非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统的制作方法

本专利涉及星载或地面高光谱成像、激光三维成像等领域中的光学系统，具体是指一种将望远镜与变焦中继光学系统相结合，用于实现全波段范围内大变焦比、无移动元件、小畸变的远心光学成像形式。

背景技术：

变焦系统已经广泛应用于光谱成像、光学成像和激光工程等方面，可以实现对目标物的可变分辨率探测,它要求系统焦距能连续可变,在变焦过程中像面位置不变化并保持像质良好。最早的变焦距物镜为1902年c.c.allen设计的放映物镜，直到1932年，才出现随着改变焦距而移动焦点的镜头。目前的变焦距系统大都利用改变透镜组间的间隔来实现。而在移动透镜组间隔变焦时,总会伴随着像面的移动，因此要对其进行补偿。补偿方法主要有光学补偿和机械补偿两种。光学补偿优点是系统结构简单，但是其焦距不能连续变化，而是几个离散值,因而在使用中受到了许多限制。机械补偿变焦由于其机械装置较为复杂，变焦速度较慢，在一些特殊领域也受到限制。近几年来,随着国外液晶技术、微机电系统的发展日益成熟,提出了新型的变焦模式。在光学系统中加入2个或多个可变形液晶透镜或可变形镜，通过改变加载的电压使液晶透镜或可变形镜产生弯曲和变形,实现变焦。

2004年davidv.wick等利用zemax初步设计了变焦倍率为3.9×的变焦系统，在光学系统中加入2个变焦透镜来实现变焦；之后他们在系统中加入可变形镜,通过其面形的变化实现系统变焦。2009年kristofseidl等为数码相机设计了变焦倍率为3×的离轴全反射式变焦光学系统，由4个反射面构成，其中利用了2个可变形反射面。2012年西安光学精密机械研究所提出了一种4×的离轴三反变焦望远镜，系统使用两个不同主镜分别工作在不同变焦比下，含有一个变形镜，且焦面需要移动。

由国内外发展趋势来看，要求变焦比越来越大、光学简单可靠、成像质量好、且焦面不发生位移，这为光学设计带来了极大的难度，主要体现在：

1.全反射式变焦系统，对全波段没有色差，由于镜面多为离轴设计，大变焦比时像差难以消除。而且反射镜面优化变量有限，焦面位置有时会发生位移。

2.透射式变焦系统，存在移动元件，工作于大变焦比时光学元件移动距离巨大，造成仪器体积庞大；采用多组变焦光学元件配合变焦，变焦组光路透镜设计复杂，影响系统像质。

而将非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统与望远镜成像系统相结合，解决了现有移动光学元件式变焦系统在大变焦比工作时移动距离非常大、结构巨大问题；以及无移动式变焦系统实现变焦比小的问题。且此系统不存在任何移动光学部件、光路紧凑，可对景物全波段范围内实现30倍大变焦比的高分辨率、小畸变和远心缩放成像。

技术实现要素：

综上所述，如何设计大变焦比且无移动部件的反射式光学系统，乃是本专利所要解决的技术问题。本专利反射镜面为非共轴设计，各个反射镜在离轴方向依次反射布置，在水平面内光路是上下布局。非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，包括望远成像系统焦面光阑1，准直球面反射镜2，孔径光阑3，第一主动变形反射镜4，第二主动变形反射镜5，第三主动变形反射镜6，第四主动变形反射镜7，其特征在于，所述的五镜面全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统位于望远成像系统焦面后，来自目标景物光束经过望远系统汇聚到望远成像系统焦面光阑1上，经准直球面反射镜2将光线准直后，通过孔径光阑3，随后经第一主动变形反射镜4、第二主动变形反射镜5、第三主动变形反射镜6和第四主动变形反射镜7反射到焦面探测器上成像。

本专利所述的望远成像系统焦面光阑1为表面发黑的可变尺寸金属光阑，尺寸随变倍比而变化。所述的准直球面反射镜2为金属或玻璃球面反射镜。所述的孔径光阑3为金属或玻璃材料，中间区域在有效视场内透光，边缘区域不透光；当系统工作于低温环境下，可以作为仪器窗口，起到有效抑制杂光或背景辐射的作用。

本专利所述的第一主动变形反射镜4、第二主动变形反射镜5、第三主动变形反射镜6和第四主动变形反射镜7为金属反射镜，曲率半径在子午和弧矢方向不同，随变倍比变化；具有渐变厚度，渐变厚度t与半口径x关系如公式(1)。

t＝8.09514+0.24526x-0.04266x²+0.00174x³-2.90602e-5x⁴+1.73128e-7x⁵(1)

四个主动变形反射镜中心区域有固定凸耳，镜面边缘圆周平面为传感器加力区域，压电传感器产生位移继而对镜面造成变形，从而实现在子午方向和弧矢方向分别为2倍/2倍和15倍/30倍可选工况的变焦比功能，最终在变焦系统焦面形成远心光路。变焦过程需要同时驱动四个主动变形反射镜面形变化。变焦中继光学系统成像质量优良，空间分辨率达到10urad，畸变小于1％，整个光学体积紧凑为700*385*100mm。

本专利由于把非共轴五反系统与主动变形镜相结合，系统的优点如下：

1.可实现最大30倍变焦，远心光路成像质量优良，空间分辨率达到10urad，畸变小于1％。

2.光路为全反射非共轴设计布局，不受色差影响，变焦过程仅采用主动变形镜进行面形改变，无任何移动光学元件，整个光学体积非常紧凑。

3.孔径光阑的设计，使得系统背景杂光抑制更加有效。

4.变焦系统形式应用广泛，能应用于星载和地基变焦光学成像领域。

附图说明

图1为非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统光路图，1为望远成像系统焦面光阑，2为准直球面反射镜，3为孔径光阑，4为第一主动变形反射镜，5为第二主动变形反射镜，6为第三主动变形反射镜，7为第四主动变形反射镜。

具体实施方式

本专利设计了一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，主要技术特点如下：

1.工作波段：480nm-2500nm；

2.入射到望远成像系统焦面光阑的光线焦比为17.5；

3.变焦比：子午和弧矢方向2倍/2倍和15倍/30倍连续变焦；

4.变焦后焦面尺寸为40*60mm；

5.变焦后成像质量：空间分辨率优于10μrad，畸变小于1％，远心光线不准直度小于1.5％；

6.全反射式非共轴离轴镜面光路设计，采用四个主动变形镜曲率变化改变系统焦距，变焦过程焦面不发生移动。

表1主动变焦中继光学系统具体设计参数

技术特征：

1.一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，包括望远成像系统焦面光阑(1)，准直球面反射镜(2)，孔径光阑(3)，第一主动变形反射镜(4)，第二主动变形反射镜(5)，第三主动变形反射镜(6)，第四主动变形反射镜(7)，其特征在于，

所述的光学系统五个反射镜在离轴方向依次反射布置；五镜面全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统位于望远成像系统焦面后，来自目标景物光束经过望远系统汇聚到望远成像系统焦面光阑(1)上，经准直球面反射镜(2)将光线准直后，通过孔径光阑(3)，随后经第一主动变形反射镜(4)、第二主动变形反射镜(5)、第三主动变形反射镜(6)和第四主动变形反射镜(7)反射到焦面探测器上成像。

2.根据权利要求1所述的一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，其特征在于：所述的望远成像系统焦面光阑(1)为表面发黑的可变尺寸金属光阑。

3.根据权利要求1所述的一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，其特征在于：所述的准直球面反射镜(2)为金属或玻璃球面反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，其特征在于：所述的孔径光阑(3)为金属或玻璃材料，中间区域在有效视场内透光，边缘区域不透光。

5.根据权利要求1所述的一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统，特征在于：所述的第一主动变形反射镜(4)、第二主动变形反射镜(5)、第三主动变形反射镜(6)和第四主动变形反射镜(7)为金属反射镜，曲率半径在子午和弧矢方向不同，随变倍比变化；具有渐变厚度，渐变厚度t与半口径x关系如公式(1)：

t＝8.09514+0.24526x-0.04266x²+0.00174x³-2.90602e-5x⁴+1.73128e-7x⁵。(1)

技术总结
本专利公开了一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统。其特征在于：景物目标经过望远镜汇聚到成像系统焦面光阑，随后经过准直球面反射镜、第一主动变形反射镜、第二主动变形反射镜、第三主动变形反射镜、第四主动变形反射镜后，通过压电传感器对四个主动变形镜产生镜面变形，从而实现望远镜焦面图像从2倍到30倍的变焦远心成像。本专利解决了现有移动光学元件式变焦系统在大变焦比工作时移动距离非常大、结构巨大问题；以及无移动式变焦系统实现变焦比小的问题。采用本专利与望远镜成像系统相结合，不存在任何移动光学部件、光路简单且结构紧凑，可对景物全波段范围内实现30倍大变焦比的高分辨率、小畸变和远心缩放成像。

技术研发人员：王欣;周浩;刘强;舒嵘;黄庚华;何志平
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2019.11.18
技术公布日：2020.06.26