[发明专利]次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，特别适用于星载空间高精度测绘、搜索等领域。

背景技术

次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统与传统的变焦系统相比，一方面，共轴反射式成像系统，可以实现无色差像质，且具有长焦距、大口径、结构简单、重量轻等优点，能够对远距离物体进行清晰成像，在对地高精度观测、搜索等技术领域，具有重要的应用价值；另一方面，主动变焦系统，是通过系统中某个或某几个光学元件的面形变化进行系统变焦，不需要改变光学器件之间的间距，从而减少了移动光学元件的机械结构部分，大大减少了变焦系统的体积，所以系统具有结构紧凑、控制灵活的特点。

国内与本发明相似的技术为一篇硕士学位论文“基于主动光学的空间变焦成像技术研究”，文章针对基于主动光学的空间变焦成像的相关技术进行探索和研究，并设计了新四反射式主动变焦光学系统，该系统可以在整个视场内的任意小区域进行变焦，只对感兴趣的区域变焦获得清晰成像，但是该系统的次镜对主镜及第三个反射镜对第四个反射镜的遮拦明显较大。如图1所示，新四反射式主动变焦光学系统，四个反射面均为二次曲面，系统中次镜和第三个反射镜是两个曲率半径可变的变形镜，该系统不变焦时，成像质量接近衍射极限，当在对各视场分别变焦时，系统成像质量明显下降，特别是对边缘视场进行变焦时，像质下降更为明显。

本发明设计是一种次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统，是一种全反射式的变焦成像系统。系统在设计过程中，考虑到传统折射式机械变焦系统的像差校正及光学元件移动时机械结构部分设计的困难，结合主动光学理论，选择了主动变焦的方式，采用了共轴的四个反射镜，其中，次镜和第三个反射镜的曲率半径是可变的，完成了次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统的设计。本设计系统是一个由四个反射镜组成的全反射式光学系统，四个反射镜中次镜是一个球面镜，其余三个反射镜是非球面镜，使得系统具有更多的自由变量来校正系统像差，可以实现变焦过程中，各视场保持清晰成像，成像质量接近衍射极限，从而避免了两反射镜系统和三反射镜系统因自由度少而面临的像差校正困难的问题。本系统的主动变焦方式，采用的是系统中次镜和第三反射境的曲率半径的变化，实现系统的不同焦距和像面位置稳定。两个反射镜的背面布有适量压电陶瓷促动器，根据系统变焦的需要，通过电压控制压电陶瓷的变形，从而促动反射镜形状的变化，实现反射镜曲率半径的变化，这种变焦方式与机械变焦方式相比，具有相对的控制灵活性。但是，目前共轴反射式成像系统仍存在很多问题，例如，共轴反射式系统的视场小，光线遮拦大，加工装调较难，实用性较低，而且主动变焦系统的研究也刚刚处于初始阶段，还存在着一定的适用性问题，正吸引更多的科技工作人员进一步深入的研究。

发明内容

本发明的目的是探索新型的反射式主动变焦成像系统，解决现有的透射式机械变焦系统像差校正和移动元件机械结构部分设计的技术问题，提出一种新的次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统。

本发明解决技术问题的具体技术方案是：

如图2，次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统包括：光焦度为正的非球面主镜（1）、曲率半径可变的球面次镜（2）、曲率半径可变的非球面反射镜（3），非球面反射镜（4）和探测器像面（5）；各光学元件，沿光线传播方向，如图2所示，依次排列。

其中，光焦度为负的非球面主镜（1）与曲率半径可变的球面次镜（2）组成一个两镜系统，而曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组合形成一个两镜系统，两个两镜系统对称式地排布，组成次镜为球面的共轴四反射镜主动变焦光学系统。

具体设计原理如下：

1.平行光线入射到光焦度为正的非球面主镜（1）后得到会聚光束，会聚光线通过曲率半径可变的球面次镜（2）,得到一次成像的像面，所得的像再经过曲率半径可变的非球面反射镜（3）和非球面反射镜（4）组成的两镜系统，最终成像在系统的像面上。

2.为了实现系统的主动变焦，根据系统焦距变化时需要曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）的变化量，确定控制曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）两个反射镜背面压电陶瓷促动器的电压值，并施以相应的电压控制促动器使曲率半径可变的球面次镜（2）和曲率半径可变的非球面反射镜（3）变形，实现焦距的变化。