一種基于二次成像的激光準直光學系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學系統設計技術領域，涉及一種基于二次成像的激光準直光學系 統。
【背景技術】
[0002] 基于二次成像的激光準直光學系統，可應用于激光目標模擬器，以光調制器件作 為圖像源，為其所服務的敏感器提供無窮遠的目標圖像。通過對激光準直后的光斑尺寸、能 量以及運動規律進行控制，來完成實際工作中敏感器所接收到的信息變化，從而實現室內 對敏感器定標以及相關性能的檢驗。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種基于二次成像的激光準直光學系統，在滿足系統參數要 求的前提下，可以控制畸變在0.3%以內，并且其光學傳遞函數（MTF)接近衍射極限，獲得 很好的成像質量。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0005] -種基于二次成像的激光準直光學系統，采用二次成像的結構形式，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為指標，在較大的出瞳距以及視場下，更好的校正像差，實 現各視場照度的均勻性，要求控制畸變在0. 3%內。
[0007] 根據以上要求，在光學設計的過程中，采用二次成像以及像方遠心的結構形式。確 定前鏡組和后鏡組的焦距，使之總焦距為-45mm。對兩組鏡頭單獨設計，優化完成后，進行拼 接，再次對半徑進行簡單優化，即可得到良好的成像質量。在設計過程中，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。光學系統的總體結構如圖1所示。
[0008] 在對前鏡組的設計過程中，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。通過優化函數控制焦距為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，計算出的光學間隔為200mm)，并對畸變進行嚴格 控制。得到的出瞳直徑為30mm，像高為17. 63mm。
[0009] 根據前鏡組的設計結果，對后鏡組進行設計。在設計過程中，確定系統的物高為 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，后鏡組的入瞳應距離物面200mm處。通過多次試驗，最終將光闌設定位于第五透 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)。在優化 的過程中，控制出瞳距離足夠大，這里設置為10000mm，從而實現像方遠心的結構形式。同 時，在優化函數中，設置近軸放大倍率為-o. 457,焦距為90mm，并對畸變進行控制。
[0010] 本發明具有如下有益效果：
[0011] 1、將光學系統進行反向設計，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，將其設計為像方遠心的光學系統。系統采用波長 為1.06um的激光束，總焦距為-45mm，得到系統的相對孔徑為1 : 3。
[0012] 2、根據對視場、焦距、出瞳直徑、出瞳位置（反向設計即為系統的入瞳）等具體要 求，完成激光準直光學系統的設計。在設計過程中，采用二次成像、像方遠心的結構形式，對 于光闌外置、視場較大的光學系統，有助于垂軸像差的校正，并保證各視場照度的均勻性。 最終的設計結果，畸變控制在0. 3%內（圖2)，且MTF曲線接近衍射極限（圖3)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的基于二次成像的激光準直光學系統的結構示意圖，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是本發明的基于二次成像的激光準直光學系統的畸變曲線示意圖；
[0015] 圖3是本發明的基于二次成像的激光準直光學系統的調制傳遞函數（MTF)示意 圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發明的保護范圍中。
[0017] 本發明針對光闌外置，入瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm，視場為20° X 20°，系 統焦距為-45mm，波長為1. 06um，且基于二次成像的激光準直光學系統。所述激光準直光學 系統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，該光路為反向設計，實際應用中，圖中的像面10即為物面，由 物面發出的光反向經過八片透鏡，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，計算出的光學間隔為200mm。焦距分配的計算公式如 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（根據經驗自行給出），f 2為后鏡組的焦距，f為系統的總焦距-45mm，A為 將兩鏡組等效成薄透鏡的光學間隔。
[0024] 其次，對兩組鏡頭分別設計。
[0025] 在對前鏡組的設計過程中，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。在優化函數中，選擇默認優 化函數，設置焦距為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，計算出的光學間隔為200mm)，并對畸變進行嚴格控制。在距鏡頭最后一面20mm處觀 察成像質量，通過對半徑、厚度以及間隔分別設置變量進行優化，得到的MTF曲線接近衍射 極限，畸變值在0.3%范圍內。在設計結果中得到出瞳直徑為30_，像高為17. 63_。
[0026] 根據前鏡組的設計結果，對后鏡組進行設計。在設計過程中，確定系統的物高為前 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，后鏡組的入瞳應距離物面200mm處。通過多次 試驗，最終將光闌設定位于第五透鏡與第六透鏡之間（這里的光闌對應后鏡組的設計，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)。在對優化函數的設置 中，選定默認優化函數，為了實現像方遠心的結構形式，需控制出瞳距足夠大，這里設置為 10000mm。同時，設置近軸放大倍率為-0.457,焦距為90mm，并對畸變進行控制。在優化過 程中，邊緣視場的傳遞函數不理想，通過對點列圖、像差曲線以及賽德爾系數進行分析，找 到對像質影響嚴重的像差類型，在優化函數中對其進行控制，并合理分配各操作函數所占 權重，逐步優化。
[0027] 優化完成后，進行拼接，再次對半徑進行簡單優化，即可得到良好的成像質量。光 學系統的具體參數如表1所示。
[0028] 表1光學系統的具體參數單位：(mm)
[0029]
【主權項】
1. 一種基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述系統采用二次成像的結構 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. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述系統入 瞳直徑為15mm，入瞳距為150mm，全視場為20° 〇3. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述系統采 用波長為I. 06um的激光束，總焦距為-45mm，相對孔徑為1 : 3。4. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，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. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述8片透 鏡的材料均為硒化鋅。6. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述前鏡組 的焦距為100mm，后鏡組的焦距為90mm。7. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，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. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，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. 根據權利要求1所述的基于二次成像的激光準直光學系統，其特征在于所述后鏡組 中的光闌設于第五透鏡和第六透鏡之間。
【專利摘要】本發明公開了一種基于二次成像的激光準直光學系統，所述系統采用二次成像的結構形式，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。本發明在滿足系統參數要求的前提下，可以控制畸變在0.3％以內，并且其光學傳遞函數(MTF)接近衍射極限，獲得很好的成像質量。
【IPC分類】G02B27/30, G02B27/00
【公開號】CN104991343
【申請號】CN201510430583
【發明人】王安妮, 張樹青
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月21日