一種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，可應(yīng)用于激光目標(biāo)模擬器，以光調(diào)制器件作 為圖像源，為其所服務(wù)的敏感器提供無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)圖像。通過對激光準(zhǔn)直后的光斑尺寸、能 量以及運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行控制，來完成實(shí)際工作中敏感器所接收到的信息變化，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi) 對敏感器定標(biāo)以及相關(guān)性能的檢驗(yàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，在滿足系統(tǒng)參數(shù)要 求的前提下，可以控制畸變在0.3%以內(nèi)，并且其光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF)接近衍射極限，獲得 很好的成像質(zhì)量。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，采用二次成像的結(jié)構(gòu)形式，包括前鏡組 和后鏡組；所述前鏡組由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡四片分離式透鏡組成， 光焦度為正；所述后鏡組由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡四片分離式透鏡組 成，光焦度為正；沿光路傳播方向依次為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡、第五透 鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡。
[0006] 以某特定敏感器的參數(shù)為指標(biāo)，在較大的出瞳距以及視場下，更好的校正像差，實(shí) 現(xiàn)各視場照度的均勻性，要求控制畸變在0. 3%內(nèi)。
[0007] 根據(jù)以上要求，在光學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，采用二次成像以及像方遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)形式。確 定前鏡組和后鏡組的焦距，使之總焦距為-45mm。對兩組鏡頭單獨(dú)設(shè)計(jì)，優(yōu)化完成后，進(jìn)行拼 接，再次對半徑進(jìn)行簡單優(yōu)化，即可得到良好的成像質(zhì)量。在設(shè)計(jì)過程中，令前鏡組的像與 后鏡組的物位置相同，大小相等；同時，前鏡組的出瞳亦為后鏡組的入瞳，以減少能量在傳 遞過程中的損失。光學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0008] 在對前鏡組的設(shè)計(jì)過程中，確定其入瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm，視場為 20° X 20°，波長為1. 06um。通過優(yōu)化函數(shù)控制焦距為100mm，出瞳距為200mm (在兩鏡組 的焦距分配過程中，將鏡組等效成薄透鏡，計(jì)算出的光學(xué)間隔為200mm)，并對畸變進(jìn)行嚴(yán)格 控制。得到的出瞳直徑為30mm，像高為17. 63mm。
[0009] 根據(jù)前鏡組的設(shè)計(jì)結(jié)果，對后鏡組進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，確定系統(tǒng)的物高為 16. 73mm，入瞳直徑為30mm。前鏡組的像面即為后鏡組的物面，為保證前鏡組與后鏡組完成 瞳孔匹配，后鏡組的入瞳應(yīng)距離物面200mm處。通過多次試驗(yàn)，最終將光闌設(shè)定位于第五透 鏡與第六透鏡之間，并保證入瞳距為80mm(物面與第五透鏡的間隔固定為120mm)。在優(yōu)化 的過程中，控制出瞳距離足夠大，這里設(shè)置為10000mm，從而實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)形式。同 時，在優(yōu)化函數(shù)中，設(shè)置近軸放大倍率為-o. 457,焦距為90mm，并對畸變進(jìn)行控制。
[0010] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0011] 1、將光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，光闌外置，則入瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm。全 視場為20°，為保證各視場照度的均勻性，將其設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心的光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用波長 為1.06um的激光束，總焦距為-45mm，得到系統(tǒng)的相對孔徑為1 : 3。
[0012] 2、根據(jù)對視場、焦距、出瞳直徑、出瞳位置（反向設(shè)計(jì)即為系統(tǒng)的入瞳）等具體要 求，完成激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，采用二次成像、像方遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)形式，對 于光闌外置、視場較大的光學(xué)系統(tǒng)，有助于垂軸像差的校正，并保證各視場照度的均勻性。 最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，畸變控制在0. 3%內(nèi)（圖2)，且MTF曲線接近衍射極限（圖3)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，1-第一透鏡、 2-第二透鏡、3-第三透鏡、4-第四透鏡、5-第五透鏡、6-第六透鏡、7-第七透鏡、8-第八透 鏡、9-光闌、10-像面；
[0014]圖2是本發(fā)明的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0017] 本發(fā)明針對光闌外置，入瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm，視場為20° X 20°，系 統(tǒng)焦距為-45mm，波長為1. 06um，且基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。所述激光準(zhǔn)直光學(xué) 系統(tǒng)包括前鏡組和后鏡組；所述前鏡組由第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡4 四片分離式透鏡組成，光焦度為正；所述后鏡組由第五透鏡5、第六透鏡6、第七透鏡7和第 八透鏡8四片分離式透鏡組成，光焦度為正；沿光路傳播方向依次為第一透鏡1、第二透鏡 2、第三透鏡3和第四透鏡4、第五透鏡5、第六透鏡6、第七透鏡7和第八透鏡8。
[0018] 如圖1所示，用光闌9限制平行光入射的口徑，使其依次通過八片透鏡，最終在像 面10上成像。需要說明的是，該光路為反向設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中，圖中的像面10即為物面，由 物面發(fā)出的光反向經(jīng)過八片透鏡，最終以平行光的形式射出，被探測器所接收。
[0019] 首先，對前鏡組和后鏡組的焦距進(jìn)行分配，得到前鏡組的焦距為100mm，后鏡組的 焦距為90mm，將鏡組等效成薄透鏡，計(jì)算出的光學(xué)間隔為200mm。焦距分配的計(jì)算公式如 下：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，L為物距150mm(即入瞳到第一透鏡的距離），L'是與其共軛的像距，心為 前鏡組的焦距（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行給出），f 2為后鏡組的焦距，f為系統(tǒng)的總焦距-45mm，A為 將兩鏡組等效成薄透鏡的光學(xué)間隔。
[0024] 其次，對兩組鏡頭分別設(shè)計(jì)。
[0025] 在對前鏡組的設(shè)計(jì)過程中，在zemax中確定其入瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm， 視場為20° X20°，波長為1.06um，選擇ZNSE作為透鏡材料。在優(yōu)化函數(shù)中，選擇默認(rèn)優(yōu) 化函數(shù)，設(shè)置焦距為100mm，出瞳距為200mm(在兩鏡組的焦距分配過程中，將鏡組等效成薄 透鏡，計(jì)算出的光學(xué)間隔為200mm)，并對畸變進(jìn)行嚴(yán)格控制。在距鏡頭最后一面20mm處觀 察成像質(zhì)量，通過對半徑、厚度以及間隔分別設(shè)置變量進(jìn)行優(yōu)化，得到的MTF曲線接近衍射 極限，畸變值在0.3%范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)結(jié)果中得到出瞳直徑為30_，像高為17. 63_。
[0026] 根據(jù)前鏡組的設(shè)計(jì)結(jié)果，對后鏡組進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，確定系統(tǒng)的物高為前 鏡組所成像高，即16. 73mm，入瞳直徑為30mm，波長為1. 06um。前鏡組的像面即為后鏡組的 物面，為保證前鏡組與后鏡組完成瞳孔匹配，后鏡組的入瞳應(yīng)距離物面200mm處。通過多次 試驗(yàn)，最終將光闌設(shè)定位于第五透鏡與第六透鏡之間（這里的光闌對應(yīng)后鏡組的設(shè)計(jì)，拼 接后，由于前后鏡組光瞳匹配，令前鏡組的光闌作為組合系統(tǒng)的光闌，并不會影響能量的傳 遞），并保證入瞳距為80mm(物面與第五透鏡的間隔固定為120mm)。在對優(yōu)化函數(shù)的設(shè)置 中，選定默認(rèn)優(yōu)化函數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)形式，需控制出瞳距足夠大，這里設(shè)置為 10000mm。同時，設(shè)置近軸放大倍率為-0.457,焦距為90mm，并對畸變進(jìn)行控制。在優(yōu)化過 程中，邊緣視場的傳遞函數(shù)不理想，通過對點(diǎn)列圖、像差曲線以及賽德爾系數(shù)進(jìn)行分析，找 到對像質(zhì)影響嚴(yán)重的像差類型，在優(yōu)化函數(shù)中對其進(jìn)行控制，并合理分配各操作函數(shù)所占 權(quán)重，逐步優(yōu)化。
[0027] 優(yōu)化完成后，進(jìn)行拼接，再次對半徑進(jìn)行簡單優(yōu)化，即可得到良好的成像質(zhì)量。光 學(xué)系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示。
[0028] 表1光學(xué)系統(tǒng)的具體參數(shù)單位：(mm)
[0029]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)采用二次成像的結(jié)構(gòu) 形式，包括前鏡組和后鏡組；所述前鏡組由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡四片 分離式透鏡組成，光焦度為正；所述后鏡組由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡四 片分離式透鏡組成，光焦度為正；沿光路傳播方向依次為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和 第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)入 瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm，全視場為20° 〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)采 用波長為I. 06um的激光束，總焦距為-45mm，相對孔徑為1 : 3。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述前鏡組 的像與后鏡組的物位置相同，大小相等；前鏡組的出瞳亦為后鏡組的入瞳。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述8片透 鏡的材料均為硒化鋅。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述前鏡組 的焦距為100mm，后鏡組的焦距為90mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：前鏡組的 出瞳直徑為30mm，出瞳位置距離像面200mm，像高為17. 63mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述后鏡組 的入瞳直徑為30mm，入瞳距離物面為200mm，物高為17. 63mm。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述后鏡組 中的光闌設(shè)于第五透鏡和第六透鏡之間。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二次成像的激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)采用二次成像的結(jié)構(gòu)形式，包括前鏡組和后鏡組；所述前鏡組由第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡4片分離式透鏡組成，光焦度為正；所述后鏡組由第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡4片分離式透鏡組成，光焦度為正；沿光路傳播方向依次為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡。本發(fā)明在滿足系統(tǒng)參數(shù)要求的前提下，可以控制畸變在0.3％以內(nèi)，并且其光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)接近衍射極限，獲得很好的成像質(zhì)量。
【IPC分類】G02B27/30, G02B27/00
【公開號】CN104991343
【申請?zhí)枴緾N201510430583
【發(fā)明人】王安妮, 張樹青
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月21日