CN103926693A - 一种紧凑型大框架角共形光学*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紧凑型大框架角共形光学***，光线经过整流罩后到达柱面校正透镜，由柱面校正透镜完成对对光线相位的校正，透过柱面校正透镜的光线经过成像透镜组的出射，经过成像透镜组出射的光线经过光阑后在探测器面成像；所述的柱面校正透镜、成像透镜组和光阑绕整流罩光轴上的一旋转中心转动并与z轴角度为α，同时柱面校正透镜也围绕自身光轴z’进行旋转，顺时针所转角度为β，且β=f(α)，当光学***对不同目标视场进行成像时，分别旋转α，β时，实现对该目标视场物体进行完善成像。该***能在大框架角（≥100°）内探测和跟踪目标的要求，用途广泛。

Description

一种紧凑型大框架角共形光学***

技术领域

本发明属于光学***领域，具体涉及一种紧凑型大框架角共形光学***。

背景技术

目前，传统的飞行器整流罩一般为球形，这样对后面成像光学***设计的较为简单，但当飞行器的速度达到几个马赫时，由于气动加热会在飞行器整流罩的顶端和边缘温度驻点，对视场内的图像形成干扰噪声，严重时可导致无法识别目标。另外球形整流罩在高速度下，其空气阻力非常大，严重限制了飞行器的速度和航程。而共形飞行器整流罩采用的是流线型的曲面代替传统的球面，包括二次曲面、非球面和其它能提高飞行性能的各种几何表面。由于共形整流罩具有良好的气动特性，可以很好的克服上述球形整流罩的缺点，提高了飞行器的速度与航程，而且还具有很好的隐身能力。但由于共形窗口曲率随视场变化，使得各个视场的像差的都不同，校正困难，增加了成像光学***设计的难度。

为了消除像差随视场变化带来的影响，获得好的成像质量，目前主要有四种校正的方法，一是采用旋转的Zernike光楔，表面的面型是由Zernike多项式来表示；第二种是采用固定的校正片来实现像差的校正，这种方法是通过在整流罩和成像***之间加入一片透镜；另一种是采用可变形的反射镜来矫正，随着视场的变化反射镜的表面形状可以相应改变来达到校正像差的目的；还有通过倾斜部分光学元件的方法，利用产生的像差来平衡整流罩的像散和慧差。

上述几种方法虽然可以校正一定角度范围内（小于50°）的共形窗口的像差，但是在大目标视场时，都不能校正共形窗口带来像散和慧差，无法实现无渐晕大目标视场的良好成像，限制了共形光学技术的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种紧凑型大框架角共形光学***，该光学***能够实现在大目标视场的完善成像，且该光学结构紧凑，装调容易，而且稳定性高。

本发明提供一种紧凑型大框架角共形光学***，该光学***包括整流罩、柱面校正透镜、成像透镜组和光阑，光线经过整流罩后到达柱面校正透镜，由柱面校正透镜完成对对光线相位的校正，透过柱面校正透镜的光线经过成像透镜组出射，经过成像透镜组出射的光线经过光阑后在探测器面成像；所述的柱面校正透镜、成像透镜组和光阑绕整流罩光轴上旋转中心转动并与z轴所成的角度为α，同时柱面校正透镜也围绕其自身光轴z’进行旋转，顺时针所转角度为β，且β=f(α)，当光学***对不同目标视场进行成像时，分别旋转α，β时，实现对该目标视场物体进行完善成像。

本发明所述的整流罩的光焦度1/f1为负，柱面校正透镜的光焦度1/f2为正，成像透镜组的光焦度1/f3为正。

本发明所述的整流罩外表面为椭球面，内表面为非球面，柱面校正透镜前后表面中至少有一个是圆柱面。

本发明所述的成像透镜组为折反式结构，包括至少一片反射镜和一片透镜。

本发明所述的成像透镜组为一体式折反成像结构，包含四个光学表面均为高次非球面，前后各两个，透过柱面校正透镜的光线先从成像透镜组前表面外环区域入射，到后表面外环区域时发生内反射，再到前表面中心区域又发生内反射，最后经过后表面中心区域出射。

本发明所述的成像透镜组的表面非球面满足如下函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}$

其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为非球面系数。

本发明所述的整流罩的材料为热压氟化镁（MgF2），折射率为1.38，阿贝数为106.2。

本发明所述的成像透镜组采用的一体式折反透镜为锗（Germanium），折射率为4.2，色散为103.4。

本发明的有益效果：和现有技术相比，本发明利用旋转柱面校正透镜的子午和弧失光焦度的差异校正共形光学窗口在各个目标视场的动态像差，实现共形光学***在大框架角（≥100°）内探测和跟踪目标的要求，用途广泛；同时，本发明的光学***仅由三片透镜组成，具有结构简单、紧凑、易装调、稳定性高的的特点。

附图说明

图1是本发明的紧凑型大框架共形光学***在30°目标视场的结构图。

图2是本发明的紧凑型大框架共形光学***在100°目标视场的结构图。

图3是本发明成像透镜组L3的结构图。

图4是本发明的紧凑型大框架共形光学***柱面校正透镜旋转的角度β与目标视场角α之间的关系曲线。

图5是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在30°目标视场光学传递函数mtf图。

图6是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在30°目标视场点斑图。

图7是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在100°目标视场光学传递函数mtf图。

图8是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在100°目标视场点斑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的紧凑型大框架角共形光学***包括整流罩L1、柱面校正透镜L2、成像透镜组L3和光阑1，柱面校正透镜L2位于共形光学窗口后方，用于对经过整流罩的光线的像差进行校正，成像透镜组L3位于柱面校正透镜L2的后方，光阑1位于成像透镜组L3后方。所述的柱面校正透镜L2、成像透镜组L3、光阑1和探测器2作为整体可以围绕整流罩L1光轴上一点o为中心同时绕x轴和y轴进行旋转且与z轴角度为α，同时柱面校正透镜L2也可以围绕自身光轴z’进行旋转，顺时针所转角度为β，两个角度满足一定的拟合关系β=f(α)（f指的是函数关系，β是α的函数），所述的紧凑型大框架共形光学***柱面校正透镜L2旋转的角度β与目标视场角α之间的关系曲线如图5所示，当光学***对不同目标视场进行成像时，分别旋转α，β时，能够对该目标视场物体进行完善成像。其中o为xyz直角坐标系的原点，主光轴方向为z轴方向。o’为x’y’z’直角坐标系的原点，主光轴方向为z’轴方向。

本实施方式所述的整流罩L1的主要作用是为飞行器提供好的气动外形，减少飞行时的空气阻力；柱面校正透镜L2的作用是校正（整流罩）不规则形状产生的像差；成像透镜组L3的作用是进一步校正经过柱面镜后的剩余像差，并且对某一个目标视场内的物体进行成像。

本实施方式所述的整流罩L1的光焦度1/f1为负，柱面校正透镜L2的光焦度1/f2为正，成像透镜组L3的光焦度1/f3为正，其中各透镜的焦距与整个光学***的焦距f的比率按以下要求：

-∞<f1/f<-200

-60<f2/f<-10

0.6<f3/f<0.8

1.4<F/D<4.5

其中整个光学***的焦距为f，f1、f2、f3分别为L1、L2、L3的焦距。

本实施方式所述的整流罩L1的外表面s1为有优良气动特性的二次曲面，内表面s2为非球面。整流罩L1的外表面s1和内表面s2还可以采用其他能提高飞行性能的各种几何表面。柱面校正透镜L2前后表面s3、s4均为至少有一面是圆柱面。本实施方式所述的成像透镜组为折反式结构，包括至少一片反射镜和一片透镜。优选的是，所述的成像透镜组由单块光学材料对前后两个表面分别进行加工，形成4个光学表面，均为高次非球面，前后各两个。按光学经过的顺序可以将这四个表面记为s5、s6、s7、s8，结构如图3所示，其中前表面中心圆区域为s7，是内反射面，外环区域为s5，为透射面；后表面中心圆形区域是s8，是透射面，外环区域是s6，为内反射面。

本实施方式所述的成像透镜组的表面非球面满足如下函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}$

其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为非球面系数。

本实施方式所述的整流罩的材料优选为热压氟化镁（MgF2），折射率为1.38，阿贝数为106.2。整流罩产生大量的像散和慧差，经过柱面校正透镜之后仍有较大残留，成像透镜组采用的一体式折反透镜，一体式折反透镜材料为单晶锗（Germanium），折射率为4.2，色散为103.4，其材料性质适宜单点金刚石车床加工，表面全部采用非球面，对残留像差进行校正。由实验可以测定，整个光学***在满足上述条件下，光学***传函在各个目标视场中，在17lp/mm处达到0.5以上、点斑大小接近衍射极限。

下面对本光学***的光路进行简要描述：

光线经过整流罩外表面s1、内表面s2，到达柱面校正透镜L2表面，从s3入射然后从s4出射，完成对光线相位的校正，经过成像透镜组L3的多次折射和反射，由于采用了多个高次非球面，缩短了***的总长，同时很好的矫正了各种轴上及轴外像差。

以下仅是作为本发明的一个优选实例，选用的镜头焦距为80mm，焦比值（F/D）为2，全镜头总长160mm，半瞬时视场2.44°，半目标视场100°。图5是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在30°目标视场光学传递函数mtf图，图6是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在30°目标视场点斑图。图7是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在100°目标视场光学传递函数mtf图，图8是本发明的紧凑型大框架共形光学***实施例1中的在100°目标视场点斑图，设计结果显示光学传递函数在17lp/mm处大于0.45，几何点斑均匀，接近衍射极限，表明成像质量优良。对照图1选取一系列较优数据如下表1、表2所示。

表1

其中，表1中第五列的数据由上至下为：L1的中心厚度（即S1几何中心至S2几何中心之间的距离）；S2几何中心至S3几何中心之间的距离；L2的中心厚度（即S3几何中心至S4几何中心之间的距离）；S4几何中心至S5几何中心之间的距离；S5几何中心至S6几何中心之间的距离；S6几何中心至S7几何中心之间的距离；S7几何中心至S8几何中心之间的距离。

表2

表面	A4	A6	A8	A10
					S2	-2.2717028e-007	-5.7924126e-012
S5	2.0817853e-006	-1.1108323e-009	-1.0605984e-012	-1.8383399e-015
					S6	-1.133634e-006	1.4974404e-009	-6.9347894e-013	-2.7581953e-016
S7	3.1352766e-005	-1.1795444e-007	4.403875e-010	-9.9258456e-013
					S8	2.7234495e-005	2.8273546e-008	-5.3952651e-011	9.7702212e-013

上述较佳实施例中整流罩L1采用的是MGF2，固定校正透镜L2及一体式折反透镜L3由于采用的都是非球面，所以选用了易加工的GERMANIUM作为材料。

Claims (8)

1.一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，该光学***包括整流罩（L1）、柱面校正透镜（L2）、成像透镜组（L3）和光阑（1），光线经过整流罩（L1）后到达柱面校正透镜（L2），由柱面校正透镜（L2）完成对对光线相位的校正，透过柱面校正透镜（L2）的光线经过成像透镜组（L3）出射，经过成像透镜组（L3）出射的光线经过光阑（1）后在探测器面成像；所述的柱面校正透镜（L2）、成像透镜组（L3）和光阑（1）绕整流罩（L1）光轴上的旋转中心转动并与z轴所成的角度为α，同时柱面校正透镜（L2）围绕自身光轴z’旋转，顺时针所转角度为β，且β=f(α)，当光学***对不同目标视场进行成像时，分别旋转α，β时，实现对该目标视场物体进行完善成像。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的整流罩(L1)的光焦度1/f1为负，柱面校正透镜(L2)的光焦度1/f2为正，成像透镜组(L3)的光焦度1/f3为正。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的整流罩(L1)外表面为椭球面，内表面为非球面，柱面校正透镜(L2)前后表面中至少有一个是圆柱面。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的成像透镜组(L3)包括至少一片反射镜和一片透镜。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的成像透镜组(L3)为一体式折反成像结构，包含四个光学表面均为高次非球面，前后各两个，透过柱面校正透镜的光线先从成像透镜组前表面外环区域(S5)入射，到后表面外环区域(S6)时发生内反射，再到前表面中心区域(S7)又发生内反射，最后经过后表面中心区域(S8)出射。

6.根据权利要求5所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的成像透镜组(L3)的表面非球面满足如下函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}$

其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为Conic系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为非球面系数。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的整流罩(L1)的材料为热压氟化镁，折射率为1.38，阿贝数为106.2。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑型大框架角共形光学***，其特征在于，所述的成像透镜组(L3)材料为单晶锗，折射率为4.2，色散为103.4。