[发明专利]一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统

说明书

本发明公开了一种非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统。其特征在于：景物目标经过望远镜汇聚到成像系统焦面光阑，随后经过准直球面反射镜、第一主动变形反射镜、第二主动变形反射镜、第三主动变形反射镜、第四主动变形反射镜后，通过压电传感器对四个主动变形镜产生镜面变形，从而实现望远镜焦面图像从2倍到30倍的变焦远心成像。本发明解决了现有移动光学元件式变焦系统在大变焦比工作时移动距离非常大、结构巨大问题；以及无移动式变焦系统实现变焦比小的问题。采用本发明与望远镜成像系统相结合，不存在任何移动光学部件、光路简单且结构紧凑，可对景物全波段范围内实现30倍大变焦比的高分辨率、小畸变和远心缩放成像。

技术领域

本发明涉及星载或地面高光谱成像、激光三维成像等领域中的光学系统，具体是指一种将望远镜与变焦中继光学系统相结合，用于实现全波段范围内大变焦比、无移动元件、小畸变的远心光学成像形式。

背景技术

变焦系统已经广泛应用于光谱成像、光学成像和激光工程等方面，可以实现对目标物的可变分辨率探测,它要求系统焦距能连续可变,在变焦过程中像面位置不变化并保持像质良好。最早的变焦距物镜为1902年C.C.Allen设计的放映物镜，直到1932年，才出现随着改变焦距而移动焦点的镜头。目前的变焦距系统大都利用改变透镜组间的间隔来实现。而在移动透镜组间隔变焦时,总会伴随着像面的移动，因此要对其进行补偿。补偿方法主要有光学补偿和机械补偿两种。光学补偿优点是系统结构简单，但是其焦距不能连续变化，而是几个离散值,因而在使用中受到了许多限制。机械补偿变焦由于其机械装置较为复杂，变焦速度较慢，在一些特殊领域也受到限制。近几年来,随着国外液晶技术、微机电系统的发展日益成熟,提出了新型的变焦模式。在光学系统中加入2个或多个可变形液晶透镜或可变形镜，通过改变加载的电压使液晶透镜或可变形镜产生弯曲和变形,实现变焦。

2004年David V.Wick等利用ZEMAX初步设计了变焦倍率为3.9×的变焦系统，在光学系统中加入2个变焦透镜来实现变焦；之后他们在系统中加入可变形镜,通过其面形的变化实现系统变焦。2009年Kristof Seidl等为数码相机设计了变焦倍率为3×的离轴全反射式变焦光学系统，由4个反射面构成，其中利用了2个可变形反射面。2012年西安光学精密机械研究所提出了一种4×的离轴三反变焦望远镜，系统使用两个不同主镜分别工作在不同变焦比下，含有一个变形镜，且焦面需要移动。

由国内外发展趋势来看，要求变焦比越来越大、光学简单可靠、成像质量好、且焦面不发生位移，这为光学设计带来了极大的难度，主要体现在：

1.全反射式变焦系统，对全波段没有色差，由于镜面多为离轴设计，大变焦比时像差难以消除。而且反射镜面优化变量有限，焦面位置有时会发生位移。

2.透射式变焦系统，存在移动元件，工作于大变焦比时光学元件移动距离巨大，造成仪器体积庞大；采用多组变焦光学元件配合变焦，变焦组光路透镜设计复杂，影响系统像质。

而将非共轴全反射式无移动元件主动变焦中继光学系统与望远镜成像系统相结合，解决了现有移动光学元件式变焦系统在大变焦比工作时移动距离非常大、结构巨大问题；以及无移动式变焦系统实现变焦比小的问题。且此系统不存在任何移动光学部件、光路紧凑，可对景物全波段范围内实现30倍大变焦比的高分辨率、小畸变和远心缩放成像。

发明内容