一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统

1.本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统。


背景技术：

2.无焦系统也称为远焦系统或焦外系统，一般认为无焦系统对光束没有净聚焦或净发散。目前，无焦系统被广泛应用于望远光学系统、激光光学系统、空间遥感等领域，随着科学技术的不断发展，其逐渐向高性能、小体积、低成本、短生产周期的方向发展。
3.无焦系统现有的设计方法多为传统透射式或者折反射式。传统透射式光学系统采用分光光学元件实现，系统存在体积大、色差校正难、生产周期长的缺点；传统折反射式光学系统以卡塞格林系统为基础，具有成像质量高、无色差等优点，但存在焦距长、口径大难以实现小体积等问题。此外，对于不同光学材料组合构成的无焦系统，因各类光学材料的温度性能差异，温度变化会引起光学元件尺寸的变化，进一步会影响成像质量，因此，系统的无热化设计也对成像质量有着较大的影响。
4.中国专利cn111367067b公开了一种全反射式无焦光学系统，该系统基于反射式光学系统设计方法，采用四片反射元件构成一个离轴光学系统，但其采用了离轴设计的方式构成了一种离轴四反光学系统，但这种离轴四反光学系统使每个光学元件的装调公差更为严格，增加了装调难度和复杂性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统。
6.为实现上述发明目的，本发明提供一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，包括：第一光路模块和第二光路模块；
7.沿物侧至像侧方向，所述第一光路模块和所述第二光路模块依次同轴的设置；
8.所述第一光路模块和所述第二光路模块分别为全反射式光传输模块，且所述第一光路模块与所述第二光路模块焦点重合的设置；
9.所述第一光路模块具有第一入瞳和第一出瞳；
10.所述第二光路模块具有第二入瞳和第二出瞳；
11.所述第一光路模块通过所述第一入瞳接收外界的光线并由所述第一出瞳输出；
12.所述第二光路模块通过所述第二入瞳接收所述第一出瞳输出的光线，并由所述第二出瞳以平行光形式输出。
13.根据本发明的一个方面，所述第一光路模块包括：第一反射元件和第二反射元件；
14.沿物侧至像侧方向，所述第一反射元件和所述第二反射元件同轴且具有间隔的设置；
15.所述第一入瞳在所述第一反射元件上设置，所述第一出瞳在所述第二反射元件上设置；
16.所述第二反射元件与所述第一反射元件相邻的一侧为第一前反射面，用于接收通过所述第一入瞳的光线；
17.所述第一反射元件与所述第二反射元件相邻的一侧为第一后反射面，用于接收所述第一前反射面反射的所述光线，并使所述光线从所述第一出瞳射出；
18.所述第一前反射面包含多个同轴的第一环形前反射面；
19.所述第一后反射面包含多个同轴的第一环形后反射面。
20.根据本发明的一个方面，所述第二光路模块包括：第三反射元件和第四反射元件；
21.沿物侧至像侧方向，所述第三反射元件和所述第四反射元件同轴且具有间隔的设置；
22.所述第二入瞳在所述第三反射元件上设置，所述第二出瞳在所述第四反射元件上设置；
23.所述第四反射元件与所述第三反射元件相邻的一侧为第二前反射面，用于接收通过所述第二入瞳的光线；
24.所述第三反射元件与所述第四反射元件相邻的一侧为第二后反射面，用于接收所述第二前反射面反射的所述光线，并使所述光线从所述第二出瞳射出；
25.所述第二前反射面包含多个同轴的第二环形前反射面；
26.所述第二后反射面包含多个同轴的第二环形后反射面。
27.根据本发明的一个方面，所述第一环形前反射面与所述第一环形后反射面的设置数量为一致的，且分别满足：2≤x≤9；其中，x表示所述第一环形前反射面与所述第一环形后反射面的设置数量；
28.所述第二环形前反射面与所述第二环形后反射面的设置数量为一致的，且分别满足：2≤y≤9；其中，y表示所述第二环形前反射面与所述第二环形后反射面的设置数量。
29.根据本发明的一个方面，所述第一环形前反射面和所述第一环形后反射面为平面、二次曲面或非球面；
30.所述第二环形前反射面和所述第二环形后反射面为平面、二次曲面或非球面。
31.根据本发明的一个方面，所述第一环形前反射面和所述第一环形后反射面采用高阶非球面反射面，且分别设置有高反射率膜层；
32.所述第二环形前反射面和所述第二环形后反射面采用高阶非球面反射面，且分别设置有高反射率膜层；
33.所述高反射率膜层的反射率大于98％。
34.根据本发明的一个方面，所述第一反射元件、所述第二反射元件、所述第三反射元件和所述第四反射元件采用同一材料制成。
35.根据本发明的一个方面，所述第一入瞳和所述第二出瞳分别为弧形通孔，其中，沿所述第一反射元件的周向，所述第一入瞳间隔的设置有多个，沿所述第四反射元件的周向，所述第二出瞳间隔的设置有多个；
36.所述第一出瞳和所述第二入瞳分别为圆形通孔，其中，所述第一出瞳位于所述第二反射元件的中间位置，所述第二入瞳位于所述第三反射元件的中间位置。
37.根据本发明的一个方面，所述第二反射元件与所述第三反射元件为相互独立的，或者，所述第二反射元件与所述第三反射元件为一体的。
38.根据本发明的一个方面，所述紧凑型无焦系统的视场角大于或等于10
°
；
39.所述紧凑型无焦系统的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
40.根据本发明的一种方案，本发明的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，实现了高性能、小体积、低成本、无热化、生产周期短等诸多优点。
41.根据本发明的一种方案，本发明的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，采用第一反射元件、第二反射元件、第三反射元件和第四反射元件对光线进行反射，光线在各多面共体光学元件环形反射面上经多次折叠反射后以平行光形式出射，即本发明的无焦系统为全反射系统，不存在色差，适用于各个波段的使用要求。
42.根据本发明的一种方案，本发明的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，第一前反射面的多个共轴环形反射面均在第二反射元件上加工，第一后反射面上的多个共轴环形反射面均在第一反射元件上加工，第二前反射面上的多个共轴环形反射面均在第四反射元件上加工，第二后反射面上的多个共轴环形反射面均在第三反射元件上加工，基于多面共体光学元件的设计方法使无焦系统的结构更加紧凑，降低了加工和装调的难度，且由于多面共体光学元件的共轴环形反射面均位于同一材料的基体上，反射率、热学性能一致，因此，可以最大限度地提高一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统的光学性能。此外，部分相邻的反射元件还可选择的设置为一体的，可进一步有效的减少反射元件的设置数量，使得结构更加紧凑，体积更小。
43.根据本发明的一种方案，本发明的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，可以通过计算机优化各多面共体光学元件的共轴环形反射面的角度和球面参数，使视场角大于或等于10
°
，并使各视场下的成像质量接近于衍射极限。
附图说明
44.图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的紧凑型无焦系统的结构图；
45.图2是示意性表示根据本发明的实施例1的紧凑型无焦系统的传递函数曲线图；
46.图3是示意性表示根据本发明的实施例1的紧凑型无焦系统的场曲和畸变曲线图。
具体实施方式
47.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
49.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
50.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统，包括：第一光路模块1和第二光路模块2。在本实施方式中，沿物侧至像侧方向，第一光路模块1和第二光路模块2依次同轴的设置；其中，第一光路模块1和第二光路模块2分别为全反射式光传输模块，且第一光路模块1与第二光路模块2焦点重合的设置。在本实施方式中，第一光路模块1具有第一入瞳1a和第一出瞳1b；第二光路模块2具有第二入瞳2a和第二出瞳2b。在本实施方式中，第一光路模块1通过第一入瞳1a接收外界的光线并由第一出瞳1b输出；第二光路模块2通过第二入瞳2a接收第一出瞳1b输出的光线，并由第二出瞳2b以平行光形式输出。
51.通过上述设置，有效的保证了本发明的结构紧凑，以及降低了各光学元件之间的安装难度，无需装调即可保证各反射面之间的位置精度，有效的提高了本发明的生产效率。
52.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一光路模块1包括：第一反射元件11和第二反射元件12。在本实施方式中，沿物侧至像侧方向，第一反射元件11和第二反射元件12同轴且具有间隔的设置。其中，第一入瞳1a在第一反射元件11上设置，第一出瞳1b在第二反射元件12上设置；第二反射元件12与第一反射元件11相邻的一侧为第一前反射面121，用于接收通过第一入瞳1a的光线。在本实施方式中，第一反射元件11与第二反射元件12相邻的一侧为第一后反射面111，用于接收第一前反射面121反射的光线，并使光线从第一出瞳1b射出。
53.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一前反射面121包含多个同轴的第一环形前反射面121a；第一后反射面111包含多个同轴的第一环形后反射面111a。当第一环形前反射面121a和第一环形后反射面111a分别设置有多个时，可实现对外界的光线进行多次反射，以实现对光路的多次压缩后实现线光线的输出。例如，第一前反射面121包含有x个第一环形前反射面121a，第一后反射面111包含x个同轴的第一环形后反射面111a。其中，外界的光线经过第一入瞳1a直接照射在第1个第一环形前反射面121a上，在第1个第一环形前反射面121a的反射作用下可使得光线被反射在第1个第一环形后反射面111a上，在第1个第一环形后反射面111a的反射作用下可使得光线被反射在第2个第一环形前反射面121a上，在第2个第一环形前反射面121a的反射作用下可使得光线被反射在第2个第一环形后反射面111a上，以此类推，在第x个第一环形前反射面121a的反射作用下可使得光线被反射在第x个第一环形后反射面111a上，并在第x个第一环形后反射面111a的反射作用下可使得光线通过第一出瞳1b射出。
54.在本实施方式中，相邻的第一环形前反射面121a的边缘通过采用过渡面相互连接，用于抑制杂散光，且相邻第一环形前反射面121a的相对位置精度在1μm以内。相邻的第一环形后反射面111a的边缘通过采用过渡面相互连接，用于抑制杂散光，且相邻第一环形后反射面111a的相对位置精度在1μm以内。通过上述设置，有效保证了本发明的光线反射效率和精度。
55.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二光路模块2包括：第三反射元件21和第四反射元件22。在本实施方式中，沿物侧至像侧方向，第三反射元件21和第四反射元件22同轴且具有间隔的设置；其中，第二入瞳2a在第三反射元件21上设置，第二出瞳2b在第四反射元件22上设置。在本实施方式中，第四反射元件22与第三反射元件21相邻的一侧为第二前反射面221，用于接收通过第二入瞳2a的光线；第三反射元件21与第四反射元件22相邻的
一侧为第二后反射面211，用于接收第二前反射面221反射的光线，并使光线从第二出瞳2b射出。在本实施方式中，第二前反射面221包含多个同轴的第二环形前反射面221a；第二后反射面211包含多个同轴的第二环形后反射面211a。当第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a分别设置有多个时，可实现对第一光路模块1输出的光线进行多次反射，以实现对光路的多次压缩后实现线光线的输出。例如，第二前反射面221包含有y个第二环形前反射面221a，第二后反射面211包含y个同轴的第二环形后反射面211a。其中，通过第一出瞳1b射出的光线经过第二入瞳2a直接照射在第1个第二环形前反射面221a上，在第1个第二环形前反射面221a的反射作用下可使得光线被反射在第1个第二环形后反射面211a上，在第1个第二环形后反射面211a的反射作用下可使得光线被反射在第2个第二环形前反射面221a上，在第2个第二环形前反射面221a的反射作用下可使得光线被反射在第2个第二环形后反射面211a上，以此类推，在第y个第二环形前反射面221a的反射作用下可使得光线被反射在第y个第二环形后反射面211a上，并在第y个第二环形后反射面211a的反射作用下可使得光线通过第二出瞳2b平行射出。
56.在本实施方式中，相邻的第二环形前反射面221a的边缘通过采用过渡面相互连接，用于抑制杂散光，且相邻第一环形前反射面121a的相对位置精度在1μm以内。相邻的第二环形后反射面211a的边缘通过采用过渡面相互连接，用于抑制杂散光，且相邻第一环形后反射面111a的相对位置精度在1μm以内。通过上述设置，有效保证了本发明的光线反射效率和精度。
57.通过上述设置，本发明的紧凑型无焦系统为全反射系统，不存在色差，基于在同一反射面上设置多个环形反射面同轴共体的光学元件，使得本发明的结构更加紧凑，降低了加工和装调的难度，且由于多环面共体光学元件的共轴环形反射面均位于同一基体上，反射率、热学性能一致，因此，可以最大限度地提高一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统的光学性能。
58.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一环形前反射面121a与第一环形后反射面111a的设置数量为一致的，且分别满足：2≤x≤9；其中，x表示第一环形前反射面121a与第一环形后反射面111a的设置数量。在本实施方式中，第一环形前反射面121a与第一环形后反射面111a分别设置为2个，当然，还可根据需要将其分别设置为3个、4个、5个等。
59.在本实施方式中，第二环形前反射面221a与第二环形后反射面211a的设置数量为一致的，且分别满足：2≤y≤9；其中，y表示第二环形前反射面221a与第二环形后反射面211a的设置数量；在本实施方式中，第二环形前反射面221a与第二环形后反射面211a的设置数量分别为2个，当然，还可根据需要将其分别设置为3个、4个、5个等。
60.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一环形前反射面121a和第一环形后反射面111a为平面、二次曲面或非球面；第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a为平面、二次曲面或非球面。
61.通过上述设置，可根据需要对各个环形反射面(即第一环形前反射面121a、第一环形后反射面111a、第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a)的面型进行选择性的设置，从而以优化其对光线的反射效率和香像差矫正能力。
62.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一环形前反射面121a和第一环形后反射面111a采用高阶非球面反射面，且分别设置有高反射率膜层；在本实施方式中，高反射率
膜层在第一环形前反射面121a和第一环形后反射面111a上完全覆盖的设置。在本实施方式中，用于连接相邻第一环形前反射面121a和连接相邻第一环形后反射面111a的过渡面为环形平面，且在过渡面上喷镀有消光漆，以进一步起到抑制杂散光的效果。在本实施方式中，第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a采用高阶非球面反射面，且分别设置有高反射率膜层。在本实施方式中，高反射率膜层在第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a上完全覆盖的设置。在本实施方式中，用于连接相邻第二环形前反射面221a和连接相邻第二环形后反射面211a的过渡面为环形平面，且在过渡面上喷镀有消光漆，以进一步起到抑制杂散光的效果。在本实施方式中，高反射率膜层的反射率大于98％。在本实施方式中，高反射率膜层可采用银膜。
63.通过上述设置，通过将各个环形反射面(即第一环形前反射面121a、第一环形后反射面111a、第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a)的面型设置为高阶非球面，可进一步有效利用高阶非球面所具有的多自由度，使得各个反射元件的具有像差校正能力强、重量轻的优点。
64.此外，通过在各个环形反射面(即第一环形前反射面121a、第一环形后反射面111a、第二环形前反射面221a和第二环形后反射面211a)上设置高反射率镀层，可更加有效的提高本发明的反射效率，进一步提高了其光线传输能力。
65.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一反射元件11、第二反射元件12、第三反射元件21和第四反射元件22采用同一材料制成。在本实施方式中，第一反射元件11、第二反射元件12、第三反射元件21和第四反射元件22可采用航空铝合金材料al6061、铝基碳化硅等。
66.通过采用同一种材料制备各个反射元件，可有效保证各个反射元件在同一环境下具有相同的物理性能，进而能够更加有效的保证对光线传输的效率和能力，尤其是对保证第二光路模块2最终输出平行光提供了可靠且有效的保证。此外，通过采用同一种材料制备各个反射元件还便于快响制造。
67.通过上述设置，各个反射元件所采用的材料还具有热稳定性好，环境适应能力强的优点。
68.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一入瞳1a和第二出瞳2b分别为弧形通孔，其中，沿第一反射元件11的周向，第一入瞳1a间隔的设置有多个(例如，2个、3个、4个等)，沿第四反射元件22的周向，第二出瞳2b间隔的设置有多个(例如，2个、3个、4个等)。在本实施方式中，第一入瞳1a靠近第一反射元件11的边缘设置，其相互之间等间隔的设置，其中，在第一反射元件11的径向方向，第一入瞳1a的内径大于第一环形后反射面111a(s03)的直径。在本实施方式中，第二出瞳2b靠近第四反射元件22的边缘设置，其相互之间等间隔的设置，其中，在第四反射元件22的径向方向，第二出瞳2b的内径大于第二环形前反射面221a(s06)的直径。。
69.在本实施方式中，第一出瞳1b和第二入瞳2a分别为圆形通孔，其中，第一出瞳1b位于第二反射元件12的中间位置，第二入瞳2a位于第三反射元件21的中间位置。
70.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二反射元件12与第三反射元件21为相互独立的。通过上述设置，可以实现对第一光路模块1和第二光路模块2之间的位置进行灵活设置，从而使得其结构布置更为方便。在另一种实施方式中，第二反射元件12与第三反射
元件21为一体的，进而可以使得第二反射元件12与第三反射元件21构成一个元件，以使得一前反射面121和第二后反射面211分布在同一元件上，进一步使得本发明的结构更为紧凑，有益于本发明的小型化。
71.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的紧凑型无焦系统的视场角大于或等于10
°
。
72.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的紧凑型无焦系统的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
73.通过上述设置，使得本发明的紧凑型无焦系统适用范围广，并能按比例缩放，以适用于不同光学系统的需要。
74.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的紧凑型无焦系统的光束压缩比或视放大率或角放大率的绝对值计算公式为：
[0075][0076]
其中，m为本发明的紧凑型无焦系统的光束压缩比或视放大率或角放大率，f1为第一光路模块1的焦距，f2为第二光路模块2的焦距。
[0077]
为进一步说明本发明，对本发明进行举例。
[0078]
实施例1
[0079]
本发明的基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统的成像质量接近衍射极限，选取如下系统技术指标进行举例验证：
[0080]
其中，第一光路模块1的焦距为63.85mm，第二光路模块2焦距为30mm，视放大率为0.47，工作波长为450-750nm。
[0081]
在本实施方式中，第一前反射面121包括2个同轴的第一环形前反射面121a，为方便描述，对2个第一环形前反射面121a中的第1个第一环形前反射面121a记为s01，第2个第一环形前反射面121a记为s02，其中，第2个第一环形前反射面121a(s02)位于第1个第一环形前反射面121a(s01)的内侧。
[0082]
第一后反射面111包括2个同轴的第一环形后反射面111a，为方便描述，对2个第一环形后反射面111a中的第1个第一环形后反射面111a记为s03，第2个第一环形后反射面111a记为s04，其中，第2个第一环形后反射面111a(s04)位于第1个第一环形后反射面111a(s03)的内侧。
[0083]
第二前反射面221包括2个同轴的第二环形前反射面221a，为方便描述，对2个第二环形前反射面221a中的第1个第二环形前反射面221a记为s05，第2个第二环形前反射面221a记为s06，其中，第2个第二环形前反射面221a(s06)位于第1个第二环形前反射面221a(s05)的外侧。
[0084]
第二后反射面211包括2个同轴的第二环形后反射面211a，为方便描述，对2个第二环形后反射面211a中的第1个第二环形后反射面211a记为s07，第2个第二环形后反射面211a记为s08，其中，第2个第二环形后反射面211a(s08)位于第1个第二环形后反射面211a(s07)的外侧。
[0085]
基于以上系统技术指标，结合计算机软件优化设计，对本发明的多面共体光学元件的紧凑型无焦系统中各个反射元件的环形反射面进行设计并获取表1中各个环形反射面
的优化参数。
[0086]
面号面型曲率半径/mm间距/mm直径/mm二次曲面系数s01非球面-59.178893-9.512918620.177132s03非球面-272.35476911.51249349.5-4.066977s02非球面-225.377067-11.93569849.5-6.688110s04非球面-66.00227924.08233529-3.513439s08非球面-26.106191-4.8526-3.271509s06非球面-298.7003494.70068820.691.868744s07非球面-796.362795-4.89519.6-336.061652s05非球面-27.1976049.75611-18.506535
[0087]
表1
[0088]
在本实施方式中，第一环形前反射面121a(s01、s02)、第一环形后反射面111a(s03、s04)、第二环形前反射面221a(s05、s06)、第二环形后反射面211a(s07、s08)均采用高阶非球面，其中非球面按下式得到：
[0089][0090]
其中，c为顶点处的基本曲率；k为圆锥曲线常数；r为垂直光轴方向的径向坐标；a2,a4,a6,a8,a
10
,a
12
,a
14
和a
16
为非球面系数。
[0091]
进一步的，通过计算机软件优化设计对应用于可见光时的各环形反射面的非球面系数进行优化，并获得表2中优化参数。
[0092]
[0093][0094]
表2
[0095]
参见图2中示出的本实施例的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统的传递函数曲线图可见，图2中各视场内调制函数值接近衍射极限。
[0096]
参见图3中示出的本实施例的一种基于多面共体光学元件的紧凑型无焦系统的场曲和畸变曲线图可见，本发明的系统畸变下降100倍且数值小于0.005％，满足光学设计的要求。
[0097]
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
[0098]
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。