一种共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件的制作方法

本发明属于武器装备光电探测器设计技术领域，尤其涉及一种共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件。

背景技术：

共形光学指的是在光学系统的优化设计中，不但要使得光学系统成像质量达到最好，而且要使得光学系统在与其应用环境的交互中达到最优，它主要应用于高速飞行器和导弹的导航、跟踪或者侦察用成像探测系统中。传统的机载光学遥感器为满足较大视场，常采用平面拼接式光学窗口，该类光学窗口虽然对光学系统成像质量影响较小，但是会给机身引入较大的阻力，且平面窗口会增大雷达横截面的反射面积。

共形光学系统采用的窗口外表面面型需要与机舱载体外表面进行平滑的吻合，即“共形”于高速载体外表面，使得窗口面型符合载体的流体力学性能和气动性能，但是此时光学窗口参与成像的光学表面一般为非球面光学面型，甚至为不规则的自由曲面。此时，当舱内的光学系统对一定范围的视场进行大扫描成像时，共形于高速载体的气动光学窗口会为后续的成像光学系统引入严重的像差，且这些像差会随着扫描视场角的变化而动态变化，极大地影响了飞行器遥感相机的成像分辨率。共形光学理论针对气动光学窗口引入的各种严重动态像差，研究科学的像差校正方法，通过设计灵活多样的像差校正器，使得成像系统在保证机身空气动力学性能的基础上满足系统本身的成像性能。

目前国内外学者研制的光学像差校正器主要分为两类，即静态像差校正器和动态像差校正器，而两类像差校正器均有先天的劣势。静态像差校正器校正像差不完善，动态像差校正器结构复杂、体积庞大、增加了系统的复杂度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件，将固有成像透镜组件转化为动态像差校正元件，实现共形光学系统像差动态校正。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件，包括：共形光学窗口、像差校正成像透镜组件和伺服控制系统；其中，所述像差校正成像透镜组件和所述伺服控制系统相连接，伺服控制系统能够对像差校正成像透镜组件进行运动控制；所述像差校正成像透镜组件包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述伺服控制系统能够驱动第一透镜和第三透镜相对于第二透镜沿光轴运动，所述伺服控制系统能够驱动第一透镜、第二透镜和第三透镜绕光轴转动。

上述共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件中，共形光学窗口与第二透镜的距离为136mm；第一透镜相对于第二透镜沿轴运动的距离范围为0mm-4mm,第三透镜相对于第二透镜沿轴运动的距离范围为0mm-6.7mm；第一透镜、第二透镜和第三透镜绕轴转动的角度范围为0-0.76°。

上述共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件中，所述共形光学窗口包括共形外表面和共形内表面；其中，共形外表面和共形内表面为偏轴的同心抛物面；共形外表面和共形内表面的二次曲面系数都是-0.875；所述共形外表面的曲率半径为50mm，所述共形内表面的曲率半径为46mm。

上述共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件中，所述共形内表面为双向可调的对称式zernike表面。

上述共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件中，所述第一透镜包括第一球面和第二球面，所述第一透镜的材料为锗，所述第一透镜的厚度为3mm；所述第二透镜包括平面和第一柱面，所述第二透镜的材料为硒化锌，所述第二透镜的厚度为2mm；所述第三透镜包括第二柱面和第三球面，所述第三透镜的材料为锗，所述第三透镜的厚度为3mm。

上述共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件中，所述共形内表面的矢量高度表达式如下：

其中，z光学表面矢量高度，c光线在光学表面上的交点径向位置，r为半径值，k为二次曲面系数，ai是标准泽尼克多项式的第i项系数，是光线在标准则尼克表面上的交点轴向位置，ρ光线在光学表面上的归一化交点径向位置，是光线与光学表面的夹角。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明将固有成像透镜组件转化为动态像差校正元件，实现共形光学系统像差动态校正；

(2)本发明由三个透镜组成，像差校正成像组件的作用包含：第一，作为像差校正器，产生波前像差，校正共形光学系统波前像差，第二，作为中继成像系统，接收共形光学系统平行光入射，完成共形光学中继成像；

(3)本发明透镜组件中的两透镜进行轴向运动，透镜组件中的所有三个透镜进行绕轴转动。其中两个透镜的沿轴运动补偿了系统中随观测场变化的离焦量，三个透镜的绕轴转动用于补偿系统中的随观测场变化的像散。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的像差校正成像透镜组件两维运动的控制流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件的结构示意图。如图1所示，该共形光学系统两维运动的像差校正成像透镜组件包括：共形光学窗口1、像差校正成像透镜组件13和伺服控制系统。其中，所述像差校正成像透镜组件13和所述伺服控制系统相连接，伺服控制系统能够对像差校正成像透镜组件13进行运动控制；所述像差校正成像透镜组件包括第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4；所述伺服控制系统能够驱动第一透镜2和第三透镜4相对于第二透镜3沿轴运动，所述伺服控制系统能够驱动第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4绕轴运动。

共形光学窗口1与第二透镜3的距离为136mm；

所述伺服控制系统能够驱动第一透镜2和第三透镜4相对于第二透镜3沿轴运动中具体的第一透镜2相对于第二透镜3运动的距离范围为0mm-4mm,第三透镜4相对于第二透镜3运动的距离范围为0mm-6.7mm。

第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4绕轴运动的角度范围为0-0.76°。

共形光学系统包含共形光学窗口1，包含共形外表面5和共形内表面6。共形内表面6为一个非球面，作用为补偿高次非球面像差。两维运动像差校正器13安装的位置可以接受进入共形光学窗口1的成像光线，其动态运动可以补偿低阶像差，主要包含大角度观测场内离焦与像散。所说的观测场指的是传感器在具备俯仰、方位方向有足够大角度的旋转或指向范围，是与瞬时视场对比而言的，一般传感器的瞬时视场远远小于观测场。

如图1所示，共形光学窗口1的作用一般包含两种：第一，保证高速飞行器的流体力学性能；第二，保证窗口后面成像光学系统可以满足足够的观测场成像。为了足够的流体性能，共形光学窗口的面形一般与高速飞机的安装接口满足平滑过渡，然而满足该条件的光学窗口一般会引入随着观测场变化的像差。该像差包括高阶像差和低阶像差，分别采用静态校正方法和动态校正方法，其中高阶像差一般通过静态像差校正器，即共形光学系统的内表面进行校正。低阶像差尤其是像散和离焦，一般动态相差校正器，即共形光学系统像差发生器进行校正。

光学系统入瞳直径为50mm，观测场的范围从俯仰-30°～30°，工作中心波长为4.2μm，以上为一个设计实例，该方法适用于同类型的共形光学系统。

共形光学窗口1的两个表面为偏轴的同心抛物面，内外表面的二次曲面系数都是-0.875，其内表面面形不同于外表面面型，内表面是对称式zernike表面，外表面的曲率半径为50mm，内表面的曲率半径为46mm，内表面的矢量高度表达式如下：

其中，z光学表面矢量高度，c光线在光学表面上的交点径向位置，r为半径值，k为二次曲面系数，ai是标准泽尼克多项式的第i项系数，是光线在标准则尼克表面上的交点轴向位置，ρ光线在光学表面上的归一化交点径向位置，是光线与光学表面的夹角。

两维运动的像差校正器13包含透镜2、透镜3、透镜4组成，像差校正器的两维运动包含：(1)透镜2与透镜4的沿轴运动；(2)透镜2、透镜3、透镜4的绕轴转动，透镜2相对于透镜3的运动补偿了系统中的离焦，透镜4相对于透镜3的运动补偿了系统中的像散；透镜2、透镜3、透镜4的绕轴转动可以改变像散的方向。

透镜2包含一个球面7和一个球面8，材料选用锗，厚度为3mm；透镜3包含一个平面9和一个柱面(或环形表面)10，材料为硒化锌，厚度为2mm；透镜4包含一个柱面11(或环形表面)和一个球面12，材料为锗，厚度约为3mm。图中透镜2相对于3沿轴运动的作用是补偿光学系统的离焦，图中透镜4相对于3沿轴运动的作用是补偿光学系统的像散。

共形光学窗口引入的初始波前差在观测场内达约rms值5个波长，这是光学成像性能所无法容忍的像差，必须进行校正。将波前像差分解为正交zernike多项式像差的形式，通过分解得知，像差类型中包含高次像差，因此将整流罩内表面设置为则尼克多项式表面以校正像差中的高次项，经过内表面像差校正后，像差在观测场内的波前差约为rms值0.3～0.5个波长。

剩余像差主要由低阶像差组成，例如离焦和像散，窗口内表面通常无法校正，此时，当两维运动像差校正器进行校正后，像差被校正为剩下0.025波长rms值。当产生两维运动时，三个透镜之间的间隔、旋转都会精确移除像差中的离焦与像散。三个透镜的两维运动需提供足够的速度以匹配成像光学系统在观测场内扫描的速度，伺服控制系统通过控制数据库对两维运动像差校正器的动作进行精确控制。

图2给出了两维运动的像差校正成像透镜组件13的控制流程，第14步决定像差校正成像透镜组件13的位置；第15步表示探测器提供了像差数据；通过判断系统波前rms值是否满足系统要求，判断是否需要像差校正成像透镜组件13产生运动，如果需要产生运动，则伺服控制系统通过调用位置预存数据库数据对像差校正成像透镜组件13进行运动控制，其随时间变化的具体动作变化主要取决于光线进入共形光学窗口的位置与面型变化，像差校正成像透镜组件13在不同共形光学系统中的应用具有普适性，像差校正成像透镜组件13的动作取决于共形光学窗口的材料、厚度、外表面、内表面的面形，像差校正成像透镜组件13一般置于共形光学窗口后面无焦位置处。

第16步判断两个透镜是否应该分开并产生轴向运动，如果通过预存数据库判断透镜之间应该产生轴向运动，则第17步控制像差校正成像透镜组件13中的透镜之间产生轴向运动。第18步判断像差校正成像透镜组件13是否应该产生绕轴旋转运动，如果通过预存数据库判断像差校正成像透镜组件13必须产生绕轴转动，则第19步则控制像差校正成像透镜组件13产生绕轴转动，如果判断得知不需要，则直接跳到达到流程的第20步结束。

本发明将固有成像透镜组件转化为动态像差校正元件，实现共形光学系统像差动态校正；本发明由三个透镜组成，像差校正成像组件的作用包含：第一，作为像差校正器，产生波前像差，校正共形光学系统波前像差，第二，作为中继成像系统，接收共形光学系统平行光入射，完成共形光学中继成像；本发明透镜组件中的两透镜进行轴向运动，透镜组件中的所有三个透镜进行绕轴转动。其中两个透镜的沿轴运动补偿了系统中随观测场变化的离焦量，三个透镜的绕轴转动用于补偿系统中的随观测场变化的像散。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。