[发明专利]一种环带自由曲面光学元件及单片式光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及于空间光学技术领域，特别涉及一种用于飞行器的目标探测的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。

背景技术

目前航空及航天的侦察、探测等领域获得高清晰度照片的空间探测光学系统，一般采用的是曲率半径不同环带式的非球面面型，单各环带面型分立加工，难以保证环带面型相对距离、偏心倾斜等。采用单片式自由曲面棱镜方案，虽然避免了中心遮拦，但在相同指标参数和光学元件材质条件下，系统体积和重量为同轴方案的1.3～1.6倍，而且目前的自由曲面棱镜加工检测难度较大。

为了克服上述缺点，设计一种新的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。

发明内容

本发明旨在克服现有空间探测光学系统技术的缺陷，降低光学系统的加工难度低、减小光学系统的体积较小，提供一种结构简单、重量轻、成像谱段宽、光学传函数高及成像畸变低的环带自由曲面光学元件及单片式光学系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种单片式光学系统，包括探测器像面，其还包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；所述第一面设有第一透射带、与所述第一透射带连接的第一反射带以及与所述第一反射带的第二反射带；所述第二面设有第三反射带、与第三反射带连接的第四反射带以及与所述第四反射带连接的第二透射带；无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带透射进入所述环带自由曲面透镜，然后在所述第三反射带发生反射，之后在所述第一反射带发生反射，之后在所述第四反射带发生反射，而后在所述第二反射带发生反射，最后再经过所述第二透射带透射出去，透射出的光线到达探测器像面完成成像。

一些实施例中，所述第一透射带、所述第一反射带和所述第二反射带的面型曲率半径不同；所述第三反射带、所述第四反射带和所述第二透射带面型曲率半径不同。

一些实施例中，所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：本发明中坐标系定义如下：y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；面型拟合的XY多项式表达式为：

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。

一些实施例中，所述单片式光学系统在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像。

一些实施例中，所述单片式光学系统的口径为65mm，成像视场为4°×4°。

再另一方面，本发明提供一种环带自由曲面光学元件，用于组成单片式光学系统，其包括环带自由曲面透镜，所述环带自由曲面透镜包括第一面及第二面；所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，曲面方程都满足式(1)：本发明中坐标系定义如下：y-z平面为纸面，z轴水平向右，y轴在直面内垂直于z轴向上，x轴垂直于纸面向里，构成右手坐标系；面型拟合的XY多项式表达式为：

其中，C、k分别为曲面的曲率和圆锥系数，aij为XY多项式系数，最高用到82项。

一些实施例中，所述第一面为内凹的圆形环带自由曲面，第二面为外凸的圆形环带自由曲面，所述第一面的反射面向后，所述第二面设置在所述第一面后方，所述第二面的反射面向前使得所述第二面的反射面与所述第一面的反射面相向设置。

一些实施例中，无穷远目标发出光信号通过所述环带自由曲面光学元件，经过所述第一面透射进入所述环带自由曲面透镜，在第二面发生两次反射以及在第一面发生两次反射，最后经过第二面透射出去，最终到达焦面探测器得到目标的数字图像。

一些实施例中，所述环带自由曲面透镜的材质为熔融石英。

一些实施例中，所述环带自由曲面光学元件在0.4μm～0.89μm谱段范围内成像，所述环带自由曲面光学元件的口径为65mm，成像视场为4°×4°。

本发明的有益效果在于：

1、通过无穷远目标发射光信号首先经过所述第一透射带透射进入所述环带自由曲面透镜，然后在所述第三反射带发生反射，之后在所述第一反射带发生反射，之后在所述第四反射带发生反射，而后在所述第二反射带发生反射，最后再经过所述第二透射带透射出去，透射出的光线到达探测器像面完成成像，以此充分利用单片光学元件内表面，增加光路反射次数，达到校正系统轴外视场像差和色差的目的。

2、所述第一面和所述第二面都为环带自由曲面，面型拟合都采用低阶XY多项式进行高精度拟合，以此实现一体化加工检测，解决了现有技术的共体复杂面型分立加工，相对位置、偏心倾斜误差大的问题。