一种自由曲面光学系统的制作方法

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统。

背景技术：

反射式光学系统由于不存在色差、系统光路可折叠、便于轻量化等优点，在空间光学系统中得到广泛应用。但是现有大视场自由曲面光学系统自由曲面反射镜数量多，加工周期加长，以及系统装调自由度太多，计算机辅助装调收敛速度慢。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自由曲面光学系统，旨在解决现有技术中，大视场自由曲面光学系统自由曲面反射镜数量多、加工周期加长、系统装调自由度太多、计算机辅助装调收敛速度慢的问题。

本发明实施例提供了一种自由曲面光学系统，所述光学系统包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和图像传感器，所述第一反射镜为光焦度为负的高次凸非球面反射镜；所述第二反射镜为光焦度为正的自由曲面反射镜；所述第三反射镜为光焦度为负的球面反射镜；所述第四反射镜为光焦度为正的自由曲面反射镜；目标光束投射至所述第一反射镜之后，依次经所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜反射之后，投射至所述图像传感器。

进一步地，所述第一反射镜的中心、所述第二反射镜的中心、所述第三反射镜的中心和所述第四反射镜的中心在同一平面且不共线。

进一步地，所述第一反射镜的中心与所述第二反射镜的中心之间的距离为d1、所述第二反射镜的中心与所述第三反射镜的中心之间的距离为d2、所述第三反射镜的中心与所述第四反射镜的中心之间的距离为d3，d1＜d2＜d3，d3与d1的比值大于或等于1，小于或等于1.5。

进一步地，所述第一反射镜呈长条形。

进一步地，所述第一反射镜的反射面满足高次凸非球面表征函数：

其中，z为所述反射面的矢高，c为所述反射面的名义曲率半径；r为所述反射面的反射镜口径；k为预设的二次曲面系数；a、b、c、d、e、f、g、h和j分别为预设的第4、6、8、10、12、14、16、18和20阶系数。

进一步地，所述第二反射镜和所述第四反射镜均为满足zernike多项式的自由曲面反射镜。

进一步地，所述第二反射镜的中心与所述第一反射镜的中心之间在竖直方向的距离y2＝d1×tan(2α)，d1为所述第一反射镜的中心与所述第二反射镜的中心之间的距离，α为局部光轴方向与所述第一反射镜法线的夹角；

所述第三反射镜的中心与所述第二反射镜的中心之间在竖直方向的距离y3＝d2×tan(2β)，d2为所述第二反射镜的中心与所述第三反射镜的中心之间的距离，β为局部光轴方向与所述第二反射镜法线的夹角；

所述第四反射镜的中心与所述第三反射镜的中心之间在竖直方向的距离y3＝d3×tan(2γ)，d3为所述第三反射镜的中心与所述第四反射镜的中心之间的距离，γ为局部光轴方向与所述第三反射镜法线的夹角。

进一步地，所述光学系统还包括光阑，所述光阑设置在所述第三反射镜的表面。

进一步地，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜采用碳化硅、微晶玻璃、铍铝合金、铍、铝合金中的任意一种或多种材料制成。

进一步地，所述图像传感器为多光谱电荷耦合器件图像传感器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

在本发明实施方式的光学系统中，可实现超大视场成像，而且由于采用高次凸非球面与自由曲面相结合的设计方法，仅包括2个自由曲面，光学系统布局紧凑，减少了光学系统自由曲面反射镜的数量，降低了工程实现难度，系统装调自由度减少，加快了计算机辅助装调收敛速度。

附图说明

图1为本发明实施例的光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的光学系统的空间坐标系示意图；

图3为本发明实施例的光学系统的部分结构示意图；

图4为本发明实施例的光学系统在一视场角下的mtf曲线图；

图5为本发明实施例的光学系统在另一视场角下的mtf曲线图；

图6为本发明实施例的光学系统在又一视场角下的mtf曲线图；

图7为本发明实施例的光学系统在再一视场角下的mtf曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

请参阅图1，本发明实施方式提出了一种自由曲面光学系统10，光学系统10包括第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13、第四反射镜14和图像传感器15。

第一反射镜11为光焦度为负的高次凸非球面反射镜；第二反射镜12为光焦度为正的自由曲面反射镜；第三反射镜13为光焦度为负的球面反射镜；第四反射镜14为光焦度为正的自由曲面反射镜；目标光束投射至第一反射镜11之后，依次经第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14反射之后，投射至图像传感器15。

在本发明实施方式的光学系统10，视场角大于80°，可实现超大视场成像，而且由于采用高次凸非球面与自由曲面相结合的设计方法，仅包括2个自由曲面，光学系统10布局紧凑，减少了光学系统10自由曲面反射镜的数量，降低了工程实现难度，光学系统10装调自由度减少，加快了计算机辅助装调收敛速度。

本发明实施方式的光学系统10，可用于多光谱列阵探测器，可使得多光谱列阵探测器同时实现可见光和近红外谱段成像。在应用于多光谱探测器时，允许进行多光谱探测器拼接来扩大系统的成像幅宽，适合在小卫星上作为大视场多光谱相机的光学系统。

目标光束可理解为在光学系统10的视场范围内的光束。目标光束射入光学系统10之后，投射至第一反射镜11，然后经第一反射镜11反射至第二反射镜12，再经第二反射镜12反射之后投射至第三反射镜13、经第三反射镜13反射之后投射至第四反射镜14，从第四反射镜14反射的光线最后投射至图像传感器15成像。

第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14采用碳化硅、微晶玻璃、铍铝合金、铍、铝合金中的任意一种或多种材料制成。第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14可采用相同的材料制成。这样，第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14镜体的力热特性一致，各自形成的反射面产生的光学性质接近，便于设计第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14之间的角度、位置，从而有助于降低光学系统10的工程实现难度。图像传感器15为多光谱电荷耦合器件(ccd)图像传感器15或互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器15。

在某些实施方式中，第一反射镜11的中心、第二反射镜12的中心、第三反射镜13的中心和第四反射镜14的中心在同一平面且不共线。如此，入射光进入光学系统10之后，依次经第一反射镜11、第二反射镜12、第三反射镜13和第四反射镜14反射，成像光路中无遮拦的影响，这样成像效果更好。

具体地，第一反射镜11的中心与第二反射镜12的中心之间的距离为d1、第二反射镜12的中心与第三反射镜13的中心之间的距离为d2、第三反射镜13的中心与第四反射镜14的中心之间的距离为d3，d1＜d2＜d3，d3与d1的比值大于或等于1，小于或等于1.5。如此，各反射镜之间的距离接近，有利于控制整个光学系统10的包络尺寸，而且，d1＜d2＜d3，有利于抑制光学系统10内的杂光。在本发明实施方式中，d1:d2:d3＝1:1.1:1.2，这样光学系统10的尺寸结构合理，且能更加有效地光学系统10内的杂光。

较佳地，第一反射镜11呈长条形。如此，长条形的第一反射镜11可增大第一反射镜11的有效通光面积，降低光学系统10的加工难度，还有助于提升光学系统10的成像效果。

进一步地，第一反射镜11的反射面满足高次非球面表征函数：

其中，z为反射面的矢高，c为反射面的名义曲率半径；r为反射面的反射镜口径；k为预设的二次曲面系数；a、b、c、d、e、f、g、h和j分别为预设的第4、6、8、10、12、14、16、18和20阶系数，c、k、a、b、c、d、e、f、g、h和j的具体数值如下表1所示：

第二反射镜12和第四反射镜14均为满足zernike多项式的自由曲面反射如下镜。zernike多项式为：

其中，z为自由曲面矢高；b为自由曲面名义曲率半径；r为反射镜口径；k为二次曲面系数；ai为zernike多项式展开项系数；为zernike多项式展开项。第二反射镜12的反射面的自由曲面的面型表征函数参数见表2，第四反射镜14的反射面的自由曲面的面型表征参数见表3。

请结合图3，在某些实施方式中，第二反射镜12的中心与第一反射镜11的中心之间在竖直方向的距离y2＝d1×tan(2α)，d1为第一反射镜11的中心与第二反射镜12的中心之间的距离，α为局部光轴方向与第一反射镜11法线的夹角；第三反射镜13的中心与第二反射镜12的中心之间在竖直方向的距离y3＝d2×tan(2β)，d2为第二反射镜12的中心与第三反射镜13的中心之间的距离，β为局部光轴方向与第二反射镜12法线的夹角；第四反射镜14的中心与第三反射镜13的中心之间在竖直方向的距离y3＝d3×tan(2γ)，d3为第三反射镜13的中心与第四反射镜14的中心之间的距离，γ为局部光轴方向与第三反射镜13法线的夹角。

如图2所示，本光学系统10按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为系统光轴方向，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统10的子午面，三块反射镜的法向与系统光轴均不重合。可将竖直方向理解为图2中的空间坐标系中的y轴方向。

本发明的光学系统10，对应4个不同视场角的mtf曲线分别如图4-图7所示，通过合理分配四块反射镜的光焦度，采用负-正-负-正的光焦度分配方案，光学系统10布局紧凑，通过采用高次凸非球面与自由曲面相结合的光学技术，解决了全反射式光学系统10成像视场角小、且系统的成像畸变大的问题，焦距为1200mm，视场角大于80°，达到了超大视场的效果，同时，光学系统10采用准远心光路设计，成像畸变小，使得多光谱窄带滤光片带来的波带漂移减小，成像效果较好。光学系统10在x方向的视场容限足够大，在应用于多光谱探测器时，允许进行多光谱探测器拼接来扩大系统的成像幅宽，适合在小卫星上作为大视场多光谱相机的光学系统。

在某些实施方式中，光学系统10还包括光阑16，光阑16设置在第三反射镜13的表面。如此，可提高大视场光学系统10的成像质量，同时有利于降低光学系统10的加工难度。光阑可采用铝合金、铝、铍铝合金、铍、钛合金中的任意一种材料制成。光阑形状可为圆形或矩形等。

以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。