大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统的制作方法

本发明涉及一种投影显示或模拟目标的光学系统，具体涉及一种大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统。

背景技术：

恒星模拟器是星敏感器地面标定设备的重要组成部分，主要有星图显示器件(星点分划板或空间光调制器)、模拟器光学系统、滤光组件、光源、电源和安装机构组成。其中，模拟器光学系统的作用是将星图显示器发出的星图模拟信息以平行光的形式出射，实现来自“无穷远”目标的星光模拟。

星敏感器是一种高精度测量仪器，而作为星敏感器的地面定标仪器的恒星模拟器有着与之相应甚至更高的模拟精度。通常恒星模拟器光学系统采用对称式设计并通过增大入瞳距来减小像差，提高星图模拟精度。但随着星敏感器需求的视场越来越大，要求恒星模拟器的视场也越来越大。另一方面，由于星敏感器光学系统的入瞳通常较深，且镜头外的遮光罩限制了与之匹配的恒星模拟器的使用空间，这就要求恒星模拟器必须具有较大的出瞳距。这样，视场增大导致具有长出瞳距的恒星模拟器光学系统口径变大，像差急剧变大。

在动态恒星模拟器中，通常使用液晶光阀来模拟目标源，当单个液晶光阀无法满足视场要求时，需要使用两个或多个来增大视场，一种可行的方法是使用分光棱镜在垂直方向的另一端加入一个液晶光阀进行视场宽展。另一方面，当使用其它需要正向照明的器件，例如数字微镜器件来模拟目标源时，需要在光学系统与像面之间加入分光棱镜在另一方向进行照明。由于成像光束口径较大，分光棱镜的尺寸也较大，所以光学系统需要具有较大的工作距。

中国发明专利CN 105527721 A提供了一种具有长出瞳距的星模拟器光学系统，具有较长的出瞳距，但它的视场不够大，并且工作距较短。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有恒星模拟器光学系统在增大视场时无法同时实现长出瞳距和长工作距的缺点，提供一种大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统。

为了达到上述目的，本发明提供一种大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统，该光学系统从出瞳(孔径光阑)到像面(星点板)按顺序包括一次成像组、准直光学组和二次成像组，它们的焦距与系统焦距满足以下关系式：

0.6≤f1/f≤1.5 (1)；

0.25≤f23/f≤1 (2)；

其中，f1是一次成像组焦距，f是系统焦距，f23是准直光学组和二次成像组的组合焦距。

进一步的，所述的光学系统为二次成像系统，且所有透镜均为标准球面。

进一步的，所述的光学系统的一次成像组为正光焦度、；准直光学组为正光焦度、；二次成像组为正光焦度。

进一步的，所述的光学系统的圆形全视场FOV≥25°。

进一步的，所述的光学系统的工作距离满足：f≤Lb≤2.75f。

进一步的，所述的光学系统从光瞳到像面的总长满足：L≤6f。

进一步的，所述的光学系统的出瞳距满足：1≤Lp/f≤2。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过合理分配一次成像组光焦度，在光学系统焦距较小而视场较大的情况下仍能增大出瞳距，并且对一次成像组进行复杂化能明显减小像差，最大出瞳距可达焦距的两倍。

(2)通过合理分配准直光学组和二次成像组的光焦度，在光学系统焦距较小而视场较大的情况下仍能增大工作距离，最大工作距可达焦距的2.75倍。

(3)本发明可用于动态或静态恒星模拟器中，也可用于头盔显示或近眼显示光学仪器中，特别是要求长出瞳距或长工作距离的光学系统中。

附图说明

图1是本发明在近轴条件下的各光学组光焦度分配图。

图2是本发明的一个较佳实例的光学系统透镜结构视图。

图3是图2所示的光学系统的MTF曲线图。

图4是图2所示的光学系统的点弥散斑分布图。

图5是图2所示的光学系统的畸变曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅是本发明的一个实例，而不是全部实施例。

参照图1，是本发明在近轴条件下的各光学组光焦度分配图。所述的大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统是二次成像系统，由同轴排列的三个透镜组组成，从出瞳1到像面5依次包括一次成像组2、准直光学组3和二次成像组4，三个光学组均为正光焦度。

所述光学系统的圆形全视场FOV满足：

FOV≥25°。(条件1)

一次成像组2与入瞳1(孔径光阑)之间的距离Lp满足：

1≤Lp/f≤2。(条件2)

一次成像组2将像面20成像至后面一定距离处，满足条件2的一次成像组2使折射后的各视场的主光线与光轴之间的夹角小于等于0度，即负值(设逆时针方向为正值)，这样一方面增大了出瞳距，另一方面有效压缩后续光学系统的通光孔径，减小高级像差。

准直光学组3和二次成像组4的组合实质上是一个缩放系统，将一次成像组的焦距放大或缩小至需求的系统焦距，组合焦距f23满足：

0.25≤f23/f≤1 (条件3)

合理分配准直光学组3和二次成像组4的焦距，使准直光学组3有较小的光焦度的同时保持较小的光学总长。系统光学总长L满足：

L≤6f (条件4)

将二次成像组4的位置定位于虚拟孔径光阑处，可获得较长的工作距，满足条件(2)、(3)和(4)的情况下，工作距Lb可达：

f≤Lb≤2.75f。

参照图2，是本发明的一个较佳实例的光学系统透镜结构视图。本实施例中，系统焦距为45.66mm，从入瞳1到像面5的光学总长为300mm，全视场为圆形28.28°，出瞳长为60mm，工作距为49.09mm。

在本实施例中，一次成像组2焦距为63.323mm，包含4片透镜，光焦度分别为正、正、负和正。第一透镜21和第二透镜22为双凸透镜，共同组成较大的光焦度，减小由于视场增大引起的高级像差。第三透镜23和第四透镜24为一对消色差透镜，必要时可胶合，4片透镜均为标准球面，一次成像组产生一定余量的像散和场曲，用以抵消准直光学组和二次成像组的相反的像散和场曲。

准直光学组3具有较小的光焦度，焦距为82.783mm，包含3片透镜，光焦度分别为正、正和负。两个正透镜31和32将各视场主光线大角度折射引入负透镜33，负透镜33将大视场主光线收敛引入二次成像组4。

二次成像组4具有较大的光焦度，焦距为36.566mm，包含4片透镜，光焦度分别为正、正、负和正。二次成像组4位于虚拟孔径光阑处。

本实施例的各透镜元素如表1所示。

表1

表1中所有透镜面型均为标准球面。

同时参照图3、图4和图5，它们分别是图2所示实施例的MTF曲线图、点弥散斑分布图和畸变曲线图，表明所提供的大视场长出瞳距长工作距恒星模拟器光学系统具有较高的光学性能。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行使当的变更和修改。因此，本发明不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应落入本发明的权利要求的保护范围内。