[發明專利]一種大相對孔徑離軸六反非軸向變焦成像光學系統

有效

• 申請號: 202210373905.8
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114815202B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 常軍;曹佳靜;張文超;黃翼
• 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

1.一種大相對孔徑離軸六反非軸向變焦成像光學系統，其特征在于：包括可變光闌，主反射鏡，次反射鏡，第三反射鏡，第四反射鏡，第五反射鏡，第六反射鏡，探測器像面，還包括用于移動次反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡的平移臺；

所述可變光闌為孔徑光闌，孔徑光闌的孔徑隨焦距變化而變化；通過調節孔徑光闌的孔徑，保證變焦成像光學系統的相對孔徑固定；

所述主反射鏡為固定反射鏡，空間位置不變，所述次反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡為變倍組和補償組元件，通過非軸向移動所述次反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡三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，利用三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；

所述利用三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，實現方法如下，

步驟一，根據軸向移動公式(1)確定三個反射鏡軸向移動量；

其中，r為反射鏡的曲率半徑，t為反射鏡之間的距離，α_ji為遮攔比，β_ji為放大率，f_j為不同結構下的焦距；

步驟二，根據公式(2)確定變焦成像光學系統的初級波像差系數，所述初級波像差系數是關于α_ji,β_ji,f_j的函數；

其中：

其中：所述k_i為反射鏡i的二次曲面系數，且

n_i＝1，i為奇數；n_i＝-1，i為偶數，?n_i'＝-1，i為奇數；n_i'＝1，i為偶數?(5)

步驟三，基于步驟二確定的變焦成像光學系統的初級波像差系數，通過公式(7)確定不同結構下反射鏡的偏心量σ_ji，并根據所述偏心量σ_ji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；所述偏心量σ_ji的差值Δσ_j2,Δσ_j3,Δσ_j4即為三個反射鏡的垂軸移動量；

其中：所述垂軸移動量表示為不同結構下反射鏡的偏心量σ_ji不同，其中，j表示第j重結構，i表示第i個反射鏡；如公式(7)所示，離軸變焦成像系統的彗差中心與像散中心始終是關于α_ji,β_ji,f_j,的函數，在軸向移動的基礎上加入垂軸方向的移動，增加系統的自由度，利用離軸系統偏移量對像差場的作用特性來主動平衡變焦距系統多重結構之間的波像差；

所述第五反射鏡和第六反射鏡組成放大率為b的中繼成像子系統，空間位置不變，因此可以單獨對其曲率半徑和厚度參數進行計算；定義第五反射鏡的放大率為β₅，第六反射鏡的放大率為β₆，且滿足β₅β₆＝b。

2.如權利要求1所述的一種大相對孔徑離軸六反非軸向變焦成像光學系統，其特征在于：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，可以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，從而有效消除可以到達探測器像面的雜散光。

3.如權利要求1所述的一種大相對孔徑離軸六反非軸向變焦成像光學系統，其特征在于：為了保證變焦成像光學系統穩定成像，所述次反射鏡、第三反射鏡和第四反射鏡的放大倍率滿足共軛距不變的變焦關系，保證一次中間像面位置不變，從而確保探測器像面位置不變。