同心阵列光学系统

本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及同心阵列光学系统。

背景技术：

大视场光学系统，可以进行大视场信息的获取，有助于实现大范围的探测，在检测，安防领域均有十分广泛的应用。现有的大视场光学系统，系统的轴向尺寸与系统入瞳口径的比值、径向尺寸与系统入瞳口径的比值一般为几十倍，难以满足实际应用对大视场光学系统尺寸的需求。

技术实现要素：

为了解决现有大视场光学系统尺寸大不能满足实际需求的问题，本发明提供同心阵列光学系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

同心阵列光学系统，包括：

同心透镜，目标光束经同心透镜一次成像得到一次像面；

阵列透镜，所述阵列透镜包括多个子透镜，所述子透镜设置在一次像面上；

子系统，所述子系统数量与子透镜相同，且子系统与子透镜一一对应设置，子系统包括孔径光阑和透镜组；

目标光束经同心透镜汇聚后照射到子透镜上，子透镜使照射到其上的光束向其光轴方向偏折后，传输至其对应的孔径光阑和透镜组上，孔径光阑对照射至其上的光束限束，透镜组将照射至其上的光束二次成像；

所述子透镜前表面与一次像面距离的最大值δ为满足：

其中，rf为子透镜的前表面半径；rp为一次像面的像面半径；h为交点与子透镜的光轴的距离，所述交点为子透镜与一次像面的交点。

本发明的有益效果是：

1、本发明的同心阵列光学系统可以获取很大范围的视场的同时保证一个较小的系统三维空间尺寸。本发明的同心阵列光学系统，可以让系统的轴向尺寸与系统入瞳口径之间的比值、以及径向尺寸与系统入瞳口径之间的比值均控制在15:1以内。同心透镜可以保证系统0视场的成像质量与对应各个视场的成像质量保持恒定，有助于保证同心透镜的系统成像性能；采用同心透镜加阵列透镜的形式可以保证系统最后采用平面探测器，便于实际使用；同时在子系统上安装孔径光阑，以此保证在同心阵列光学系统上实现一个虚拟光阑的作用，保证同心阵列光学系统无需采用实体光阑，简化了同心阵列光学系统的结构。

2、本发明与经典的同心阵列镜头相比，对应某一视场的光线会单独成像在一个像面处，保证了探测器的响应强度同时降低了图像处理的难度，可以使用探测器接收到的图像信息直接进行图像拼接，提高了信息有效获取的能力。

3、本发明对应单个子系统的不同视场时，同心阵列光学系统的入瞳位置不会发生移动，保证了同心透镜各个视场光路保持一致，简化了同心透镜以及子系统的系统形式，保证了光学系统形式紧凑，尺寸紧凑，结构小巧，有利于实际应用。即完成相同的探测要求，该系统的尺寸更为紧凑小巧。该系统便于安装在一较小空间中进行目标探测。本发明系统无需采用曲面探测器，一切采用平面探测器对信息进行接收，有助于系统的实际使用。

4、本发明中大多数同一视场光线都会进入到单独对应的探测器平面上。极少出现同一视场的光线被分开，即被两个不同的子系统所接收。某一视场在探测器上响应的能量更多，可以保证能量少的目标信息被探测器所响应并接收。同时各个子系统接收到的视场信息基本保证能量一致，系统相对照度保持均匀。

附图说明

图1为本发明的同心阵列光学系统的结构示意图。

图2为本发明的同心阵列光学系统的模拟光路图。

图3为本发明的同心阵列光学系统的单个子系统工作结构示意图。

图4为本发明的同心阵列光学系统的阵列单个子透镜放大工作参数示意图。

图5为本发明的同心阵列光学系统的单个子系统的像点图。

图6为本发明的同心阵列光学系统的单个子系统的mtf图。

图中：1、同心透镜，2、阵列透镜，2.1、子透镜，3、孔径光阑，4、双胶合透镜，5、第一透镜，6、视场光阑，7、一次像面，8、二次像面，9、子透镜的光轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

同心阵列光学系统包括同心透镜1、阵列透镜2和子系统，子系统包括孔径光阑3、透镜组和视场光阑6，如图1所示。阵列透镜2包括n个子透镜2.1，子系统的数量为n个，n为大于等于2的整数。子系统与子透镜2.1一一对应设置。同心阵列光学系统中，目标光束经同心透镜1实现一次成像，经阵列透镜2和子系统二次成像。阵列透镜2，设置在一次成像的像面上。

光束传输过程，如图1、图2和图3：目标光束经同心透镜1汇聚后照射到子透镜2.1上，照射到子透镜2.1上的光束通过子透镜2.1发生偏折，向子透镜的光轴9方向偏折，也就是向子透镜对应的子系统光轴方向偏折。经子透镜2.1偏折的光束经孔径光阑3限束且经透镜组成像(二次成像)后，再经视场光阑6限制成像范围后成像在二次像面8。

光束经同心透镜1一次成像得到一次像面7，阵列透镜2位于一次像面7上，一次像面7的光束经过阵列透镜2，经阵列透镜2汇聚，也就是光束经同心透镜1后照射到多个子透镜2.1上(例如照射到所有子透镜2.1上，光束被分成n束)，子透镜2.1对照射到其上的光束进行偏折(汇聚)。偏折后照射到该子透镜2.1对应的子系统上，即偏折后经孔径光阑3限束、透镜组汇聚和视场光阑6限制成像后成像在二次像面8上，视场光阑6位于二次像面8上。其中孔径光阑3限束和透镜组汇聚不限定先后顺序。

同心透镜1将物面的光束成像至中继成像面。同心透镜1的面型为球面，球面的球心点重合在一点。同心透镜1需重点保证零视场的成像质量，保证了同心透镜1的简易性有助于减小同心阵列光学系统的尺寸与重量。

阵列透镜2将光束进行偏折、实现光束与各个子系统对应、保证各个子系统对应的视场光线均被各自对应的子系统所接收。为降低阵列透镜2的加工成本，可采用聚甲基丙烯酸钾酯(pmma)等塑料材料。

孔径光阑3用于限束、对杂散光进行限制，放置在透镜组的附近即透镜组的前方或后方，本实施方式中放置在透镜组的前方即孔径光阑3更临近物面(透镜组的前方)。

透镜组用于将入射到其上的光线汇聚至成像面处，即用于本同心阵列光学系统的二次成像。子系统将经过阵列透镜2的光线会聚至各个子系统的成像面处，透镜组主要起到汇聚光路的作用，透镜组一般采用胶合透镜的形式，但对于该部分透镜的形式没有特定限制与要求。透镜组包括m个球面透镜，m为大于等于2的整数。本实施方式中透镜组包括双胶合透镜4和光焦度为负的第一透镜5，孔径光阑3、双胶合透镜4和第一透镜5顺次设置，双胶合透镜4由两个表面为球面的透镜胶合而成，第一透镜5的表面为球面。偏折后依次经孔径光阑3限束、双胶合透镜4汇聚、光焦度为负的第一透镜5发散、视场光阑6限制成像后成像在二次像面8上。双胶合透镜4光焦度为正。光焦度为负的第一透镜5的后表面(靠近二次像面8的表面)的曲率半径相对其前表面(靠近物面的表面)的曲率半径更大。

视场光阑6用于限制成像范围，一定程度上也消除了杂散光。视场光阑6设置在二次像面8上，其形状可为六边形或五边形等，本实施方式中不限定视场光阑6的形状。如图3所示，对应每个单独的子系统，在二次像面8处(子系统像面)放置视场光阑6。

本发明的同心阵列光学系统在二次像面8成像时，可以用一个普通的ccd或者cmos进行接收，也可以经过改造安装于其他接收器件上。

如图3所示，同心透镜1将视场角范围为2α的光线成像至一次成像面处，同心透镜1的半视场角为α的光线在一次成像刚好来到阵列透镜2的子透镜2.1的最大边缘处。也就是说，经同心透镜1照射到子透镜2.1边缘的光束与该子透镜2.1光轴所成的角为α，2α为同心透镜1对应一个子透镜2.1的视场角，如图3中示意的上下点划线的夹角。从同心透镜1出射的光束到子透镜2.1前表面(靠近物面的表面)，光束受到子透镜2.1前表面的折射作用发生偏折，经子透镜2.1前表面偏折的光束再经子透镜2.1后表面((靠近二次像面8的表面)，)保持光束原传输方向或沿原偏折趋势(向子透镜2.1光轴方向偏转)再进行偏折。也就是说子透镜2.1对招蛇放到其上的光束进行汇聚，子透镜2.1边缘出射的光束与子透镜2.1光轴所成的角小于α。通过光线的控制，可以缩小子系统的口径，保证子系统之间不发生机械干涉。

如图4所示，δ表示子透镜2.1前表面与一次像面7之间的距离最大值，即子透镜2.1前表面最前端(子透镜2.1光轴与前表面的交点)与一次像面7之间的距离，一次像面7在阵列透镜2内，δ需要满足如下关系

rp表示同心透镜1的一次像面7的像面半径；子透镜2.1与一次像面7相交，相交的交点与子透镜2.1光轴的距离为h，如图4，子透镜2.1与一次像面7相交，相交处为子透镜2.1边缘、且具有一上一下两个交点，任何一个交点与子透镜2.1光轴的距离均为h；rf为子透镜2.1的前表面半径，rf需要满足如下关系：

其中n为阵列透镜2的折射率；θ为同心透镜1的像方半孔径角。即阵列透镜2的摆放位置需满足如上δ的要求。

子透镜2.1的后表面的半径为rr，rr需要满足：rr≤l+t，其中l表示沿子透镜2.1光心与同心透镜1的球心所在的直线方向上、同心透镜1的球心与子透镜2.1的前表面距离，也就是同心透镜1的球心与子透镜2.1的前表面顶点的距离；t表示阵列透镜2的最大厚度。球心位于所有子透镜的光轴9上。

如图5和图6所示为本实施方式的像点图与传递函数曲线图，可以看到系统成像效果良好。图6中t表示子午方向s表示弧矢方向，弧矢方向光线与光轴夹角为2°、2.828°和4°的曲线存在部分重合。本发明的同心阵列光学系统相对于经典大视场光学系统，系统的尺寸十分紧凑，且成像效果良好。本发明的同心阵列光学系统可以通过增加子系统的方式不断增大视场，对于本发明同心阵列光学系统的垂直视场角不能超过180度。

本发明所设计的同心阵列光学系统可以获取很大范围的视场的同时保证一个较小的系统三维空间尺寸。本发明的同心阵列光学系统，可以让系统的轴向尺寸与系统入瞳口径之间的比值、以及径向尺寸与系统入瞳口径之间的比值均控制在15:1以内。同心透镜1可以保证系统0视场的成像质量与对应各个视场的成像质量保持恒定，保证了光学系统的简易性，有助于保证同心透镜的系统成像性能、减小大视场光学系统的尺寸与重量。采用同心透镜1加阵列透镜2的形式可以保证系统最后采用平面探测器，便于实际使用。同时在子系统上安装孔径光阑3，以此保证在同心阵列光学系统上实现一个虚拟光阑的作用，保证同心阵列光学系统无需采用实体光阑，简化了同心阵列光学系统的结构。本发明与经典的同心阵列镜头相比，对应某一视场的光线会单独成像在一个像面处，保证了探测器的响应强度同时降低了图像处理的难度，图像处理可以使用探测器接收到的图像信息直接进行图像拼接，提高了信息有效获取的能力。本发明系统无需采用曲面探测器，均采用平面探测器对信息进行接收，有助于系统的实际使用。同时，本发明对应单个子系统的不同视场时，同心阵列光学系统的入瞳位置不会发生移动，保证了同心透镜1对应单个子系统各个视场光路保持一致，简化了同心透镜1以及子系统的系统形式，保证了光学系统形式紧凑，尺寸紧凑，结构小巧，有利于实际应用。即完成相同的探测要求，该系统的尺寸更为紧凑小巧，便于安装在一较小空间中进行目标探测。

本发明中大多数同一视场光线都会进入到单独对应的探测器平面上。极少出现同一视场的光线被分开，即被两个不同的子系统所接收。某一视场在探测器上响应的能量更多，可以保证能量少的目标信息被探测器所响应并接收。同时各个子系统接收到的视场信息基本保证能量一致，子系统相对照度保持均匀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。