專利名稱：緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，特別涉及一種用于飛行器窗口的共形光學(xué)鏡頭。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的飛行器整流罩一般為球形，這樣對(duì)后面成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的較為簡(jiǎn)單，但當(dāng)飛行器的速度達(dá)到幾個(gè)馬赫時(shí)，由于氣動(dòng)加熱會(huì)在飛行器整流罩的頂端和邊緣溫度駐點(diǎn)，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的圖像形成干擾噪聲，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別目標(biāo)。另外球形整流罩在高速度下，其空氣阻力非常大，嚴(yán)重限制了飛行器的速度和航程。而共形飛行器整流罩采用的是流線型的曲面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面，包括二次曲面、非球面和其它能提高飛行性能的各種幾 何表面。由于共形整流罩具有良好的氣動(dòng)特性，可以很好的克服上述球形整流罩的缺點(diǎn)，提高了飛行器的速度與航程，而且還具有很好的隱身能力。但由于共形窗口曲率隨視場(chǎng)變化，使得各個(gè)視場(chǎng)的像差的都不同，增加了成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。為了消除像差隨視場(chǎng)變化帶來(lái)的影響，獲得好的成像質(zhì)量，主要有三種校正的方法，一是采用旋轉(zhuǎn)的Zernike光楔,表面的面型是由Zernike多項(xiàng)式來(lái)表示；另一種是采用可變形的反射鏡來(lái)矯正，隨著視場(chǎng)的變化反射鏡的表面形狀可以相應(yīng)改變來(lái)達(dá)到校正像差的目的；第三種是采用固定的校正片來(lái)實(shí)現(xiàn)像差的校正，這種方法是通過(guò)在整流罩和成像系統(tǒng)之間加入一片透鏡，在這三種方法中，此種結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，也最易實(shí)現(xiàn)。針對(duì)位于固定校正片之后的成像系統(tǒng)，通常有兩種結(jié)構(gòu)一種是采用折返式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光路結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)總長(zhǎng)短，但是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是反射鏡的次鏡裝調(diào)困難以及次鏡支撐的穩(wěn)定性與遮光面積之間的矛盾；另一種結(jié)構(gòu)是采用透射式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有遮攔以及裝調(diào)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)較長(zhǎng)，透鏡數(shù)目較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，有必要提出一種新的方案克服上述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，裝調(diào)容易，而且穩(wěn)定性高的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)包括整流罩，固定校正透鏡組，一體式折返透鏡和光闌；所述一體式折返透鏡前表面外環(huán)區(qū)域?yàn)橥干涿?，中心圓區(qū)域?yàn)閮?nèi)反射面；一體式折返透鏡的后表面外環(huán)區(qū)域?yàn)閮?nèi)反射面，中心圓形區(qū)域是透射面；光線經(jīng)過(guò)整流罩后到達(dá)固定校正透鏡組，由固定校正透鏡組完成對(duì)光線相位的校正；透過(guò)固定校正透鏡組的光線先從一體式折返透鏡前表面外環(huán)區(qū)域入射，到后表面外環(huán)區(qū)域時(shí)發(fā)生內(nèi)反射，再到前表面中心區(qū)域又發(fā)生內(nèi)反射，最后經(jīng)后表面中心區(qū)域出射；經(jīng)過(guò)一體式折返透鏡后出射的光線經(jīng)過(guò)光闌后在探測(cè)器面成像。有益效果本發(fā)明一體式折返透鏡將主反射鏡和次反射鏡集成在一個(gè)透鏡上，這樣不僅免去了困難的次鏡的裝調(diào)，而且也免去了次鏡的支架，在增加光學(xué)系統(tǒng)通光量的同時(shí)提高了次鏡成像的穩(wěn)定性，這相當(dāng)于將次鏡裝調(diào)的難度轉(zhuǎn)嫁給加工，而現(xiàn)在由于單點(diǎn)金剛石車床的應(yīng)用，其精度完全可以達(dá)到要求。本發(fā)明共形光學(xué)鏡頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝調(diào)容易，而且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。所述一體式折返透鏡可繞光軸上的一旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)不同目標(biāo)視場(chǎng)成像；由于一體式折返透鏡可以繞一個(gè)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而可以對(duì)不同目標(biāo)視場(chǎng)掃描成像，大目標(biāo)視場(chǎng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。所述固定校正透鏡組包含一片固定校正透鏡。本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)可以僅采用一片固定校正透鏡來(lái)調(diào)整因共形整流罩產(chǎn)生的相位不均，針對(duì)成像系統(tǒng)采用了一體式的折返透鏡，在縮短光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)度的同時(shí)還大大簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。整個(gè)共形光學(xué)系統(tǒng)僅有三片透鏡組成，非常緊湊和簡(jiǎn)單，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)也非常容易。所述整流罩的光焦度1/Π為負(fù)，固定校正透鏡的光焦度l/f2為負(fù)，一體式折返透 鏡的光焦度l/f3為正。整流罩的主要作用是為飛行器提供好的氣動(dòng)外形，減少飛行時(shí)的空氣阻力；固定校正透鏡的作用是校正整流罩不規(guī)則形狀產(chǎn)生的像差；一體式折返透鏡的作用是進(jìn)一步校正固定校正透鏡不規(guī)則形狀產(chǎn)生的剩余像差，并且對(duì)某一個(gè)目標(biāo)視場(chǎng)內(nèi)的物體進(jìn)行成像。所述整流罩的外曲面和內(nèi)曲面均為橢球面。所述固定校正透鏡為彎月形負(fù)透鏡，其前表面、后表面均為非球面。所述一體式折返透鏡的4個(gè)光學(xué)表面均為非球面。整流罩產(chǎn)生大量的像散和慧差，經(jīng)過(guò)固定校正透鏡之后仍有較大殘留，需要一體式折返透鏡采用非球面進(jìn)行校正。所述各透鏡的焦距與整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f比率按以下要求-10<fl/f < -30-10<f2/f < -20O. 6<f3/f < O. 8O. 9<F/D<2. I其中f為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，fl、f2、f3分別為整流罩、固定校正透鏡、一體式折返透鏡的焦距，F(xiàn)/D為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦比值。在各透鏡的焦距與整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f比率滿足上述條件下，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)傳函在171p/mm處達(dá)到O. 5以上、點(diǎn)斑大小接近衍射極限。所述的固定校正透鏡和一體式折返透鏡的表面非球面滿足如下函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，包括整流罩(LI)，固定校正透鏡組，其特征在于還包括一體式折返透鏡(L3)和光闌(I);所述一體式折返透鏡(L3)前表面外環(huán)區(qū)域(s5)為透射面，中心圓區(qū)域(s7)為內(nèi)反射面；一體式折返透鏡(L3)的后表面外環(huán)區(qū)域(s6)為內(nèi)反射面，中心圓形區(qū)域(s8)是透射面；光線經(jīng)過(guò)整流罩(LI)后到達(dá)固定校正透鏡組，由固定校正透鏡組完成對(duì)光線相位的校正；透過(guò)固定校正透鏡組的光線先從一體式折返透鏡(L3)前表面外環(huán)區(qū)域(s5)入射，到后表面外環(huán)區(qū)域(s6)時(shí)發(fā)生內(nèi)反射，再到前表面中心區(qū)域(s7)又發(fā)生內(nèi)反射，最后經(jīng)后表面中心區(qū)域(s8)出射；經(jīng)過(guò)一體式折返透鏡(L3)后出射的光線經(jīng)過(guò)光闌(I)后在探測(cè)器面成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述一體式折返透鏡(L3)可繞光軸上的一旋轉(zhuǎn)中心(0)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)不同目標(biāo)視場(chǎng)成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述固定校正透鏡組包含一片固定校正透鏡(L2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述整流罩(LI)的光焦度1/fl為負(fù)，固定校正透鏡(L2)的光焦度l/f2為負(fù)，一體式折返透鏡(L3)的光焦度l/f3為正。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述整流罩(LI)的外曲面(Si)和內(nèi)曲面(s2)均為橢球面；固定校正透鏡(L2)為彎月形負(fù)透鏡，其前表面(S3)、后表面(s4)均為非球面；一體式折返透鏡(L3)的4個(gè)光學(xué)表面(s5)、(s6)、(s7)、(s8)均為非球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述各透鏡的焦距與整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f比率按以下要求-10<fl/f < -30-10<f2/f < -200.6<f3/f < 0. 8 0.9〈F/D〈2. I 其中f為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，fl、f2、f3分別為整流罩(LI)、固定校正透鏡(L2)、一體式折返透鏡(L3)的焦距，F(xiàn)/D為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦比值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的固定校正透鏡(L2)和一體式折返透鏡(L3)的表面非球面滿足如下函數(shù) 其中z為以各非球面與光軸交點(diǎn)為起點(diǎn)且平行光軸方向的軸向值，k為Conic系數(shù)，c為鏡面中心曲率半徑的倒數(shù)，r為鏡面中心高度；A4、A6、A8、A10、A12為非球面系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表I、表2所/Jn o
全文摘要
本發(fā)明涉及一種緊湊型共形光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括整流罩，固定校正透鏡組，一體式折返透鏡和光闌；所述一體式折返透鏡前表面外環(huán)區(qū)域s5為透射面，中心圓區(qū)域s7為內(nèi)反射面；一體式折返透鏡的后表面外環(huán)區(qū)域s6為內(nèi)反射面，中心圓形區(qū)域s8是透射面；光線經(jīng)過(guò)整流罩后到達(dá)固定校正透鏡組，由固定校正透鏡組完成對(duì)光線相位的校正；透過(guò)固定校正透鏡組的光線先從一體式折返透鏡前表面外環(huán)區(qū)域s5入射，到后表面外環(huán)區(qū)域s6時(shí)發(fā)生內(nèi)反射，再到前表面中心區(qū)域s7又發(fā)生內(nèi)反射，最后經(jīng)后表面中心區(qū)域s8出射；經(jīng)過(guò)一體式折返透鏡后出射的光線經(jīng)過(guò)光闌后在探測(cè)器面成像。本發(fā)明共形光學(xué)鏡頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝調(diào)容易，而且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B17/08GK102798976SQ20121028103
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者虞林瑤, 魏群, 姜湖海, 張?zhí)煲? 賈宏光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所