CN116841102A - 一种同质材料大视场相机 - Google Patents
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Abstract
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***。
Description
技术领域
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
光学***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***提供更多的设计自由度，使得光学***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***的光机设计区别于常规光学***，有着自身的特点和难点。复杂曲面光学***往往不是回转对称的***，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***如卡塞格林***具有中心遮拦，降低了能量的利用率，而离轴反射***不具有中心遮拦，可以提高***的进光量，进而从原理上提高***分辨率。对于光学***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***不能在复杂工况下工作，那么该***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***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***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***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***的热变形情况，而非稳态热则考察温度梯度对***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***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***力热稳定性的耦合等问题依然是同质材料光学***研制瓶颈，并且目前仍然缺乏***的同质材料光学相机设计研究。但是面向复杂曲面光学***的同质材料相机光机设计仍缺乏***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***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。
发明内容
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***。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
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。
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。
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。
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。
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***布置在圆形定位槽中。
可选地，所述主镜和一体化三镜的四周都开设有卸力槽。
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。
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。
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。
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：
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。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
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。
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。
3、本发明适用对象可为天基空间目标观测***上的成像侦查相机、微小卫星组网、飞机光电观测***、自动驾驶车辆的环境感知等方面，具有适用范围广的优点。
附图说明
图1为本发明实施例中同质材料大视场相机的立体结构示意图。
图2为本发明实施例中同质材料大视场相机的主视结构示意图。
图3为图2中的A-A剖视结构示意图，其中虚线箭头表示光线。
图4为本发明实施例中镜筒的立体结构示意图。
图5为本发明实施例中前挡板的立体结构示意图。
图6为本发明实施例中后挡板的立体结构示意图。
图7为本发明实施例中主镜的立体结构示意图。
图8为本发明实施例中滑筒的立体结构示意图。
图例说明：1、镜筒；101、圆形凹槽区域；11、入光孔；12、前挡板；121、进光口；13、后挡板；131、圆形定位台；14、入光挡板；2、探测器；21、探测挡光板；22、滑筒；23、调焦圈；24、调节螺钉；3、主镜；31、支撑耳；32、卸力槽；33、主镜挡光板；4、一体化次镜；41、次镜上挡光板；42、次镜上挡光板；5、一体化三镜。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实施例的同质材料大视场相机包括一端安装有探测器2的镜筒1，镜筒1上设有入光孔11，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，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，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。本实施例中，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，此外也可以根据需要采用其他金属材料。本实施例中，探测器2为光学CCD元件，是光学***成像感光元件，具有高分辨率特征。
需要说明的是，根据主镜3、一体化次镜4以及一体化三镜5在镜筒1内布置方式，会影响到其与入光孔11以及镜筒1的安装配合关系。例如作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例中探测器2、一体化次镜4和入光孔11三者布置于镜筒1的同一端，主镜3和一体化三镜5布置于镜筒1的另一端。如图3所示，本实施例的镜筒1一端设有前挡板12、另一端设有后挡板13，前挡板12和后挡板13均与镜筒1采用相同金属材料制成，前挡板12上还开设有进光口121，进光口121与探测器2的进光侧对齐，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。
如图3所示，本实施例的一体化三镜5与后挡板13为一体化结构，一体化次镜4和进光口121以及前挡板12形成一体化结构，主镜3为单独的镜面元件，主镜3的四周带有支撑耳31，支撑耳31通过与镜筒1采用连接件安装在后挡板13上。作为一种优选的实施方式，本实施例中连接件具体采用与镜筒1、主镜3、一体化次镜4以及一体化三镜5相同的金属材料制成的螺钉，以避免不同材料的热膨胀系数差异导致的热像差。
如图4、图5和图6所示，本实施例中镜筒1的两侧端面上均设有圆形定位槽101，前挡板12和后挡板13的端面上均设有圆形定位台131，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***布置在圆形定位槽101中，形成一体化结构，实现镜筒与镜面一体化加工检测，使得镜面加工精度达到要求后即可保障装配精度。本实施例中，镜筒1分别与前挡板12、后挡板13之间通过内六角圆柱头螺钉相连。
如图6和图7所示，本实施例中主镜3和一体化三镜5的四周都开设有卸力槽32，通过卸力槽32可减少主镜3和一体化三镜5的安装应力所导致的镜面形变，有利于提升主镜3和一体化三镜5的全发射质量，进而提升相机的成像质量。
如图1、图2和图3所示，本实施例中镜筒1上位于入光孔11的一侧设有入光挡板14，主镜3和一体化三镜5之间设有主镜挡光板33，一体化次镜4的上侧设有次镜上挡光板41、下侧设有次镜上挡光板42，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。通过入光挡板14、次镜上挡光板41、次镜上挡光板42以及探测挡光板21，有利于减少光污染，提升成像质量。入光挡板14、次镜上挡光板41、次镜上挡光板42以及探测挡光板21的位置、面形和大小，可通过光学***软件进行光学***设计优化得到。
如图2、图3和图8所示，本实施例中探测器2和镜筒1之间设有滑筒22和调焦圈23，滑筒22和调焦圈23两者滑动配合(也可以采用螺纹配合)，滑筒22安装在镜筒1上，调焦圈23与探测器2相连，且调焦圈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，调节螺钉24嵌设在调焦圈23上且端部与滑筒22螺纹配合，从而可调节探测器2的焦距，保障成像质量。参见图2可知，本实施例中调焦圈23两侧各设置有三颗调节螺钉24(本实施例中具体采用滚花平头螺钉)，因此不仅可以实现滑筒22和调焦圈23的滑动方向的自由度调节，还可以实现不同倾斜度的调节，可使得从入光孔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的三次全反射后沿着法线方向进入探测器2，有利于提高成像质量。
本实施例中，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：
上式中，x、y和z分别XYZ三轴方向的坐标，k,c,Ai为主镜3、次镜4及一体化三镜(5)的曲面设计自由度。
通过上述主镜3、一体化次镜4及一体化三镜5的曲面设计，能确保大视场成像效果。主镜3、一体化次镜4及一体化三镜5的光学镜面可根据需要采用单点金刚石车学、磁流变抛光、光顺抛光、离子束修形、计算机全息检测等工艺，使面形精度方均根值达到数十纳米以确保成像效果。具体地，本实施例中主镜3、一体化次镜4及一体化三镜5的光学镜面采用离轴复杂曲面设计并采用离子束加工工艺进行加工，与传统球面光学元件相比具有设计自由度多，根据输入输出的能量映射关系与复杂曲面高次项系数构建复杂曲面面型，与简单曲面相比能够减小镜片数量，减小结构尺寸；同时离轴镜面可以实现中心无遮拦，相比同轴反射***有利于增大视场，提升像质。由于采用复杂曲面，面形精度达到数十纳米成为制约其成像质量关键。
综上所述，本实施例的同质材料大视场相机的镜筒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，同质材料反射光学相机无热像差，而且相同金属材料的的镜筒1、主镜3、一体化次镜4以及一体化三镜5可采用结构功能一体化设计方法实现镜筒与镜面一体化加工检测，使得镜面加工精度达到要求后即可保障装配精度。本实施例的镜筒内分别安装有主镜3、一体化次镜4以及一体化三镜5，探测器2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，主镜3、一体化次镜4以及一体化三镜5采用折叠式全反射与视场离轴光学设计，采用多次折叠反射的光路结构，能够有效缩小相机***的轴向尺寸，可以实现光学***的轻量化设计，减小结构尺寸。采用离轴偏心实现无中心遮拦设计，相比同轴反射***有利于增大视场，提升像质。采用全反射的设计不存在色差，解决了现有透镜***的长轴向尺寸和色差难以校正问题。本实施例的同质材料大视场相机能够实现不同焦段的高分辨率可见光大视场成像，成像质量清晰，调焦方便，受环境影响小，可应用于航空航天、无人/有人机载/车载等光学成像***。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
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)***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：
上式中，x、y和z分别XYZ三轴方向的坐标，k,c,Ai为主镜(3)、次镜(4)及一体化三镜(5)的曲面设计自由度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310626981.XA CN116841102A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种同质材料大视场相机 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310626981.XA CN116841102A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种同质材料大视场相机 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116841102A true CN116841102A (zh) | 2023-10-03 |
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ID=88169594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310626981.XA Pending CN116841102A (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种同质材料大视场相机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116841102A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230194849A1 (en) * | 2021-08-02 | 2023-06-22 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Versatile space telescope for quantum key distribution |
-
2023
- 2023-05-30 CN CN202310626981.XA patent/CN116841102A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230194849A1 (en) * | 2021-08-02 | 2023-06-22 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Versatile space telescope for quantum key distribution |
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