一种基于二次成像的激光准直光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学系统设计技术领域，涉及一种基于二次成像的激光准直光学系 统。
【背景技术】
[0002] 基于二次成像的激光准直光学系统，可应用于激光目标模拟器，以光调制器件作 为图像源，为其所服务的敏感器提供无穷远的目标图像。通过对激光准直后的光斑尺寸、能 量以及运动规律进行控制，来完成实际工作中敏感器所接收到的信息变化，从而实现室内 对敏感器定标以及相关性能的检验。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于二次成像的激光准直光学系统，在满足系统参数要 求的前提下，可以控制畸变在0.3%以内，并且其光学传递函数（MTF)接近衍射极限，获得 很好的成像质量。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种基于二次成像的激光准直光学系统，采用二次成像的结构形式，包括前镜组 和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜四片分离式透镜组成， 光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜四片分离式透镜组 成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透 镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。
[0006] 以某特定敏感器的参数为指标，在较大的出瞳距以及视场下，更好的校正像差，实 现各视场照度的均匀性，要求控制畸变在0. 3%内。
[0007] 根据以上要求，在光学设计的过程中，采用二次成像以及像方远心的结构形式。确 定前镜组和后镜组的焦距，使之总焦距为-45mm。对两组镜头单独设计，优化完成后，进行拼 接，再次对半径进行简单优化，即可得到良好的成像质量。在设计过程中，令前镜组的像与 后镜组的物位置相同，大小相等；同时，前镜组的出瞳亦为后镜组的入瞳，以减少能量在传 递过程中的损失。光学系统的总体结构如图1所示。
[0008] 在对前镜组的设计过程中，确定其入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm，视场为 20° X 20°，波长为1. 06um。通过优化函数控制焦距为100mm，出瞳距为200mm (在两镜组 的焦距分配过程中，将镜组等效成薄透镜，计算出的光学间隔为200mm)，并对畸变进行严格 控制。得到的出瞳直径为30mm，像高为17. 63mm。
[0009] 根据前镜组的设计结果，对后镜组进行设计。在设计过程中，确定系统的物高为 16. 73mm，入瞳直径为30mm。前镜组的像面即为后镜组的物面，为保证前镜组与后镜组完成 瞳孔匹配，后镜组的入瞳应距离物面200mm处。通过多次试验，最终将光阑设定位于第五透 镜与第六透镜之间，并保证入瞳距为80mm(物面与第五透镜的间隔固定为120mm)。在优化 的过程中，控制出瞳距离足够大，这里设置为10000mm，从而实现像方远心的结构形式。同 时，在优化函数中，设置近轴放大倍率为-o. 457,焦距为90mm，并对畸变进行控制。
[0010] 本发明具有如下有益效果：
[0011] 1、将光学系统进行反向设计，光阑外置，则入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm。全 视场为20°，为保证各视场照度的均匀性，将其设计为像方远心的光学系统。系统采用波长 为1.06um的激光束，总焦距为-45mm，得到系统的相对孔径为1 : 3。
[0012] 2、根据对视场、焦距、出瞳直径、出瞳位置（反向设计即为系统的入瞳）等具体要 求，完成激光准直光学系统的设计。在设计过程中，采用二次成像、像方远心的结构形式，对 于光阑外置、视场较大的光学系统，有助于垂轴像差的校正，并保证各视场照度的均匀性。 最终的设计结果，畸变控制在0. 3%内（图2)，且MTF曲线接近衍射极限（图3)。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的基于二次成像的激光准直光学系统的结构示意图，1-第一透镜、 2-第二透镜、3-第三透镜、4-第四透镜、5-第五透镜、6-第六透镜、7-第七透镜、8-第八透 镜、9-光阑、10-像面；
[0014]图2是本发明的基于二次成像的激光准直光学系统的畸变曲线示意图；
[0015] 图3是本发明的基于二次成像的激光准直光学系统的调制传递函数（MTF)示意 图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0017] 本发明针对光阑外置，入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm，视场为20° X 20°，系 统焦距为-45mm，波长为1. 06um，且基于二次成像的激光准直光学系统。所述激光准直光学 系统包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4 四片分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第 八透镜8四片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜1、第二透镜 2、第三透镜3和第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8。
[0018] 如图1所示，用光阑9限制平行光入射的口径，使其依次通过八片透镜，最终在像 面10上成像。需要说明的是，该光路为反向设计，实际应用中，图中的像面10即为物面，由 物面发出的光反向经过八片透镜，最终以平行光的形式射出，被探测器所接收。
[0019] 首先，对前镜组和后镜组的焦距进行分配，得到前镜组的焦距为100mm，后镜组的 焦距为90mm，将镜组等效成薄透镜，计算出的光学间隔为200mm。焦距分配的计算公式如 下：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，L为物距150mm(即入瞳到第一透镜的距离），L'是与其共轭的像距，心为 前镜组的焦距（根据经验自行给出），f 2为后镜组的焦距，f为系统的总焦距-45mm，A为 将两镜组等效成薄透镜的光学间隔。
[0024] 其次，对两组镜头分别设计。
[0025] 在对前镜组的设计过程中，在zemax中确定其入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm， 视场为20° X20°，波长为1.06um，选择ZNSE作为透镜材料。在优化函数中，选择默认优 化函数，设置焦距为100mm，出瞳距为200mm(在两镜组的焦距分配过程中，将镜组等效成薄 透镜，计算出的光学间隔为200mm)，并对畸变进行严格控制。在距镜头最后一面20mm处观 察成像质量，通过对半径、厚度以及间隔分别设置变量进行优化，得到的MTF曲线接近衍射 极限，畸变值在0.3%范围内。在设计结果中得到出瞳直径为30_，像高为17. 63_。
[0026] 根据前镜组的设计结果，对后镜组进行设计。在设计过程中，确定系统的物高为前 镜组所成像高，即16. 73mm，入瞳直径为30mm，波长为1. 06um。前镜组的像面即为后镜组的 物面，为保证前镜组与后镜组完成瞳孔匹配，后镜组的入瞳应距离物面200mm处。通过多次 试验，最终将光阑设定位于第五透镜与第六透镜之间（这里的光阑对应后镜组的设计，拼 接后，由于前后镜组光瞳匹配，令前镜组的光阑作为组合系统的光阑，并不会影响能量的传 递），并保证入瞳距为80mm(物面与第五透镜的间隔固定为120mm)。在对优化函数的设置 中，选定默认优化函数，为了实现像方远心的结构形式，需控制出瞳距足够大，这里设置为 10000mm。同时，设置近轴放大倍率为-0.457,焦距为90mm，并对畸变进行控制。在优化过 程中，边缘视场的传递函数不理想，通过对点列图、像差曲线以及赛德尔系数进行分析，找 到对像质影响严重的像差类型，在优化函数中对其进行控制，并合理分配各操作函数所占 权重，逐步优化。
[0027] 优化完成后，进行拼接，再次对半径进行简单优化，即可得到良好的成像质量。光 学系统的具体参数如表1所示。
[0028] 表1光学系统的具体参数单位：(mm)
[0029]
【主权项】
1. 一种基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述系统采用二次成像的结构 形式，包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜四片 分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜四 片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和 第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。2. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述系统入 瞳直径为15mm，入瞳距为150mm，全视场为20° 〇3. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述系统采 用波长为I. 06um的激光束，总焦距为-45mm，相对孔径为1 : 3。4. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述前镜组 的像与后镜组的物位置相同，大小相等；前镜组的出瞳亦为后镜组的入瞳。5. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述8片透 镜的材料均为硒化锌。6. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述前镜组 的焦距为100mm，后镜组的焦距为90mm。7. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于：前镜组的 出瞳直径为30mm，出瞳位置距离像面200mm，像高为17. 63mm。8. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述后镜组 的入瞳直径为30mm，入瞳距离物面为200mm，物高为17. 63mm。9. 根据权利要求1所述的基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述后镜组 中的光阑设于第五透镜和第六透镜之间。
【专利摘要】本发明公开了一种基于二次成像的激光准直光学系统，所述系统采用二次成像的结构形式，包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜4片分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜4片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。本发明在满足系统参数要求的前提下，可以控制畸变在0.3％以内，并且其光学传递函数(MTF)接近衍射极限，获得很好的成像质量。
【IPC分类】G02B27/30, G02B27/00
【公开号】CN104991343
【申请号】CN201510430583
【发明人】王安妮, 张树青
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月21日