率半径”表正负断定原则是：以该面顶点作为起点，终点为该面的曲率中心。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半径为无穷大，具体设置视光学设计软件而定，也可以用一个很大的数值代替，如1E20；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离。其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。表2中的“半口径”是离轴反射成像光学系统各个元件在入瞳为400mm时的半口径值。如果调整入瞳尺寸，则半口径也会改变。
表3为第一主反射镜(即表2中“表面序号”为1的非球面)的非球面系数。
表3 第一主反射镜非球面系数
| 阶次 | 系数 |
| 4阶系数 | -3.8281e-015 |
| 6阶系数 | 1.2931e-020 |
| 8阶系数 | -1.9332e-026 |
| 10阶系数 | 9.1571e-033 |
表4为第三反射镜(即表2中“表面序号”为5的非球面)的非球面系数。
表4 第一主反射镜非球面系数
| 阶次 | 系数 |
| 4阶系数 | 4.6653e-012 |
| 6阶系数 | -4.9178e-017 |
| 8阶系数 | -2.1347e-021 |
| 10阶系数 | 5.9515e-026 |
图2本发明实施例提供的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的点列图。如图3所示，其中圆圈为系统艾里斑。由图2可以看出，系统点列图远小于衍射艾里斑，表明该系统像成像质量很好。
图3本发明实施例提供的离轴反射式发射成像共孔径光学系统发射光路的点列图。如图3所示，其中圆圈为系统艾里斑。由图3可以看出，系统点列图远小于衍射艾里斑，表明该系统发射光束的光束质量很好。
图4为本发明实施例提供的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的点扩散函数图。如图4所示，由图4中可以看到点扩散函数图形是圆对称结构，且可以看到一级衍射环条纹。表明该系统像成像质量很好。
图5为本发明实施例提供的离轴反射式发射成像共孔径光学系统发射光路的点扩散函数图。如图5所示，由图5中可以看到点扩散函数图形是圆对称结构，且可以看到一级衍射环条纹。表明该系统像发射质量很好。
图6为本发明实施例提供的离轴反射式发射成像共孔径光学系统成像光路的光学传递函数(MTF：ModulationTransferFunction)。如图6所示，由图6中可以看到系统对于各个视场的光学传递函数都很高，达到衍射极限。表明该系统成像质量很好。
本发明实施例采用了全反射式光路，系统对极紫外波段至长波红外波全波段无色差，避免了发射光路与成像光路工作波段差异对系统性能的影响，且在系统更换工作波段时无需更改光学系统设计。在本发明实施例中光学成像与激光发射光路仅通过四片反射镜和一片分光镜，共计五片镜子，结构简单，生产和维护成本低。在本发明中第一反射镜1与第二反射镜2共焦点，第三反射镜4与所述第四反射镜5共焦点，在第二反射镜与第三反射镜之间的光路为平行光，给系统装调带来了极大的便利性；在本发明实施例中，光路采用子午面对称式设计，且非平行光路段的反射镜都采用共焦点设计，使得系统子午面和弧矢面内的像差极低，且成像光路视场为圆视场。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。
Claims (10)
1.离轴反射式发射成像共孔径光学系统，包括发射光路与成像光路，其特征在于，设置有第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、分光镜(3)、第三反射镜(4)和第四反射镜(5)；且发射光路与成像光路在第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、分光镜(3)之间光段共光路；成像光路入瞳(0)同时也是发射光路出瞳；
在所述成像光路中，第一反射镜(1)将成像光路入瞳(0)光束折转并会聚至第二反射镜(2)，第二反射镜(2)将第一反射镜(1)会聚的光束整形为近似平行光束并折转至分光镜(3)，近似平行光束透过分光镜(3)射入第三反射镜(4)，第三反射镜(4)将分光镜(3)所透射的近似平行光束进行一次成像并折转至第四反射镜(5)，同时产生部分球差；第四反射镜(5)将第三反射镜(4)折转的光束继续折转并引入与自第三反射镜(4)入射的光束相对应的球差和相差，综合后以平衡系统像差，并使得光束在像面(6)处成像；
在所述发射光路中，发射激光由发射入瞳(7)入射，分光镜(3)将由发射入瞳(7)射入的激光折转至第二反射镜(2)，第二反射镜(2)将分光镜(3)折转的激光折转至第一反射镜(1)，并将光束发散，第一主反射镜(1)将第二反射镜(2)折转射入光束折转至发射光路出瞳，并在预设距离位置会聚。
2.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、分光镜(3)、第三反射镜(4)和第四反射镜(5)均离轴使用。
3.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第一反射镜(1)、第三反射镜(4)、第四反射镜(5)均为非球面，第二反射镜(2)为旋转抛物面。
4.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第一反射镜(1)具有正光焦度。
5.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第二反射镜(2)具有负光焦度。
6.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第三反射镜(4)具有正光焦度。
7.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第四反射镜(5)具有正光焦度。
8.根据权利要求3所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第四反射镜(5)为二次曲面。
9.根据权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统，其特征在于，第二反射镜(2)沿其光轴平动能实现发射光路与成像光路同步调焦。
10.基于权利要求1所述的离轴反射式发射成像共孔径光学系统的方法，其特征在于，包括步骤：用于对极紫外波段至长波红外波段的入射光束成像与发射激光发射。
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