一种同质材料大视场相机

本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种同质材料大视场相机。

背景技术：

1、光学系统在探测、制导等领域发挥着极其重要的作用。复杂曲面可为光学系统提供更多的设计自由度，使得光学系统性能提升、结构紧凑，因此具有广泛的应用前景，但是复杂光学曲面在加工和装调上的难题成为其应用瓶颈。面向复杂曲面光学系统的光机设计区别于常规光学系统，有着自身的特点和难点。复杂曲面光学系统往往不是回转对称的系统，则对每个光学元件而言，其六个自由度都需精确限制，这对装调工作带来了巨大挑战。传统的反射式回转对称系统如卡塞格林系统具有中心遮拦，降低了能量的利用率，而离轴反射系统不具有中心遮拦，可以提高系统的进光量，进而从原理上提高系统分辨率。对于光学系统而言，环境适应性是保证成像质量稳定与否的关键因素，如果系统不能在复杂工况下工作，那么该系统的应用就将受到极大限制。力热稳定性是环境适应性中需要着重考量的两个因素。力学稳定性包括静力学和动力学稳定性，静力学主要考察系统在静力情况，例如自身重力和外界固定载荷条件下光学元件以及结构元件的变形量，判断其有无超出该系统相应部分的允差范围。而动力学稳定性则主要在振动和冲击中判断系统的变形量、结构强度以及是否会产生共振等问题。同样的，热力学稳定性也包括稳态热和非稳态热两种，稳态热即均匀温度变化条件下系统的热变形情况，而非稳态热则考察温度梯度对系统造成的热应力影响。金属反射镜已经被应用在复杂曲面光学系统中，但是光学原理设计和光机结构设计的分离、铝合金材料反射镜加工精度的限制、光学系统力热稳定性的耦合等问题依然是同质材料光学系统研制瓶颈，并且目前仍然缺乏系统的同质材料光学相机设计研究。但是面向复杂曲面光学系统的同质材料相机光机设计仍缺乏系统的研究。光机设计处于整个光学相机研制过程的中间层，它向下与光学原理设计相关，向上和光学加工、光学检测、光学装调等环节紧密相连。因此，结合光学系统特点的光机设计是一个综合性极高的工作。总之同质材料相机凭借其优越的性能将在未来广泛应用于探测和制导领域。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种同质材料大视场相机，本发明能够实现不同焦段的高分辨率可见光大视场(水平视场角大于30°)成像，成像质量清晰，调焦方便，受环境影响小，可用于航空航天、无人或有人的机载/车载光学成像系统。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种同质材料大视场相机，包括一端安装有探测器的镜筒，所述镜筒上设有入光孔，所述镜筒内分别安装有主镜、一体化次镜和一体化三镜，所述探测器的进光侧朝向镜筒的内侧，从入光孔入射的光线依次经过主镜、一体化次镜以及一体化三镜的三次全反射后进入探测器，所述镜筒、主镜、一体化次镜以及一体化三镜均采用相同金属材料制成。

4、可选地，所述探测器、一体化次镜和入光孔三者布置于镜筒的同一端，所述主镜和一体化三镜布置于镜筒的另一端。

5、可选地，所述镜筒一端设有前挡板、另一端设有后挡板，所述前挡板和后挡板均与镜筒采用相同金属材料制成，所述前挡板上还开设有进光口，所述进光口与探测器的进光侧对齐，所述一体化次镜嵌设安装在前挡板的中部且布置于入光孔、进光口之间。

6、可选地，所述一体化三镜与后挡板为一体化结构，一体化次镜和进光口以及前挡板12形成一体化结构，主镜为单独的镜面元件，所述主镜的四周带有支撑耳，所述支撑耳通过与镜筒采用连接件安装在后挡板上。

7、可选地，所述镜筒的两侧端面上均设有圆形定位槽，所述前挡板和后挡板的端面上均设有圆形定位台，所述镜筒分别与前挡板、后挡板相连且使得圆形定位台插入布置在圆形定位槽中。

8、可选地，所述主镜和一体化三镜的四周都开设有卸力槽。

9、可选地，所述镜筒上位于入光孔的一侧设有入光挡板，所述主镜和一体化三镜之间设有主镜挡光板，所述一体化次镜的上侧设有次镜上挡光板、下侧设有次镜上挡光板，所述镜筒的内部位于探测器的进光侧的下侧设有探测挡光板。

10、可选地，所述探测器和镜筒之间设有滑筒和调焦圈，所述滑筒和调焦圈两者滑动配合或者螺纹配合，所述滑筒安装在镜筒上，所述调焦圈与探测器相连，且所述调焦圈上设有多颗用于调节与滑筒之间的间隙的调节螺钉，所述调节螺钉嵌设在调焦圈上且端部与滑筒螺纹配合。

11、可选地，所述镜筒、主镜、一体化次镜以及一体化三镜均采用相同的铝合金制成。

12、可选地，所述主镜、一体化次镜及一体化三镜为自由曲面或者复杂曲面的全反射镜面以实现大视场成像，其中主镜、次镜及一体化三镜的面型的函数表达式为：

13、

14、上式中，x、y和z分别xyz三轴方向的坐标，k,c,ai为主镜、次镜及一体化三镜的曲面设计自由度。

15、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

16、1、本发明包括一端安装有探测器的镜筒，镜筒上设有入光孔，镜筒内分别安装有主镜、一体化次镜和一体化三镜，所述探测器的进光侧朝向镜筒的内侧，从入光孔入射的光线依次经过主镜、一体化次镜以及一体化三镜的三次全反射后进入探测器，从而能够实现可见光波段的大视场范围成像。本发明的主镜、一体化次镜以及一体化三镜均采用相同金属材料制成，由于主镜、一体化次镜以及一体化三镜采用相同金属材料制成，一方面当相机处于温度变化的环境下，光学元件热变形引起的热离焦可被镜筒等结构件的热变形完全补偿，在均匀温度变化条件下不存在热像差，另一方面采用金属材料易于成形，易实现轻量化一体成形，反射率高，可采用光学加工工艺达到纳米精度。

17、2、本发明一体化次镜与一体化三镜采用结构功能一体化设计，光学镜面设计于相机的结构件上，一体化次镜与一体化三镜不会因为装配误差带来面形误差的变化，从最大限度保证光学镜面的质量。另一方面，可通过超精密车削与形位一致cgh(一种高精度镜面误差测量手段)检测以实现相机光学镜面与配合面高精度面形检测，保证工件配合面达到亚微米精度，各工件通过简单装配实现高精度配合。

18、3、本发明适用对象可为天基空间目标观测系统上的成像侦查相机、微小卫星组网、飞机光电观测系统、自动驾驶车辆的环境感知等方面，具有适用范围广的优点。

技术特征：

1.一种同质材料大视场相机，其特征在于，包括一端安装有探测器(2)的镜筒(1)，所述镜筒(1)上设有入光孔(11)，所述镜筒(1)内分别安装有主镜(3)、一体化次镜(4)和一体化三镜(5)，所述探测器(2)的进光侧朝向镜筒(1)的内侧，从入光孔(11)入射的光线依次经过主镜(3)、一体化次镜(4)以及一体化三镜(5)的三次全反射后进入探测器(2)，所述镜筒(1)、主镜(3)、一体化次镜(4)以及一体化三镜(5)均采用相同金属材料制成。

2.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述探测器(2)、一体化次镜(4)和入光孔(11)三者布置于镜筒(1)的同一端，所述主镜(3)和一体化三镜(5)布置于镜筒(1)的另一端。

3.根据权利要求2所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述镜筒(1)一端设有前挡板(12)、另一端设有后挡板(13)，所述前挡板(12)和后挡板(13)均与镜筒(1)采用相同金属材料制成，所述前挡板(12)上还开设有进光口(121)，所述进光口(121)与探测器(2)的进光侧对齐，所述一体化次镜(4)嵌设安装在前挡板(12)的中部且布置于入光孔(11)、进光口(121)之间。

4.根据权利要求3所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述一体化三镜(5)与后挡板(13)为一体化结构，所述一体化次镜(4)和进光口(121)以及前挡板(12)形成一体化结构，所述主镜(3)为单独的镜面元件，所述主镜(3)的四周带有支撑耳(31)，所述支撑耳(31)通过与镜筒(1)采用连接件安装在后挡板(13)上。

5.根据权利要求4所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述镜筒(1)的两侧端面上均设有圆形定位槽(101)，所述前挡板(12)和后挡板(13)的端面上均设有圆形定位台(131)，所述镜筒(1)分别与前挡板(12)、后挡板(13)相连且使得圆形定位台(131)插入布置在圆形定位槽(101)中。

6.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述主镜(3)和一体化三镜(5)的四周都开设有卸力槽(32)。

7.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述镜筒(1)上位于入光孔(11)的一侧设有入光挡板(14)，所述主镜(3)和一体化三镜(5)之间设有主镜挡光板(33)，所述一体化次镜(4)的上侧设有次镜上挡光板(41)、下侧设有次镜上挡光板(42)，所述镜筒(1)的内部位于探测器(2)的进光侧的下侧设有探测挡光板(21)。

8.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述探测器(2)和镜筒(1)之间设有滑筒(22)和调焦圈(23)，所述滑筒(22)和调焦圈(23)两者滑动配合或者螺纹配合，所述滑筒(22)安装在镜筒(1)上，所述调焦圈(23)与探测器(2)相连，且所述调焦圈(23)上设有多颗用于调节与滑筒(22)之间的间隙的调节螺钉(24)，所述调节螺钉(24)嵌设在调焦圈(23)上且端部与滑筒(22)螺纹配合。

9.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述镜筒(1)、主镜(3)、一体化次镜(4)以及一体化三镜(5)均采用相同的铝合金制成。

10.根据权利要求1所述的同质材料大视场相机，其特征在于，所述主镜(3)、一体化次镜(4)及一体化三镜(5)为自由曲面或者复杂曲面的全反射镜面以实现大视场成像，其中主镜(3)、次镜(4)及一体化三镜(5)的面型的函数表达式为：

技术总结
本发明公开了一种同质材料大视场相机，包括一端安装有探测器的镜筒，所述镜筒上设有入光孔，所述镜筒内分别安装有主镜、一体化次镜和一体化三镜，所述探测器的进光侧朝向镜筒的内侧，从入光孔入射的光线依次经过主镜、一体化次镜以及一体化三镜的三次全反射后进入探测器，所述镜筒、主镜、一体化次镜以及一体化三镜均采用相同金属材料制成。本发明能够实现不同焦段的高分辨率可见光大视场(水平视场角大于30°)成像，成像质量清晰，调焦方便，受环境影响小，可用于航空航天、无人或有人的机载/车载光学成像系统。

技术研发人员：赖涛,彭小强,刘俊峰,杜春阳,陈付磊,张海栋,庞修洋,黎泽龙,孙梓洲,丘甲,王福稳,周锐,陈紫健,胡杰
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15