CN113311577A - 一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，解决现有反射望远物镜系统尺寸相对较大以及像差矫正能力比较受限的问题。该系统包括观察反射镜、会聚反射镜和探测器；被探测目标的光线沿着传播方向，依次通过观察反射镜、会聚反射镜到达探测器上成像；观察反射镜的光焦度为负，会聚反射镜的光焦度为正；孔径光阑位于观察反射镜处；观察反射镜与会聚反射镜的表面面形均为自由曲面，自由曲面的面形描述采用6阶扩展多项式，只包括x的偶次方项，该系统是一种视场、相对孔径大的紧凑型离轴两反自由曲面望远物镜系统，其在保证光学指标的基础上，进一步缩短系统尺寸，空间各方向尺寸均小于一半焦距。
Description
技术领域
本发明属于反射式望远物镜系统，具体涉及一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统。
背景技术
望远光学系统用来放大远处的探测目标，一般由物镜及目镜两部分组成。物镜用来收集远处目标发射的平行光线并成像，成像的物镜可以结合目镜使用，也可以直接成像在光电探测器上。
受限于像差矫正能力，传统反射式望远物镜一般采用同轴结构，导致光线遮拦，影响光通量。离轴反射望远物镜避免了光学遮拦，但一般指标不高、元件较多、体积很大。离轴反射物镜可以分为折射式、折反式以及反射式三中。反射式由于其孔径大、无色差的特点，更加适用于对遥远暗弱目标的宽谱段成像。
在机载、星载遥感探测任务中，由于航天航空器的自身尺寸限制，其对设备的尺寸十分敏感。在保证光学性能的基础上尽可能缩小望远物镜系统的尺寸，对于望远物镜在航空航天中的应用有重要意义。现有的离轴反射望远物镜系统一般采用球面或者非球面设计，比较典型的有离轴两反及离轴三反结构。离轴三反结构视场大，像差矫正能力好，但尺寸相对较大；离轴两反结构相对紧凑，比较适合尺寸较为受限的应用领域，但由于其优化自由度少，离轴两反光学系统的像差矫正能力比较受限，不利于实现大视场、大相对孔径的光学性能。因此，亟需设计一种光学性能较好的离轴两反望远系统，以满足现有的机载、星载遥感探测任务中对望远物镜的光学性能、体积的需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有离轴三反反射望远物镜系统尺寸相对较大，以及离轴两反反射望远物镜系统像差矫正能力比较受限的问题，提供一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，该系统是一种视场、相对孔径大的紧凑型离轴两反自由曲面望远物镜系统，其在保证光学指标的基础上，进一步缩短系统尺寸，空间各方向尺寸均小于一半焦距。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，包括观察反射镜、会聚反射镜和探测器；被探测目标的光线沿着传播方向，依次通过观察反射镜、会聚反射镜到达探测器上成像；所述观察反射镜的光焦度为负，所述会聚反射镜的光焦度为正；孔径光阑位于观察反射镜处；所述观察反射镜与会聚反射镜的表面面形均为自由曲面，自由曲面的面形描述采用6阶扩展多项式，只包括x的偶次方项；所述观察反射镜、会聚反射镜离轴角均在10°～20°之间，沿x轴逆时针方向旋转；所述会聚反射镜至探测器像面沿y轴方向的距离小于70mm，所述观察反射镜至会聚反射镜沿x轴方向的距离小于60mm；自由曲面离轴两反射望远物镜系统的F数范围为3.5～4.5，入瞳直径范围为30～50mm，视场角为矩形视场，对角视场范围在2.5°～3.5°；所述会聚反射镜上边缘与被探测目标的光线设置有一定距离，使得会聚反射镜上边缘不与光线干涉；所述观察反射镜上边缘与探测器下边缘设置有一定距离，使得观察反射镜上边缘与探测器下边缘互不干涉。
进一步地，所述观察反射镜、会聚反射镜的偏心量为0。
进一步地，自由曲面离轴两反射望远物镜系统的F数为4，有效焦距为150mm，对角全视场为2.5°。
进一步地，所述观察反射镜与会聚反射镜的扩展多项式为
式中，c为标准球面的顶点曲率；k为圆锥系数；z为自由曲面矢高，x，y分别代表自由曲面的两个坐标值；aj为扩展多项式系数，m和n随扩展多项式项数增加而变化；
观察反射镜的扩展多项式中，Y的扩展多项式系数为8.459×10-2，x2的扩展多项式系数为1.334×10-2，y2的扩展多项式系数为-9.381×10-4，x2y的扩展多项式系数为8.309×10-4，y3的扩展多项式系数为1.059×10-3，x4的扩展多项式系数为8.323×10-5，x2y2的扩展多项式系数为1.084×10-4，y4的扩展多项式系数为3.081×10-5，x4y的扩展多项式系数为-4.333×10-7，x2y3的扩展多项式系数为7.028×10-7，y5的扩展多项式系数为-7.484×10-7，x6的扩展多项式系数为-5.156×10-8，x4y2的扩展多项式系数为-9.504×10-7，x2y4的扩展多项式系数为-5.134×10-7，y6的扩展多项式系数为-1.196×10-7；
会聚反射镜的扩展多项式中，Y的扩展多项式系数为-6.622×10-2，x2的扩展多项式系数为1.886×10-2，y2的扩展多项式系数为--4.459×10-2，x2y的扩展多项式系数为-3.316×10-3，y3的扩展多项式系数为3.604×10-3，x4的扩展多项式系数为1.672×10-4，x2y2的扩展多项式系数为3.076×10-4，y4的扩展多项式系数为1.944×10-4，x4y的扩展多项式系数为1.139×10-5，x2y3的扩展多项式系数为2.816×10-5，y5的扩展多项式系数为1.704×10-5，x6的扩展多项式系数为-2.643×10-6，x4y2的扩展多项式系数为-2.895×10-5，x2y4的扩展多项式系数为-3.074×10-5，y6的扩展多项式系数为-1.310×10-5。
进一步地，所述观察反射镜的曲率半径为212.160±1mm，所述会聚反射镜的曲率半径为3775.813±1mm。
进一步地，所述观察反射镜的曲率半径为212.160mm，所述会聚反射镜的曲率半径为3775.813mm。
进一步地，所述探测器像元尺寸为13.5μm，对可见光全波段敏感。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1.本发明系统利用光学自由曲面替换传统光学面形，具有更多的光学自由度，提高了光学系统的像差矫正能力，使得系统具有长焦、大视场、大相对孔径、结构紧凑的优势，适合航空航天的远距离遥感探测。
2.本发明系统不设置独立光阑，采用直接构建方法设置光路，使系统体积进一步得到缩小。
3.本发明系统中自由曲面面形采用六阶扩展多项式，面形连续，减轻了加工难度，具备加工可行性。
附图说明
图1为本发明自由曲面离轴两反射望远物镜系统的光路示意图；
图2为本发明系统从平面初始结构进行直接构建求解的示意图；
图3为本发明系统的全视场点列图；
图4为本发明系统的调制传递函数图；
图5为本发明系统的波前差图。
附图说明：1-观察反射镜，2-会聚反射镜，3-探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，该系统为离轴两反自由曲面望远物镜系统，被探测目标经观察反射镜1收集、会聚反射镜2反射后，在探测器3上成像。本发明系统不设置与反射镜独立的孔径光阑，孔径光阑位于观察反射镜1处，缩小了系统体积；同时，该系统利用自由曲面的像差矫正能力，在离轴两反结构中实现了较大的视场与较小的F数，结合六阶扩展多项式描述自由曲面面形，使得望远物镜实现了高光学指标下的小于一半焦距的空间尺寸，有助于实现好成像质量的光学设计，同时保持紧凑的体积，适合应用于对仪器空间占用十分敏感的机载、星载遥感望远应用中。
如图1所示，本发明结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统包括观察反射镜1、会聚反射镜2和探测器3，光线沿着传播方向，依次通过观察反射镜1、会聚反射镜2到达探测器3上成像，被探测目标经观察反射镜1后，通过会聚反射镜2聚焦，直接在探测器3像面上成像。
本发明自由曲面离轴两反射望远物镜系统不设置独立孔径光阑，孔径光阑位于观察反射镜1处，利用观察反射镜1自身充当孔径光阑，同时，其中观察反射镜1的曲率半径为212.160±1mm，光焦度为负；会聚反射镜2的曲率半径为3775.813±1mm，光焦度为正，观察反射镜1、会聚反射镜2不包含偏心离轴，偏心量为0，此种设置使得系统容易装调。
本发明观察反射镜1、会聚反射镜2离轴角均在10°～20°之间，沿x轴逆时针方向旋转。观察反射镜1、会聚反射镜2采用6阶扩展多项式面形，只包括x偶次方项，共15项，具有加工可行性。会聚反射镜2上边缘与被探测目标的入射光线设置有一定距离，使得会聚反射镜2上边缘不与光线干涉；同时，观察反射镜1上边缘与探测器3下边缘设置有一定距离，使得观察反射镜1上边缘与探测器3下边缘互不干涉。
本发明离轴两反自由曲面望远物镜系统F数范围为3.5～4.5，入瞳直径范围30～50mm，视场角为矩形视场，对角视场范围在2.5°～3.5°，波段在可见光波段。从会聚反射镜2至探测器3像面沿y轴方向的距离小于70mm；从观察反射镜1至会聚反射镜2沿x轴方向的距离小于60mm。
本发明离轴两反自由曲面望远物镜系统使用直接构建方法构建初始结构，再扩展优化至满足设计要求的光学系统。探测器3像元尺寸为13.5μm，对可见光全波段敏感。全视场波前差平均值为0.0521λ，最大点列图RMS小于13微米，全视场调制传递函数MTF在截止频率37线对/毫米处高于0.6。离轴两反自由曲面望远物镜系统各方向长度均小于一半焦距，适合航天航空遥感应用。
本实施例的结构紧凑自由曲面离轴两反望远物镜中，其中孔径光阑位于观察反射镜1处，入射光线沿传播方向先经观察反射镜1反射并限制后，再经会聚反射镜2反射后，在探测器3上成像。工作波长为可见波段，系统F数为4，有效焦距为150mm，对角全视场为2.5°。
本实施的会聚反射镜2上边缘不与光线干涉。观察反射镜1上边缘与探测器3下边缘互不干涉，其中观察反射镜1的曲率半径为212.160mm，光焦度为负；会聚反射镜2的曲率半径为3775.813mm，光焦度为正。观察反射镜1与会聚反射镜2均不包括离轴量，观察反射镜1与会聚反射镜2均沿着x轴逆时针方向离轴。
按照图1所示的结构布置，从会聚反射镜2至探测器3像面沿y轴方向的距离小于70mm，从观察反射镜1至会聚反射镜2沿x轴方向的距离小于60mm；xoy平面上本实施的望远物镜长度小于40mm，望远物镜的整体空间尺寸小于70mm×60mm×40mm。
本实施例的观察反射镜1与会聚反射镜2表面面形均为自由曲面。自由曲面的面形描述采用6阶扩展多项式，只包括x的偶次方项，共15项。扩展多项式的表达式如下：
式中，c为标准球面的顶点曲率；k为圆锥系数；z为自由曲面矢高，x，y分别代表自由曲面的两个坐标值；aj为扩展多项式系数，m和n随扩展多项式项数增加而变化，扩展多项式系数见表1。
表1扩展多项式系数
| 多项式 | 观察反射镜1 | 会聚反射镜2 |
| Y | 8.459×10<sup>-2</sup> | -6.622×10<sup>-2</sup> |
| x<sup>2</sup> | 1.334×10<sup>-2</sup> | 1.886×10<sup>-2</sup> |
| y<sup>2</sup> | -9.381×10<sup>-4</sup> | -4.459×10<sup>-2</sup> |
| x<sup>2</sup>y | 8.309×10<sup>-4</sup> | -3.316×10<sup>-3</sup> |
| y<sup>3</sup> | 1.059×10<sup>-3</sup> | 3.604×10<sup>-3</sup> |
| x<sup>4</sup> | 8.323×10<sup>-5</sup> | 1.672×10<sup>-4</sup> |
| x<sup>2</sup>y<sup>2</sup> | 1.084×10<sup>-4</sup> | 3.076×10<sup>-4</sup> |
| y<sup>4</sup> | 3.081×10<sup>-5</sup> | 1.944×10<sup>-4</sup> |
| x<sup>4</sup>y | -4.333×10<sup>-7</sup> | 1.139×10<sup>-5</sup> |
| x<sup>2</sup>y<sup>3</sup> | 7.028×10<sup>-7</sup> | 2.816×10<sup>-5</sup> |
| y<sup>5</sup> | -7.484×10<sup>-7</sup> | 1.704×10<sup>-5</sup> |
| x<sup>6</sup> | -5.156×10<sup>-8</sup> | -2.643×10<sup>-6</sup> |
| x<sup>4</sup>y<sup>2</sup> | -9.504×10<sup>-7</sup> | -2.895×10<sup>-5</sup> |
| x<sup>2</sup>y<sup>4</sup> | -5.134×10<sup>-7</sup> | -3.074×10<sup>-5</sup> |
| y<sup>6</sup> | -1.196×10<sup>-7</sup> | -1.310×10<sup>-5</sup> |
本发明系统的设计过程如图2，从平面无光焦度系统出发，通过直接构建算法构建初始结构，直接获得具有良好优化潜力的初始结构，再进行扩展优化后，即得到紧凑型自由曲面离轴两反望远物镜。
本发明系统的设计全视场点列图如图3，像斑尺寸均小于单个探测器3像元13.5微米。本发明系统的设计调制传递函数如图4所示，在截止频率37线对每毫米处高于0.6，成像质量优良。本实施的设计全视场波前差如图5所示，全视场波前差平均值为0.0521λ。
Claims (7)
1.一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：包括观察反射镜(1)、会聚反射镜(2)和探测器(3)；
被探测目标的光线沿着传播方向，依次通过观察反射镜(1)、会聚反射镜(2)到达探测器(3)上成像；所述观察反射镜(1)的光焦度为负，所述会聚反射镜(2)的光焦度为正，孔径光阑位于观察反射镜(1)处；
所述观察反射镜(1)与会聚反射镜(2)的表面面形均为自由曲面，自由曲面的面形描述采用6阶扩展多项式，只包括x的偶次方项；
所述观察反射镜(1)、会聚反射镜(2)的离轴角均在10°～20°之间，沿x轴逆时针方向旋转；所述会聚反射镜(2)至探测器(3)像面沿y轴方向的距离小于70mm，所述观察反射镜(1)至会聚反射镜(2)沿x轴方向的距离小于60mm；
自由曲面离轴两反射望远物镜系统的F数范围为3.5～4.5，入瞳直径范围为30～50mm，视场角为矩形视场，对角视场范围在2.5°～3.5°；
所述会聚反射镜(2)上边缘与被探测目标的光线设置有一定距离，使得会聚反射镜(2)上边缘不与光线干涉；所述观察反射镜(1)上边缘与探测器(3)下边缘设置有一定距离，使得观察反射镜(1)上边缘与探测器(3)下边缘互不干涉。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：所述观察反射镜(1)、会聚反射镜(2)的偏心量为0。
3.根据权利要求2所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：自由曲面离轴两反射望远物镜系统的F数为4，有效焦距为150mm，对角全视场为2.5°。
4.根据权利要求1或2或3所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：所述观察反射镜(1)与会聚反射镜(2)的扩展多项式为
式中，c为标准球面的顶点曲率；k为圆锥系数；z为自由曲面矢高，x，y分别代表自由曲面的两个坐标值；aj为扩展多项式系数，m和n随扩展多项式项数增加而变化；
观察反射镜的扩展多项式中，Y的扩展多项式系数为8.459×10-2，x2的扩展多项式系数为1.334×10-2，y2的扩展多项式系数为-9.381×10-4，x2y的扩展多项式系数为8.309×10-4，y3的扩展多项式系数为1.059×10-3，x4的扩展多项式系数为8.323×10-5，x2y2的扩展多项式系数为1.084×10-4，y4的扩展多项式系数为3.081×10-5，x4y的扩展多项式系数为-4.333×10-7，x2y3的扩展多项式系数为7.028×10-7，y5的扩展多项式系数为-7.484×10-7，x6的扩展多项式系数为-5.156×10-8，x4y2的扩展多项式系数为-9.504×10-7，x2y4的扩展多项式系数为-5.134×10-7，y6的扩展多项式系数为-1.196×10-7；
会聚反射镜的扩展多项式中，Y的扩展多项式系数为-6.622×10-2，x2的扩展多项式系数为1.886×10-2，y2的扩展多项式系数为--4.459×10-2，x2y的扩展多项式系数为-3.316×10-3，y3的扩展多项式系数为3.604×10-3，x4的扩展多项式系数为1.672×10-4，x2y2的扩展多项式系数为3.076×10-4，y4的扩展多项式系数为1.944×10-4，x4y的扩展多项式系数为1.139×10-5，x2y3的扩展多项式系数为2.816×10-5，y5的扩展多项式系数为1.704×10-5，x6的扩展多项式系数为-2.643×10-6，x4y2的扩展多项式系数为-2.895×10-5，x2y4的扩展多项式系数为-3.074×10-5，y6的扩展多项式系数为-1.310×10-5。
5.根据权利要求4所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：所述观察反射镜(1)的曲率半径为212.160±1mm，所述会聚反射镜(2)的曲率半径为3775.813±1mm。
6.根据权利要求5所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：所述观察反射镜(1)的曲率半径为212.160mm，所述会聚反射镜(2)的曲率半径为3775.813mm。
7.根据权利要求6所述的结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统，其特征在于：所述探测器(3)像元尺寸为13.5μm，对可见光全波段敏感。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110559184.5A CN113311577A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114594586A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-07 | 刚川机器人(东阳)有限公司 | 封闭式特定曲面的离轴反射式镜头及望远镜系统 |
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2021
- 2021-05-21 CN CN202110559184.5A patent/CN113311577A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114594586A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-07 | 刚川机器人(东阳)有限公司 | 封闭式特定曲面的离轴反射式镜头及望远镜系统 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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