CN116661117A - 折反式光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种折反式光学成像系统。该折反式光学成像系统包括沿光路依次设置的同轴折射镜组、离轴反射镜组、离轴折射镜组和焦平面，并且，所述光学成像系统满足以下条件： 其中，表示所述光学成像系统的焦距，表示所述同轴折射镜组的焦距，表示所述离轴反射镜组的焦距，表示所述离轴折射镜组的焦距。本申请能够适用于可见光和近红外波段，像方远心设计可匹配可见光和近红外光谱仪应用。
Description
技术领域
本申请涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种折反式光学成像系统。
背景技术
可见光和近红外波段的对地观测光学成像系统，尤其是可见光和近红外波段的成像光谱仪在土地资源调查、海洋环境监测、土壤分析、植被监测、大气分析和防灾减灾等军民用领域具有广泛的应用前景。其中，可见光和近红外波段成像光谱仪的前置望远镜系统承担着收集光能量、将目标地面场景大幅缩倍、出光匹配光谱仪的重要作用，因此，望远系统应在可见光和近红外波段具有较好的透过率，且结构简单以减小反射/透射效率的影响，同时满足像方远心需求，还需具备一定的环境适应能力。
对地观测望远光学系统包括透射式和反射式。折射式光学系统由于需要校正五种几何像差和色差，通常结构较为复杂，由此导致系统透过率不高且难以实现轻量化设计；同轴反射式由于难以完善校正球差、彗差之外的其他像差，有效视场小，且存在孔径遮挡；离轴两反系统不存在色差，可轻量化设计，系统透过率高，但是视场较小，且无法满足远心度要求。
发明内容
本申请的目的在于提供一种折反式光学成像系统，能够适用于可见光和近红外波段，像方远心设计可匹配可见光和近红外光谱仪应用。
本申请的一个方面提供一种折反式光学成像系统。所述折反式光学成像系统包括沿光路依次设置的同轴折射镜组、离轴反射镜组、离轴折射镜组和焦平面，并且，所述光学成像系统满足以下条件：
其中，表示所述光学成像系统的焦距，/>表示所述同轴折射镜组的焦距，/>表示所述离轴反射镜组的焦距，/>表示所述离轴折射镜组的焦距。
进一步地，所述同轴折射镜组包括同轴设置的第一同轴透镜和第二同轴透镜，所述离轴反射镜组包括离轴设置的第一离轴反射镜和第二离轴反射镜，所述离轴折射镜组包括离轴设置的离轴透镜，其中，所述第一同轴透镜、所述第二同轴透镜、所述第一离轴反射镜、所述第二离轴反射镜和所述离轴透镜沿着光路依次设置。
进一步地，所述光学成像系统还满足以下条件：
其中，表示所述第一同轴透镜的焦距，/>表示所述第二同轴透镜的焦距，表示所述第一离轴反射镜的焦距，/>表示所述第二离轴反射镜的焦距。
进一步地，所述光学成像系统还满足以下条件：
其中，表示所述第一同轴透镜与所述第二同轴透镜的间距，/>表示所述第二同轴透镜与所述第一离轴反射镜的间距，/>表示所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜的间距，/>表示所述第二离轴反射镜与所述离轴透镜的间距，/>表示所述离轴透镜与所述焦平面的间距。
进一步地，所述同轴折射镜组和所述离轴折射镜组由对0.4~1.7μm波段内高透过率的材料。
进一步地，所述第一同轴透镜由折射率1.456、阿贝常数90.9的材料构成，所述第二同轴透镜由折射率1.713、阿贝常数53.832的材料构成，所述离轴透镜由折射率1.5891、阿贝常数61.254的材料构成。
进一步地，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜由单晶硅、碳化硅、铝或微晶玻璃材料构成。
进一步地，所述同轴折射镜组中的所述第一同轴透镜的像侧面和所述第二同轴透镜的像侧面采用偶次非球面设计，所述同轴折射镜组中的其余面均采用球面设计。
进一步地，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜均采用偶次非球面设计。
进一步地，所述离轴透镜的面形均采用球面设计。
进一步地，所述折反式光学成像系统还包括光阑，所述光阑位于所述第一离轴反射镜上，所述光学成像系统的体积≤55mm×42mm×35mm。
进一步地，所述光学成像系统工作于-40~80℃范围内的温度条件下，用于对0.4~1.7μm可见光和近红外波段范围内的目标进行探测。
进一步地，所述折反式光学成像系统还包括镜筒，所述镜筒的材料选用热膨胀系数为10×10-6/℃的钛合金。
进一步地，所述光学成像系统的焦距为36mm，F数取2≤F≤4，视场为32°×1°。
进一步地，所述光学成像系统为像方远心，入瞳位于无限远处，各个视场远心度小于1°。
进一步地，所述光学成像系统的透过率达84%以上。
本申请一个或多个实施例的折反式光学成像系统至少能够取得以下的有益技术效果：
一、本申请的折反式光学成像系统采用离轴折反式结构，其中，离轴反射镜组利用反射镜宽波段适用性以及无色差优势，折射镜组选用在0.4~1.7μm波段内高透过率的材料，从而使得系统适用于可见光和近红外波段范围，系统透过率可达84%以上。
二、本申请的折反式光学成像系统结构简单，仅包括第一同轴透镜、第二同轴透镜、第一离轴反射镜、第二离轴反射镜和离轴透镜，即三片透镜和两片反射镜，镜筒材料选用热膨胀系数较小的钛合金，因而，系统具有很好的温度适应性，可以保证不同温度条件下红外超长波目标探测光学系统成像质量均满足要求，使该系统能够工作于-40~80℃范围内的温度条件下。
三、本申请的折反式光学成像系统基于离轴两反系统无色差和大口径的优势，进一步增加折射镜组，校正轴外视场像差，将系统视场增大至32°×1°，整个视场达到接近衍射极限的成像质量；同时，折射镜组进一步提升了系统的远心度，各个视场远心度均小于1°。
四、本申请的折反式光学成像系统F数取2≤F≤4，具有较强的能量收集能力，可大幅提高成像信噪比，有益于其后接光谱仪的需求。
附图说明
图1为本申请一个实施例的折反式光学成像系统的二维结构图。
图2为本申请一个实施例的折反式光学成像系统的三维结构图。
图3为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在-40℃时的光学传递函数曲线。
图4为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在20℃时的光学传递函数曲线。
图5为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在80℃时的光学传递函数曲线。
图6为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在(0°，0°)视场时的透过率曲线。
图7为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在(16°，0.5°)视场时的透过率曲线。
图8为本申请一个实施例的折反式光学成像系统在(-16°，-0.5°)视场时的透过率曲线。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本申请提供了一种折反式光学成像系统，特别是一种可见光和近红外波段通用的折反式光学成像系统。该光学成像系统能够工作于-40~80℃范围内的温度条件下，可以用来对0.4~1.7μm（微米）可见光和近红外波段范围内的目标进行探测。该光学成像系统的透过率可达84%以上。具体地，本申请的折反式光学成像系统采用离轴折反式结构，在离轴两反系统的基础上增加对0.4~1.7μm波段内高透过率的折射镜组，进一步校正轴外视场像差，使整个光学系统视场增至32°×1°，整个视场达到接近衍射极限的成像质量；同时，折射镜组进一步提升了系统的远心度，可保证系统远心度小于1°。
图1揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100的二维结构图，图2揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100的三维结构图。如图1和图2所示，本申请一个实施例的折反式光学成像系统100包括沿光路依次设置的同轴折射镜组1、离轴反射镜组2、离轴折射镜组3和焦平面4。
本申请实施例的光学成像系统100满足以下条件：
其中，表示光学成像系统100的焦距，/>表示同轴折射镜组1的焦距，/>表示离轴反射镜组2的焦距，/>表示离轴折射镜组3的焦距。
如图1和图2所示，在一些实施例中，本申请的同轴折射镜组1包括同轴设置的第一同轴透镜11和第二同轴透镜12；离轴反射镜组2包括离轴设置的第一离轴反射镜21和第二离轴反射镜22；离轴折射镜组3包括离轴设置的离轴透镜31。其中，第一同轴透镜11、第二同轴透镜12、第一离轴反射镜21、第二离轴反射镜22和离轴透镜31沿着光路依次设置。
入射平行光线经过第一同轴透镜11、第二同轴透镜12投射至第一离轴反射镜21，再由第一离轴反射镜21反射至第二离轴反射镜22，经第二离轴反射镜22反射后经过离轴透镜31，最终会聚在焦平面4上。
本申请实施例的同轴折射镜组1包括两片透镜，即第一同轴透镜11和第二同轴透镜12，离轴反射镜组2包括两片反射镜，即第一离轴反射镜21、第二离轴反射镜22，离轴折射镜组3包括一片离轴透镜31，因此，本申请实施例的整个折反式光学成像系统100仅包括三片透镜和两个反射镜，其结构非常简单、紧凑。
在一些实施例中，本申请的光学成像系统100还满足以下条件：
其中，表示第一同轴透镜11的焦距，/>表示第二同轴透镜12的焦距，/>表示第一离轴反射镜21的焦距，/>表示第二离轴反射镜22的焦距。
在一些实施例中，本申请的光学成像系统100还满足以下条件：
其中，表示第一同轴透镜11与第二同轴透镜12的间距，/>表示第二同轴透镜12与第一离轴反射镜21的间距，/>表示第一离轴反射镜21与第二离轴反射镜22的间距，表示第二离轴反射镜22与离轴透镜31的间距，/>表示离轴透镜31与焦平面4的间距。
在一些实施例中，本申请的同轴折射镜组1和离轴折射镜组3可以由对0.4~1.7μm波段内高透过率的材料构成。在一个实施例中，第一同轴透镜11由折射率1.456、阿贝常数90.9的材料构成，第二同轴透镜12由折射率1.713、阿贝常数53.832的材料构成，离轴透镜31由折射率1.5891、阿贝常数61.254的材料构成。
在一个实施例中，第一离轴反射镜21和第二离轴反射镜22例如可以由单晶硅、碳化硅、铝或微晶玻璃材料构成。
本申请实施例的光学成像系统100适用于对0.4~1.7μm可见光和近红外波段，可以用来对0.4~1.7μm可见光和近红外波段范围内的目标进行探测。
本申请的折反式光学成像系统100还包括镜筒，镜筒的材料选用热膨胀系数为10×10-6/℃的钛合金。
本申请实施例的光学成像系统100可以在-40~80℃范围内的温度条件下工作，本申请实施例的光学成像系统100可以在工作温度-40~80℃范围内实现被动消热差设计，即在-40~80℃范围内，申请实施例的光学成像系统100的成像质量较好。本申请实施例的光学成像系统100的温度适应性良好。
在一些实施例中，同轴折射镜组1中的第一同轴透镜11的像侧面和第二同轴透镜12的像侧面采用偶次非球面设计，同轴折射镜组1中的其余面均采用球面设计。例如，第一同轴透镜11的像侧面的圆锥系数为-3.174，高次非球面系数取a4=-2.078E-006、a6=-2.266E-008、a8=1.144E-010、a10=-2.157E-013；第二同轴透镜12的像侧面的圆锥系数为0.091，高次非球面系数取a4=-4.078E-006、a6=3.492E-008、a8=-2.769E-010、a10=7.831E-013。
在一些实施例中，第一离轴反射镜21和第二离轴反射镜22均采用偶次非球面设计。例如，第一离轴反射镜21的圆锥系数为-1.494，高次非球面系数取a4=2.716E-006、a6=1.492E-009、a8=1.141E-009、a10=-4.162E-011；第二离轴反射镜22的圆锥系数为-7.623，高次非球面系数取a4=3.344E-006、a6=-1.769E-009、a8=1.121E-012、a10=-3.462E-016。
在一些实施例中，离轴透镜31的面形均采用球面设计。
在一些实施例中，本申请的折反式光学成像系统100包括光阑。光阑位于第一离轴反射镜21上，本申请的光学成像系统100的体积≤55mm×42mm×35mm（毫米）。
在一些实施例中，本申请的光学成像系统100的焦距为36mm，F数取2≤F≤4，视场为32°×1°。
在一些实施例中，本申请的光学成像系统100为像方远心，入瞳位于无限远处，各个视场远心度小于1°。
以下给出了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100的具体光学参数，如以下表一所示：
表一
图3揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在-40℃时的光学传递函数曲线，图4揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在20℃时的光学传递函数曲线，图5揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在80℃时的光学传递函数曲线。从图3至图5中的这些光学传递函数曲线可以看出：在不同温度条件下，各视场MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）＞0.6，满足不同温度条件下时光学系统的成像要求。
本申请实施例的折反式光学成像系统100采用离轴折反式结构，在离轴两反系统（即包括离轴设置的第一离轴反射镜21和第二离轴反射镜22）的基础上增加折射镜组（即同轴折射镜组1和离轴折射镜组3），进一步校正轴外视场像差，将系统视场增大至32°×1°，整个视场达到接近衍射极限的成像质量；同时，折射镜组进一步提升了系统的远心度，各个视场远心度均小于1°。
图6揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在(0°，0°)视场时的透过率曲线，图7揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在(16°，0.5°)视场时的透过率曲线，图8揭示了本申请一个实施例的折反式光学成像系统100在(-16°，-0.5°)视场时的透过率曲线。图6至图8分别展示了本申请实施例的折反式光学成像系统100在不同视场下的透过率，其中，每幅图的左侧为透过率与子午光瞳的关系曲线，右侧为透过率与弧矢光瞳的关系曲线，每幅图中的不同曲线表示不同波长的透过率曲线。从图6至图8可以看出，本申请实施例的折反式光学成像系统100在不同视场下的透过率都可达84%以上。
本申请实施例的折反式光学成像系统100利用离轴反射镜组2的宽波段适用性以及无色差优势，折射镜组选用在0.4~1.7μm波段内高透过率的材料，且系统仅包含三片透镜和两片反射镜，整个系统适用于可见光和近红外波段范围，系统透过率可达84%以上。
综上，本申请一个或多个实施例的折反式光学成像系统100至少能够取得以下的有益技术效果：
一、本申请的折反式光学成像系统100采用离轴折反式结构，其中，离轴反射镜组2利用反射镜宽波段适用性以及无色差优势，折射镜组选用在0.4~1.7μm波段内高透过率的材料，从而使得系统适用于可见光和近红外波段范围，可对0.4~1.7μm可见光和近红外波段范围内的目标进行探测；系统透过率高，其系统透过率可达84%以上。
二、本申请的折反式光学成像系统100结构简单、布局紧凑，体积小，仅包括第一同轴透镜11、第二同轴透镜12、第一离轴反射镜21、第二离轴反射镜22和离轴透镜31，即三片透镜和两片反射镜，镜筒材料选用热膨胀系数较小的钛合金，因而，系统具有很好的温度适应性，可以保证不同温度条件下红外超长波目标探测光学系统成像质量均满足要求，使该系统能够工作于-40~80℃范围内的温度条件下。
三、本申请的折反式光学成像系统100基于离轴两反系统无色差和大口径的优势，进一步增加折射镜组，校正轴外视场像差，增大系统有效视场，将系统视场增大至32°×1°，整个视场达到接近衍射极限的成像质量；同时，折射镜组进一步提升了系统的远心度，各个视场远心度均小于1°。
四、本申请的折反式光学成像系统100F数取2≤F≤4，具有较强的能量收集能力，可大幅提高成像信噪比，有益于其后接光谱仪的需求。
以上对本申请实施例所提供的折反式光学成像系统进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的折反式光学成像系统进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (16)
1.一种折反式光学成像系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的同轴折射镜组、离轴反射镜组、离轴折射镜组和焦平面，并且，所述光学成像系统满足以下条件：
其中， 表示所述光学成像系统的焦距， />表示所述同轴折射镜组的焦距， />表示所述离轴反射镜组的焦距， />表示所述离轴折射镜组的焦距。
2.如权利要求1所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述同轴折射镜组包括同轴设置的第一同轴透镜和第二同轴透镜，所述离轴反射镜组包括离轴设置的第一离轴反射镜和第二离轴反射镜，所述离轴折射镜组包括离轴设置的离轴透镜，其中，所述第一同轴透镜、所述第二同轴透镜、所述第一离轴反射镜、所述第二离轴反射镜和所述离轴透镜沿着光路依次设置。
3.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统还满足以下条件：
其中， 表示所述第一同轴透镜的焦距， />表示所述第二同轴透镜的焦距，表示所述第一离轴反射镜的焦距， />表示所述第二离轴反射镜的焦距。
4.如权利要求3所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统还满足以下条件：
其中， 表示所述第一同轴透镜与所述第二同轴透镜的间距， />表示所述第二同轴透镜与所述第一离轴反射镜的间距， />表示所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜的间距， />表示所述第二离轴反射镜与所述离轴透镜的间距， />表示所述离轴透镜与所述焦平面的间距。
5.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述同轴折射镜组和所述离轴折射镜组由对0.4~1.7μm波段内高透过率的材料构成。
6.如权利要求5所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述第一同轴透镜由折射率1.456、阿贝常数90.9的材料构成，所述第二同轴透镜由折射率1.713、阿贝常数53.832的材料构成，所述离轴透镜由折射率1.5891、阿贝常数61.254的材料构成。
7.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜由单晶硅、碳化硅、铝或微晶玻璃材料构成。
8.如权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于：所述同轴折射镜组中的所述第一同轴透镜的像侧面和所述第二同轴透镜的像侧面采用偶次非球面设计，所述同轴折射镜组中的其余面均采用球面设计。
9.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜均采用偶次非球面设计。
10.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述离轴透镜的面形均采用球面设计。
11.如权利要求2所述的折反式光学成像系统，其特征在于：还包括光阑，所述光阑位于所述第一离轴反射镜上，所述光学成像系统的体积≤55mm×42mm×35mm。
12.如权利要求5所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统工作于-40~80℃范围内的温度条件下，用于对0.4~1.7μm可见光和近红外波段范围内的目标进行探测。
13.如权利要求12所述的折反式光学成像系统，其特征在于：还包括镜筒，所述镜筒的材料选用热膨胀系数为10×10 -6/℃的钛合金。
14.如权利要求1所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统的焦距为36mm，F数取2≤F≤4，视场为32°×1°。
15.如权利要求1所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统为像方远心，入瞳位于无限远处，各个视场远心度小于1°。
16.如权利要求1所述的折反式光学成像系统，其特征在于：所述光学成像系统的透过率达84%以上。
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