CN114371548B - 一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，涉及光学技术领域，沿光路方向依次设置第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器像面，还设置有孔径光阑，孔径光阑位置与所述第二反射镜的位置重合；经所述第一反射镜反射后入射至第二反射镜，经过第二反射镜反射后入射至第三反射镜，经过第三反射镜反射后入射至第四反射镜，经过第四反射镜反射后入射至探测器像面成像。本发明的光学系统采用四块平面对称的自由曲面反射镜，按照光焦度负‑正‑正‑正的分配方式进行布置，反射镜的倾斜角度符合消像散的要求，实现了在18°×9°二维视场内近衍射限成像，系统设计可以分别在3～5μm红外波段实现畸变校正，成像质量接近衍射极限。

Description

一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统。
背景技术
离轴反射型光学系统因具有无色差、抗热性能好、热噪声低等优点已在多个领域，尤其是低温光学领域获得重要应用。但采用二次曲面、偶次非球面等传统曲面形式的离轴反射型光学系统，由于可用设计变量少，难于同时实现大口径、大视场和包络紧凑化等要求。
目前技术较为成熟且应用最广泛的离轴系统是离轴三反系统，但三反射系统优化自由度相对较少，进而限制了系统的性能，主要体现在离轴三反系统的成像视场一般在X方向(弧矢方向)能实现较大视场，但是在Y方向(子午方向)则很难获得较大视场，现有的离轴三反系统，X方向成像视场可以达到17°，但是Y方向成像视场在1°左右。为了提升另一维成像视场，通常会将离轴三反改进为离轴四反，如申请号为CN2013104984537的专利中提到的自由曲面离轴四反系统，X方向可以达到76°，Y方向视场可以达到3°左右。但还是无法满足越来越多的应用对Y方向成像视场扩大的需求。且而现有的离轴四反系统有着离轴系统共有的缺点，即体积大、难以轻量化。对于大口径、大视场的光学系统设计，传统离轴反射式光路，存在体积大、畸变高，与视场有关的像差校正能力弱、成像质量低的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，采用四块平面对称的自由曲面反射镜，按照光焦度负-正-正-正的分配方式进行布置，反射镜的倾斜角度符合消像散的要求；其中，第二反射镜采用矩形口径设计，使四块反射镜偏轴布置时，避免了光路遮挡，减小了四块反射镜所需要的布置空间；同时，像面采用了曲面像场设计，降低场曲带来的像质衰减影响效应，实现了在18°×9°二维视场内近衍射限成像，系统设计可以在3～5μm红外波段实现畸变校正，成像质量接近衍射极限。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，沿光路方向，依次设置第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器像面，还设置有孔径光阑，所述孔径光阑位置与所述第二反射镜的位置重合；
所述第一反射镜与所述第二反射镜的反射面相对排列，所述第三反射镜与所述第四反射镜的反射面相对排列，所述第四反射镜与所述探测器像面相对排列；所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器像面偏轴布置；
所述第一反射镜具有负光焦度，所述第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜具有正光焦度，所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均为自由曲面；
光束经所述第一反射镜反射后入射至所述第二反射镜，经过所述第二反射镜反射后入射至所述第三反射镜，经过所述第三反射镜反射后入射至所述第四反射镜，经过所述第四反射镜反射后入射至所述探测器像面成像。
优选地，在全局坐标系下，以物面为参考面，所述第一反射镜对于x轴的旋转角度为：-10°～-15°；所述第二反射镜对于x轴的旋转角度为：-52°～-60°；所述第三反射镜对于x轴的旋转角度为：-100°～-105°；所述第四反射镜对于x轴的旋转角度为：-60°～-66°；所述探测器像面对于x轴的旋转角度为：-50°～-55°。
优选地，所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均为自由曲面，采用Zernike多项式自由曲面面型，Zernike多项式自由曲面的一般表达式为：
Figure GDA0003995605170000031
式中，z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数，
Figure GDA0003995605170000032
为Zernike多项式展开项，
Figure GDA0003995605170000033
为自由曲面点的极坐标，N为项数。
优选地，所述第二反射镜采用矩形口径设计，使四块反射镜偏轴布置时，避免了光路遮挡，减小了四块反射镜所需要的布置空间。
优选地，所述探测器像面为平面或者曲面，曲面像面可降低场曲带来的像质衰减影响效应。
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，有益效果在于：
(1)大口径、大视场
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，采用了4块平面对称的自由曲面反射镜，同时，采用了曲面像场设计，降低场曲带来的像质衰减影响效应，等效口径400mm，在18°×9°二维视场内近衍射限成像。
(2)结构紧凑
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，仅含有四块反射镜，且两两对称排布，结构紧凑，占用空间小。
(3)成像质量好，传递函数高，畸变小
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，利用四块反射镜的合理设计及匹配，成像质量在中波红外波段均接近衍射极限；畸变量较小，全视场相对畸变≤3.2％。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统在短波波段的MTF曲线；
图3是本发明一实施例的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统的畸变网格；
附图说明：1-第一反射镜；2-第二反射镜；3-孔径光阑；4-第三反射镜；5-第四反射镜；6-探测器像面。
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。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
参见图1，为本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，沿光路方向，依次设置第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜4、第四反射镜5和探测器像面6，还设置有孔径光阑3，所述孔径光阑3位置与所述第二反射镜2的位置重合；
所述第一反射镜1与所述第二反射镜2的反射面相对排列，所述第三反射镜4与所述第四反射镜5的反射面相对排列，所述第四反射镜5与所述探测器像面6相对排列；所述第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜4、第四反射镜5和探测器像面6偏轴布置；
所述第一反射镜1具有负光焦度，所述第二反射镜2、第三反射镜4和第四反射镜5具有正光焦度，所述第一反射镜1的反射面、第二反射镜2的反射面、第三反射镜4的反射面和第四反射镜5的反射面均为自由曲面；
光束经所述第一反射镜1反射后入射至所述第二反射镜2，经过所述第二反射镜2反射后入射至所述第三反射镜4，经过所述第三反射镜4反射后入射至所述第四反射镜5，经过所述第四反射镜5反射后入射至所述探测器像面6成像。
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统的工作原理是：为使超大视场范围内的目标能清晰成像在探测器像面6上，采用了偏轴四反系统结构，四个反射镜的光轴与系统光轴均不重合，本系统按xyz右手空间坐标系有序排列，z轴为光轴方向，yz平面为光学系统的子午面，每经过一个反射镜系统光轴发生一次偏折。
在一些实施例中，在全局坐标系下，以物面为参考面，所述第一反射镜1对于x轴的旋转角度为：-10°～-15°；所述第二反射镜2对于x轴的旋转角度为：-52°～-60°；所述第三反射镜4对于x轴的旋转角度为：-100°～-105°；所述第四反射镜5对于x轴的旋转角度为：-60°～-66°；所述探测器像面6对于x轴的旋转角度为：-50°～-55°。优选地，在全局坐标系下，以物面为参考面，所述第一反射镜1对于x轴的旋转角度为-12.5°，所述第二反射镜2对于x轴的旋转角度为-56.1°，所述第三反射镜4对于x轴的旋转角度为-102.1°，所述第四反射镜5对于x轴的旋转角度为-63°，所述探测器像面6对于x轴的旋转角度为-53.18°。
在一些实施例中，所述第一反射镜1的反射面、第二反射镜2的反射面、第三反射镜4的反射面和第四反射镜5的反射面均为自由曲面，采用Zernike多项式自由曲面面型，Zernike多项式自由曲面的一般表达式为：
Figure GDA0003995605170000061
式中，z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数，
Figure GDA0003995605170000062
为Zernike多项式展开项，
Figure GDA0003995605170000063
为自由曲面点的极坐标，N为项数。
在一些实施例中，所述第二反射镜2采用矩形口径设计，使四块反射镜偏轴布置时，避免了光路遮挡，减小了四块反射镜所需要的布置空间。优选地，所述第二反射镜2采用矩形口径设计，矩形孔径大小为684mm×480mm。
在一些实施例中，所述探测器像面6为平面或者曲面，曲面像面可降低场曲带来的像质衰减影响效应。优选地，所述探测器像面6为曲面，曲率半径为1381mm。
当然，本发明不限于上述实施方式，第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜4和第四反射镜5还可以采用其他种类的透镜，或还可以采用其他面型。
实施例1
系统技术指标如下：
工作波段：红外波段3μm-5μm；
入瞳直径：400mm；
焦距：600mm；
视场：18°×9°；
本实施例的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，光学系统结构如图1所示，在全局坐标下，第一反射镜1反射面、第二反射镜2反射面、第三反射镜4反射面、第四反射镜5反射面的顶点、探测器窗口中心相对于物面的位置数据详见下表1。
表1各反射镜顶点的位置数据
表面 x y z α β γ
第一反射镜 0.00000 0 900.00000 -12.5169 0.0000 0.0000
第二反射镜 0.00000 354.54132 140.85153 -56.0510 0.0000 0.0000
第三反射镜 0.00000 -534.0673 186.35890 -102.1333 0.0000 0.0000
第四反射镜 0.00000 259.45666 594.14494 -63.1983 0.0000 0.0000
探测器像面 0.00000 71.31546 800.83157 -53.1809 0.0000 0.0000
本实施例的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，工作波段像质在短波红外波段成像质量均达到衍射极限，如图2所示；成像畸变较小，其在短波的畸变网格如图3所示。
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，有益效果在于：
(1)大口径、大视场
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，采用了4块平面对称的自由曲面反射镜，同时，采用了曲面像场设计，降低场曲带来的像质衰减影响效应，等效口径400mm，在18°×9°二维视场内近衍射限成像。
(2)结构紧凑
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，仅含有四块反射镜，且两两对称排布，结构紧凑，占用空间小。
(3)成像质量好，传递函数高，畸变小
本发明的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，利用四块反射镜的合理设计及匹配，成像质量在中波红外波段均接近衍射极限；畸变量较小，全视场相对畸变≤3.2％。
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 (7)

1.一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，沿光路方向，依次设置第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器像面，还设置有孔径光阑，所述孔径光阑位置与所述第二反射镜的位置重合；
所述第一反射镜与所述第二反射镜的反射面相对排列，所述第三反射镜与所述第四反射镜的反射面相对排列，所述第四反射镜与所述探测器像面相对排列；所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器像面偏轴布置；
所述第一反射镜具有负光焦度，所述第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜具有正光焦度，所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均为自由曲面；
光束经所述第一反射镜反射后入射至所述第二反射镜，经过所述第二反射镜反射后入射至所述第三反射镜，经过所述第三反射镜反射后入射至所述第四反射镜，经过所述第四反射镜反射后入射至所述探测器像面成像；
在全局坐标系下，以物面为参考面，所述第一反射镜对于x轴的旋转角度为：-10°～-15°；所述第二反射镜对于x轴的旋转角度为：-52°～-60°；所述第三反射镜对于x轴的旋转角度为：-100°～-105°；所述第四反射镜对于x轴的旋转角度为：-60°～-66°；所述探测器像面对于x轴的旋转角度为：-50°～-55°。
2.根据权利要求1所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，在全局坐标系下，以物面为参考面，所述第一反射镜对于x轴的旋转角度为-12.5°，所述第二反射镜对于x轴的旋转角度为-56.1°，所述第三反射镜对于x轴的旋转角度为-102.1°，所述第四反射镜对于x轴的旋转角度为-63°，所述探测器像面对于x轴的旋转角度为-53.18°。
3.根据权利要求1所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的反射面、第二反射镜的反射面、第三反射镜的反射面和第四反射镜的反射面均为自由曲面，采用Zernike多项式自由曲面面型，Zernike多项式自由曲面的一般表达式为：
Figure FDA0003995605160000021
式中，z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开项系数，
Figure FDA0003995605160000022
为Zernike多项式展开项，
Figure FDA0003995605160000023
为自由曲面点的极坐标，N为项数。
4.根据权利要求1所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，所述第二反射镜采用矩形口径设计，使四块反射镜偏轴布置时，避免了光路遮挡，减小了四块反射镜所需要的布置空间。
5.根据权利要求4所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，所述第二反射镜采用矩形口径设计，矩形孔径大小为684mm×480mm。
6.根据权利要求1所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，所述探测器像面为平面或者曲面，曲面像面可降低场曲带来的像质衰减影响效应。
7.根据权利要求6所述的二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统，其特征在于，所述探测器像面为曲面，曲率半径为1381mm。
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