一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统

1.本发明属于光学变焦成像领域，尤其涉及一种大相对孔径、大变倍比的离轴反射变焦成像光学系统。


背景技术：

2.在机载对地观测领域，宽谱段、大变倍比、高分辨率的变焦距光学系统设计具有重要意义。离轴全反射式变焦光学系统具有无色差宽成像谱段、兼顾大视场搜索和小视场瞄准、无遮拦成像的特点，符合新一代高性能、轻小型机载对地观测载荷的应用需求。
3.离轴全反射式变焦距光学系统按原理分为主动变焦型和机械变焦型。离轴全反射式主动变焦成像系统通过控制主动光学元件(变形镜、空间光调制器、液体透镜等)的曲率等变化来实现系统光焦度的变化。离轴全反射式主动变焦成像系统响应速度快，体积相对较小，但是仍存在主动光学元件调控难度高、离轴面型拟合难度高、数据传输速度较慢、成本高的限制。离轴全反射式机械变焦成像系统通过控制系统内部反射镜的轴向移动来实现整体光焦度的变化，与离轴全反射式主动变焦成像系统相比，响应速度较慢，体积较大，但是机械控制相对简单，成本较低。传统离轴全反射式机械变焦成像系统一般采用三反射镜和四反射镜的结构，可实现大变倍比变焦成像，但是系统具有固定大小的入瞳直径，相对孔径较小，尤其是在长焦状态下，系统相对孔径极小，难以满足高分辨率成像的要求。此外，为了实现大变倍比范围内的高分辨成像，自由曲面面型反射镜被用来校正系统的高阶非对称像差，但是自由曲面反射镜的加工难度以及检测难度大，大大增加了此类系统的研制难度与成本。


技术实现要素：

4.为了克服传统离轴全反射式机械变焦成像系统相对孔径小以及面型复杂的缺点，本发明主要目的是提供一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统。采用二次成像的结构，即将五个反射镜根据成像结构及功能，分为非轴向同步变焦初成像子系统和后置中继成像子系统。非轴向同步变焦初成像子系统在离轴三反射式全动型变焦的基础上，加入垂轴方向变焦调节，增加变焦成像光学系统优化自由度；此外，通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好。后置中继成像子系统通过两个固定的反射镜实现一次中间像面的翻转、传输与变倍成像。通过中继成像子系统对非轴向同步变焦初成像子系统的一次像面处进行再次成像，可以在一次像面位置设置视场光阑，显著减少由于反射镜移动而难以设置挡光装置带来的杂散光，从而有效消除到达探测器像面的杂散光。本发明还具有如下优点：不需要使用自由曲面反射镜，降低加工和检测成本。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，包括可变光阑，主反射镜，次反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，探测器像面，还包括用于移
动主反射镜、次反射镜、第三反射镜的平移台。
7.所述可变光阑为孔径光阑，孔径光阑的孔径随焦距变化而变化。通过调节孔径光阑的孔径，保证变焦成像光学系统的相对孔径固定。
8.所述主反射镜、次反射镜、第三反射镜为变倍组和补偿组元件，通过非轴向移动所述三个反射镜实现变焦成像。其中，所述非轴向移动基于非轴向移动矢量实现，非轴向移动矢量为轴向移动量与垂轴移动量合成的非轴向移动矢量。通过轴向移动实现非轴向变焦成像光学系统焦距的变化；通过垂轴方向移动增加变焦成像光学系统的自由度，利用主反射镜、次反射镜、第三反射镜三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面。
9.作为优选，所述利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现方法如下：
10.步骤一，根据轴向移动公式(1)确定三个反射镜轴向移动量。
[0011][0012]
其中，r为反射镜的曲率半径，t为反射镜之间的距离，α
ji
为遮拦比，β
ji
为放大率，fj为不同结构下的焦距。
[0013]
步骤二，根据公式(2)确定变焦成像光学系统的初级波像差系数，所述初级波像差系数是关于α
ji
,β
ji
,fj的函数。
[0014][0015]
其中：
[0016]
[0017][0018]
其中：所述ki为反射镜i的二次曲面系数，且
[0019]
ni＝1(i为奇数),ni＝-1(i为偶数)，ni'＝-1(i为奇数),ni'＝1(i为偶数)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0020]uj1
＝0,u
j1
'＝2h
j1
/r1,u
j2
＝u
j1
',u
j2
'＝u
j2
/β
j1
,u
j3
＝u
j2
',u
j3
'＝u
j3
/β
j2
ꢀꢀꢀ
(6)
[0021]
步骤三，基于步骤二确定的变焦成像光学系统的初级波像差系数，通过公式(7)确定不同结构下反射镜的偏心量σ
ji
，并根据所述偏心量σ
ji
主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。所述偏心量σ
ji
的差值
△
σ
j1
,
△
σ
j2
,
△
σ
j3
即为三个反射镜的垂轴移动量。
[0022][0023]
其中：所述垂轴移动量表示为不同结构下反射镜的偏心量σ
ji
不同，其中，j表示第j重结构，i表示第i个反射镜。如公式(7)所示，离轴变焦成像系统的彗差中心与像散中心始终是关于α
ji
,β
ji
,fj,的函数，在轴向移动的基础上加入垂轴方向的移动，增加系统的自由度，利用离轴系统偏移量对像差场的作用特性来主动平衡变焦距系统多重结构之间的波像差。
[0024]
所述第四反射镜和第五反射镜组成放大率为b的中继成像子系统，空间位置不变，因此可以单独对其曲率半径和厚度参数进行计算。定义第四反射镜的放大率为β4，第五反射镜的放大率为β5，且满足β4β5＝b。
[0025]
所述第四反射镜和第五反射镜组成的中继成像子系统对非轴向同步变焦初成像子系统的一次像面处进行再次成像，为了保证成像清晰无杂光，作为优选，在一次像面位置设置视场光阑，显著减少由于反射镜移动而难以设置挡光装置带来的杂散光，从而有效消除可以到达探测器像面的杂散光。
[0026]
作为优选，所述主反射镜、第三反射镜、第四反射镜与第五反射镜为凹面反射镜，次反射镜为凸面反射镜，五个反射镜面型均为8阶非球面。主反射镜和次反射镜的反射面相对安排，次反射镜和第三反射镜的反射面相对安排，第三反射镜和第四反射镜的反射面相对安排，第四反射镜和第五反射镜的反射面相对安排，第五反射镜和探测器像面相对安排。可变光阑与主反射镜镜面中心沿y轴方向偏心放置，偏心量相同，次反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜均相对光轴偏心和倾斜放置，各镜的偏心量与倾斜量不相同。
[0027]
本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统的工作方法为：
[0028]
通过可变光阑的光入射到所述主反射镜的反射面上，经该主反射镜的反射面反射后形成第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜的反射面上，经该次反射镜的反射面反射后形成第二反射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜的反射面上，经该第三反射镜的反射面反射后形成第三反射光，该第三反射光入射到所述第四反射镜的反射面上，经该第四反射镜的反射面反射后形成第四反射光，该第四反射光入射到所述第五反射镜的反射面上，经该第五反射镜的反射面反射后形成第五反射光，该第五反射光被所述探测器像面接收到并成像。主反射镜、次反射镜与第三反射镜位于指定位置处时系统可对较大视场进行清晰成像，当主反射镜、次反射镜与第三反射镜分别非轴向移动到相应位置时，系统切换为分辨率放大的长焦状态，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像。
[0029]
通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦。利用后置中继成像子系统对一次中间像进行再次成像，通过在稳定的一次中间像面位置添加视场光阑，有效消除进入后置中继成像子系统与探测器像面的杂散光。通过以上设置，保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面，降低加工和检测成本。
[0030]
有益效果：
[0031]
1、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，第四反射镜与第五反射镜为固定反射镜，主反射镜、次反射镜与第三反射镜为可移动反射镜，且主反射镜、次反射镜、第三反射镜组成全动型非轴向同步变焦初成像子系统，第四反射镜与第五反射镜组成后置中继成像子系统。通过非轴向移动主反射镜、次反射镜和第三反射镜改变所述反射镜组的光焦度，实现变焦。后置中继成像子系统通过两个固定的反射镜实现一次中间像面的翻转、传输与变倍成像。通过在一次中间像面位置添加视场光阑，可有效消除进入后置中继成像子系统的杂散光。通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面。
[0032]
2、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，非轴向移动矢量为轴向移动量与垂轴移动量合成的非轴向移动矢量。通过轴向移动实现非轴向变焦成像光学系统焦距的变化；通过垂轴方向移动增加变焦成像光学系统的自由度，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。
[0033]
3、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，根据赛德尔像差理论与矢量像差理论，建立变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正方法，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。
[0034]
4、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，通过对稳定的一次像面处设置视场光阑，可以大大减少非轴向同步变焦初成像子系统中由于反射镜移动导致的无法消除的杂散光，有效消除可以到达探测器像面的杂散光。
[0035]
5、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，仅需使用高阶非球面反射镜，不需要使用自由曲面反射镜，降低加工和检测成本。
附图说明
[0036]
图1为本发明装置结构示意图。
[0037]
图2为空间坐标系示意图。
[0038]
图3为本发明装置的短焦状态光路图。
[0039]
图4为本发明装置的长焦状态光路图。
[0040]
其中，01-可变光阑，02-主反射镜，03-次反射镜，04-第三反射镜，05-第四反射镜，06-第五反射镜，07-探测器像面。
具体实施方式
[0041]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0042]
如图1所示，本发明主要目的是提供一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，包括可变光阑01，主反射镜02，次反射镜03，第三反射镜04，第四反射镜05，第五反射镜06，探测器像面07。
[0043]
所述系统位于空间坐标系(xyz)中，坐标轴方向如图2所示。
[0044]
所述可变光阑01为系统的孔径光阑，其孔径随焦距变化而变化，保证系统的相对孔径始终为1:4。
[0045]
所述主反射镜02为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自目标的光线聚焦反射，形成第一反射光。
[0046]
所述次反射镜03为一凸面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自主反射镜02的光线再次反射，形成第二反射光。
[0047]
所述第三反射镜04为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自次反射镜03的光线聚焦在一次像面上，形成第三反射光。
[0048]
所述第四反射镜05为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，空间位置不变，用于将来自第三反射镜04的光线反射形成四反射光。
[0049]
所述第五反射镜06为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，空间位置不变，用于将来自第四反射镜05的光线聚焦成像在探测器07靶面上。
[0050]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04通过平移台移动到指定位置。
[0051]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04组成全动型非轴向同步变焦初成像子系统，所述第四反射镜05和第五反射镜06组成放大率为1的中继成像子系统。
[0052]
所述中继成像子系统对非轴向同步变焦初成像子系统的一次像面处进行再次成像，作为优选，可以在一次像面位置设置视场光阑，大大减少由于反射镜移动而难以设置挡光装置带来的杂散光，从而有效消除可以到达探测器像面的杂散光。
[0053]
所述主反射镜02、次反射镜03和第三反射镜04为变倍组和补偿组元件，通过非轴向移动这三个反射镜来实现系统焦距的变化，变倍比为5倍。
[0054]
所述非轴向同步变焦初成像子系统的一次中间像面位置不变，从而确保探测器像面07位置不变。
[0055]
其中，所述非轴向移动基于非轴向移动矢量实现，非轴向移动矢量为轴向移动量与垂轴移动量合成的非轴向移动矢量。通过轴向移动实现非轴向变焦成像光学系统焦距的
变化；通过垂轴方向移动增加变焦成像光学系统的自由度，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面。
[0056]
所述主反射镜02、次反射镜03和第三反射镜04的非轴向移动为yz平面内一维方向上的移动，可分解为轴向(z向)移动分量与垂轴(y向)移动分量，具体可表现为不同焦距状态下，主反射镜02、次反射镜03和第三反射镜04到上一个表面的距离不同以及主反射镜02、次反射镜03和第三反射镜04的y轴偏心量不同。其中，通过轴向(z向)移动实现系统焦距的变化，通过垂轴(y向)移动实现系统不同焦距结构下高阶像散与彗差像差的校正，通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面。
[0057]
8阶非球面的一般表达式为：
[0058][0059]
式中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，αi是多项式中第i项的系数。
[0060]
依据本实施例公开的利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差的实现方法以及后续优化确定的反射镜的面型参数与非轴向移动量如下：
[0061]
本实施例中，所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05和第五反射镜06反射面的半径r即曲率c的倒数、二次曲面系数k、以及各项系数αi的值请分别参见表1。可以理解，半径r、二次曲面系数k、以及各项系数αi的值也不限于表1所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0062]
表1主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05和第五反射镜06的面型参数
[0063]
[0064][0065]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04在短焦与长焦状态下的空间位置如表2所示。可以理解，镜片之间的距离与镜片偏心的值也不限于表2所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0066]
表2主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04的空间位置参数
[0067][0068]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06可以采用铝合金、铍铝合金、碳化硅等材料作为加工基底。为了提高所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05、第五反射镜06的反射率，可在其各自的反射面镀银膜或金膜增反膜。
[0069]
所述大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统的工作光路如下：通过可变光阑01的光入射到所述主反射镜02的反射面上，经该主反射镜02的反射面反射后形成第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜03的反射面上，经该次反射镜03的反射面反射后形成第二反射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜04的反射面上，经该第三反射镜04的反射面反射后形成第三反射光，该第三反射光入射到所述第四反射镜05的反射面上，经该第四反射镜05的反射面反射后形成第四反射光，该第四反射光入射到所述第五反射镜06的反射面上，经该第五反射镜06的反射面反射后形成第五反射光，该第五反射光被所述探测器像面07接收到并成像。如图3所示为系统短焦状态示意图，主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04位于指定位置处时系统可对较大视场进行清晰成像，当主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04分别非轴向移动到图4所示的相应位置时，系统切换为4.5倍放大的长焦状态，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像。
[0070]
本发明实施例提供的大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统具有以下优点：
[0071]
1、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反非轴向变焦成像光学系统，第四反射镜与第五反射镜为固定反射镜，主反射镜、次反射镜与第三反射镜为可移动反射镜，且主反射镜、次反射镜、第三反射镜组成非轴向同步变焦初成像子系统，第四反射镜与第五反射镜组成后置中继成像子系统。通过非轴向移动主反射镜、次反射镜和第三反射镜改变所述反射镜组的光焦度，实现变焦。后置中继成像子系统通过两个固定的反射镜实现一次中间像面的翻转、传输与变倍成像。通过在一次中间像面位置添加视场光阑，可有效消除进入后置中继成像子系统的杂散光。通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自
由曲面。
[0072]
2、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反射式非轴向变焦成像光学系统，非轴向移动矢量为轴向移动量与垂轴移动量合成的非轴向移动矢量。通过轴向移动实现非轴向变焦成像光学系统焦距的变化；通过垂轴方向移动增加变焦成像光学系统的自由度，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。
[0073]
3、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反射式非轴向变焦成像光学系统，根据赛德尔像差理论与矢量像差理论，建立变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正方法，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正。
[0074]
4、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反射式非轴向变焦成像光学系统，通过对稳定的一次像面处设置视场光阑，可以大大减少非轴向同步变焦初成像子系统中由于反射镜移动导致的无法消除的杂散光，有效消除可以到达探测器像面的杂散光。
[0075]
5、本发明公开的一种大相对孔径离轴五反射式非轴向变焦成像光学系统，仅需使用高阶非球面反射镜，不需要使用自由曲面反射镜，降低加工和检测成本。
[0076]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。