一种大相对孔径离轴四反射式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。由于共轴反射变焦系统存在遮拦，通常对系统进行离轴无遮拦设计。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.目前普遍采用的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。
4.国外已有技术中，与本发明较为接近的是专利(us6333811b1)，如图1所示：中继子系统为离轴四反射镜机械变焦成像系统，由rm1，rm2，rm3，rm4组成，通过轴向移动rm2和rm3可实现2倍变焦成像，变焦方式为轴向移动，但变倍比较小，且相对孔径较小。国内已有技术中，与本发明较为接近的是专利(cn2016101543235)，由第一反射镜(2)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)组成，通过各个反射镜在不同轴向位置和角度的改变实现1.33倍变焦成像，系统变倍比较小，且控制反射镜轴向位置以及角度变化的难度较大。


技术实现要素：

5.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四反射式非轴向变焦成像光学系统，在离轴四反射式轴向变焦基础上，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。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。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式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、探测器，还包括用于移动次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的平移台。
8.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。
9.所述主反射镜为固定反射镜，空间位置不变。所述次反射镜、第三反射镜和第四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，利用次反射镜、第三反射镜和第四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。
10.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：
11.步骤一，根据轴向移动公式(1)确定次反射镜、第三反射镜和第四反射镜三个反射镜轴向移动量。
[0012][0013]
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。
[0014]
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。
[0015][0016]
其中：
[0017][0018][0019]
其中：所述ki为反射镜i的二次曲面系数，且
[0020]
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)
[0021][0022]
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
j2
,
△
σ
j3
,
△
σ
j4
即为三个反射镜的垂轴移动量。
[0023][0024]
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。
[0025]
为了保证变焦成像光学系统稳定成像，作为优选，所述次反射镜、第三反射镜和第四反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面位置不变。
[0026]
作为优选，所述主反射镜、次反射镜与第四反射镜为凹面反射镜，第三反射镜为凸面反射镜，四个反射镜面型均为8阶非球面。主反射镜和次反射镜的反射面相对放置构成反射镜组，并通过反射镜组形成一次中间像。通过非轴向移动次反射镜改变所述反射镜组的光焦度，实现初步变焦，降低大相对孔径与大变倍比带来的各个反射镜的面型优化压力以及后续中继子系统的变倍与补偿压力。次反射镜和第三反射镜的反射面相对放置。第三反射镜和第四反射镜的反射面相对放置，第三反射镜和第四反射镜组成中继子系统，通过非轴向移动第三反射镜和第四反射镜改变该中继镜组的放大倍率。第四反射镜和探测器像面相对放置。可变光阑与主反射镜镜面中心沿y轴方向偏移光轴放置，次反射镜、第三反射镜和第四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四反射式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被所述探测器像面接收到并成像。
[0029]
次反射镜、第三反射镜和第四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，当次反射镜、第三反射镜和第四反射镜各自非轴向移动到图6所示的相应位置时，系统切换为分辨率更高的长焦状态，对视场范围内物体进行更高物方空间分辨率的清晰成像。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。
[0030]
有益效果：
[0031]
1、本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式非轴向变焦成像光学系统，主反射镜为固定反射镜，次反射镜、第三反射镜和第四反射镜为可移动反射镜，且主反射镜与次反射镜组成前置成像反射镜组，第三反射镜与第四反射镜组成中继子系统。通过非轴向移动次反射镜改变所述反射镜组的光焦度，实现初步变焦，降低大相对孔径与大变倍比带来的各个反射镜的面型优化压力以及后续中继子系统的变倍与补偿压力。通过非轴向移动第三反射镜和第四反射镜改变中继子系统的放大倍率。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四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。
[0033]
3、本发明公开的一种大相对孔径离轴四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。
[0034]
4、本发明公开的一种大相对孔径离轴四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。
附图说明
[0035]
图1为专利us6333811b1的全反射式变焦成像光学系统的示意图。
[0036]
图2为矢量合成非轴向移动矢量的流程示意图。
[0037]
图3为本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式非轴向变焦成像光学系统结构示意图。
[0038]
图4为空间坐标系示意图。
[0039]
图5为本发明装置的短焦状态光路图。
[0040]
图6为本发明装置的长焦状态光路图。
[0041]
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-探测器像面。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
如图3所示，本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式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，探测器06，还包括用于移动次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05的平移台。
[0044]
所述系统位于空间坐标系(xyz)中，坐标轴方向如图4所示。
[0045]
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固定，始终为1:4；
[0046]
所述主反射镜02为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，空间位置不变，用于将来自目标的光线聚焦反射，形成第一反射光；
[0047]
所述次反射镜03为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自主反射镜02的光线再次聚焦反射，形成一次中间像；
[0048]
所述主反射镜02和次反射镜03的反射面相对安排，并形成一次中间像，且非轴向移动次反射镜03可改变该反射镜组的光焦度，实现初步变焦，降低大相对孔径与大变倍比带来的各个反射镜的相对孔径压力以及后续中继子系统的变倍与补偿压力；
[0049]
所述第三反射镜04为一凸面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自次反射镜03的光线发散，形成第三反射光；
[0050]
所述第四反射镜05为一凹面反射镜，面型为8阶非球面，用于将来自第三反射镜03
的光线聚焦成像在探测器06像面上；
[0051]
所述第三反射镜04和第四反射镜05的反射面相对安排，第三反射镜04和第四反射镜05组成中继子系统，移动第三反射镜04和第四反射镜05可改变该中继镜组的放大倍率。
[0052]
所述次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05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，所述次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，从而确保探测器像面06位置不变。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。
[0053]
所述次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05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，次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05到上一个反射镜的距离不同以及次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05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。
[0054]
8阶非球面的一般表达式为：
[0055][0056]
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。
[0057]
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确定的反射镜的面型参数与非轴向移动量如下：
[0058]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05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。半径r、二次曲面系数k、以及高阶系数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。
[0059]
表1主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05的面型参数
[0060] 主反射镜02次反射镜03第三反射镜04第四反射镜05r-572.84211.82119.93155.45k1.4745753.6279362.494334-0.214888α23.88569e-009-6.73259e-0088.80460e-0071.047830e-008α
3-2.24698e-014-9.817403e-011-6.39727e-009-1.59057e-013α41.20931e-0185.721160e-0141.50573e-0118.89657e-017
[0061]
所述次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05在短焦与长焦结构下的空间位置如表2所示。镜片之间的距离与镜片偏心的值也不限于2所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0062]
表2次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05的空间位置参数
[0063][0064]
所述大相对孔径离轴四反射式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被所述探测器像面06接收到并成像。如图5所示为系统短焦状态示意图，次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05位于指定位置处时系统可对较大视场进行清晰成像，当次反射镜03、第三反射镜04和第四反射镜05各自非轴向移动到图6所示的相应位置时，系统切换为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。
[0065]
所述主反射镜02、次反射镜03、第三反射镜04、第四反射镜05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的反射率，可在其各自的反射面镀银膜或金膜增反膜。
[0066]
本实施例提供的大相对孔径离轴四反射式非轴向变焦成像光学系统具有以下优点：
[0067]
1、本发明公开的一种大相对孔径离轴四反射式非轴向变焦成像光学系统，主反射镜为固定反射镜，次反射镜、第三反射镜和第四反射镜为可移动反射镜，且主反射镜与次反射镜组成前置成像反射镜组，第三反射镜与第四反射镜组成中继子系统。通过非轴向移动次反射镜改变所述反射镜组的光焦度，实现初步变焦，降低大相对孔径与大变倍比带来的各个反射镜的面型优化压力以及后续中继子系统的变倍与补偿压力。通过非轴向移动第三反射镜和第四反射镜改变中继子系统的放大倍率。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。
[0068]
2、本发明公开的一种大相对孔径离轴四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。
[0069]
3、本发明公开的一种大相对孔径离轴四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。
[0070]
4、本发明公开的一种大相对孔径离轴四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。
[0071]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。