[發明專利]一種大視場離軸五反非軸向變焦成像光學系統

有效

• 申請號: 202210373883.5
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114815199B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 常軍;曹佳靜;王文曦;來笑笑
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06;G02B17/00;G02B15/14
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的一種大視場離軸五反非軸向變焦成像光學系統，屬于光學變焦成像領域。本發明主鏡為凸面反射鏡，將大入射角度光線發散，有助于實現大視場成像。采用二次成像的結構，非軸向同步變焦初成像子系統在離軸三反射式軸向變焦的基礎上，加入垂軸方向變焦調節，增加變焦成像光學系統優化自由度；通過非軸向移動實現軸向移動與垂軸移動的同步調節，實現非軸向同步變焦。后置中繼成像子系統通過兩個固定的反射鏡實現一次中間像面的翻轉、傳輸與變倍成像。通過一次像面處再次成像，能夠在一次像面位置設置視場光闌，顯著減少由于反射鏡移動而難以設置擋光裝置帶來的雜散光。本發明還具有如下優點：不需要使用自由曲面反射鏡，降低加工和檢測成本。

技術領域

本發明屬于光學變焦成像領域，尤其涉及一種大相對孔徑、大變倍比的離軸反射變焦成像光學系統。

背景技術

在遙感探測領域，寬譜段、大變倍比、高分辨率的變焦距光學系統設計具有重要意義。離軸全反射式變焦光學系統具有無色差寬成像譜段、兼顧大視場搜索和小視場瞄準、無遮攔成像的特點，符合新一代高性能、輕小型機載遙感探測載荷的應用需求。

離軸全反射式變焦距光學系統按原理分為主動變焦型和機械變焦型。離軸全反射式主動變焦成像系統通過控制主動光學元件(變形鏡、空間光調制器、液體透鏡等)的曲率等變化來實現系統光焦度的變化。離軸全反射式主動變焦成像系統響應速度快，體積相對較小，但是仍存在主動光學元件調控難度高、離軸面型擬合難度高、數據傳輸速度較慢、成本高的限制。離軸全反射式機械變焦成像系統通過控制系統內部反射鏡的軸向移動來實現整體光焦度的變化，與離軸全反射式主動變焦成像系統相比，響應速度較慢，體積較大，但是機械控制相對簡單，成本較低。傳統離軸全反射式機械變焦成像系統一般采用三反射鏡和四反射鏡的結構，當主鏡為凹面反射鏡時，系統視場較小。此外，為了實現大變倍比范圍內的高分辨成像，自由曲面面型反射鏡被用來校正系統的高階非對稱像差，但是自由曲面反射鏡的加工難度以及檢測難度大，大大增加了此類系統的研制難度與成本。

發明內容

為了克服傳統離軸全反射式機械變焦成像系統相對孔徑小以及面型復雜的缺點，本發明主要目的是提供一種大視場離軸五反非軸向變焦成像光學系統。主鏡為凸面反射鏡，將大入射角度光線發散，有助于實現大視場成像。采用二次成像的結構，即將五個反射鏡根據成像結構及功能，分為非軸向同步變焦初成像子系統和后置中繼成像子系統。非軸向同步變焦初成像子系統在離軸三反射式軸向變焦的基礎上，加入垂軸方向變焦調節，增加變焦成像光學系統優化自由度；此外，通過非軸向移動矢量實現軸向移動與垂軸移動的同步調節，實現變焦成像光學系統非軸向同步變焦，從而保證不同焦距狀態下成像質量良好。后置中繼成像子系統通過兩個固定的反射鏡實現一次中間像面的翻轉、傳輸與變倍成像。通過中繼成像子系統對非軸向同步變焦初成像子系統的一次像面處進行再次成像，能夠在一次像面位置設置視場光闌，顯著減少由于反射鏡移動而難以設置擋光裝置帶來的雜散光，從而有效消除到達探測器像面的雜散光。本發明還具有如下優點：不需要使用自由曲面反射鏡，降低加工和檢測成本。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明公開的一種大視場離軸五反非軸向變焦成像光學系統，包括主反射鏡，次反射鏡，第三反射鏡，第四反射鏡，第五反射鏡，探測器像面，還包括用于移動次反射鏡、第三反射鏡的平移臺。

所述主反射鏡為固定反射鏡，空間位置不變，所述次反射鏡、第三反射鏡為變倍組和補償組元件，通過非軸向移動所述兩個反射鏡實現變焦成像。其中，所述非軸向移動基于非軸向移動矢量實現，非軸向移動矢量為軸向移動量與垂軸移動量合成的非軸向移動矢量。通過軸向移動實現非軸向變焦成像光學系統焦距的變化；通過垂軸方向移動增加變焦成像光學系統的自由度，利用兩個反射鏡偏心量對像差場的作用主動平衡變焦成像光學系統多重結構之間的波像差，實現不同焦距結構下非軸向變焦成像光學系統高階像散與彗差的校正。通過非軸向移動矢量實現軸向移動與垂軸移動的同步調節，實現變焦成像光學系統非軸向同步變焦，從而保證不同焦距狀態下成像質量良好，無需使用自由曲面。