一种基于二次成像的激光准直光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于二次成像的激光准直光学系统，所述系统采用二次成像的结构形式，包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜4片分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜4片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。本发明专利技术在满足系统参数要求的前提下，可以控制畸变在0.3％以内，并且其光学传递函数(MTF)接近衍射极限，获得很好的成像质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学系统设计
，涉及一种基于二次成像的激光准直光学系 统。
技术介绍
基于二次成像的激光准直光学系统，可应用于激光目标模拟器，以光调制器件作 为图像源，为其所服务的敏感器提供无穷远的目标图像。通过对激光准直后的光斑尺寸、能 量以及运动规律进行控制，来完成实际工作中敏感器所接收到的信息变化，从而实现室内 对敏感器定标以及相关性能的检验。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于二次成像的激光准直光学系统，在满足系统参数要 求的前提下，可以控制畸变在0.3%以内，并且其光学传递函数（MTF)接近衍射极限，获得 很好的成像质量。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的： -种基于二次成像的激光准直光学系统，采用二次成像的结构形式，包括前镜组 和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜四片分离式透镜组成， 光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜四片分离式透镜组 成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透 镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。 以某特定敏感器的参数为指标，在较大的出瞳距以及视场下，更好的校正像差，实 现各视场照度的均匀性，要求控制畸变在0. 3%内。 根据以上要求，在光学设计的过程中，采用二次成像以及像方远心的结构形式。确 定前镜组和后镜组的焦距，使之总焦距为-45mm。对两组镜头单独设计，优化完成后，进行拼 接，再次对半径进行简单优化，即可得到良好的成像质量。在设计过程中，令前镜组的像与 后镜组的物位置相同，大小相等；同时，前镜组的出瞳亦为后镜组的入瞳，以减少能量在传 递过程中的损失。光学系统的总体结构如图1所示。 在对前镜组的设计过程中，确定其入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm，视场为 20° X 20°，波长为1. 06um。通过优化函数控制焦距为100mm，出瞳距为200mm (在两镜组 的焦距分配过程中，将镜组等效成薄透镜，计算出的光学间隔为200mm)，并对畸变进行严格 控制。得到的出瞳直径为30mm，像高为17. 63mm。 根据前镜组的设计结果，对后镜组进行设计。在设计过程中，确定系统的物高为 16. 73mm，入瞳直径为30mm。前镜组的像面即为后镜组的物面，为保证前镜组与后镜组完成 瞳孔匹配，后镜组的入瞳应距离物面200mm处。通过多次试验，最终将光阑设定位于第五透 镜与第六透镜之间，并保证入瞳距为80mm(物面与第五透镜的间隔固定为120mm)。在优化 的过程中，控制出瞳距离足够大，这里设置为10000mm，从而实现像方远心的结构形式。同 时，在优化函数中，设置近轴放大倍率为-o. 457,焦距为90mm，并对畸变进行控制。 本专利技术具有如下有益效果： 1、将光学系统进行反向设计，光阑外置，则入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm。全 视场为20°，为保证各视场照度的均匀性，将其设计为像方远心的光学系统。系统采用波长 为1.06um的激光束，总焦距为-45mm，得到系统的相对孔径为1 : 3。 2、根据对视场、焦距、出瞳直径、出瞳位置（反向设计即为系统的入瞳）等具体要 求，完成激光准直光学系统的设计。在设计过程中，采用二次成像、像方远心的结构形式，对 于光阑外置、视场较大的光学系统，有助于垂轴像差的校正，并保证各视场照度的均匀性。 最终的设计结果，畸变控制在0. 3%内（图2)，且MTF曲线接近衍射极限（图3)。【附图说明】图1是本专利技术的基于二次成像的激光准直光学系统的结构示意图，1-第一透镜、 2-第二透镜、3-第三透镜、4-第四透镜、5-第五透镜、6-第六透镜、7-第七透镜、8-第八透 镜、9-光阑、10-像面；图2是本专利技术的基于二次成像的激光准直光学系统的畸变曲线示意图； 图3是本专利技术的基于二次成像的激光准直光学系统的调制传递函数（MTF)示意 图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本专利技术的保护范围中。 本专利技术针对光阑外置，入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm，视场为20° X 20°，系 统焦距为-45mm，波长为1. 06um，且基于二次成像的激光准直光学系统。所述激光准直光学 系统包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4 四片分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第 八透镜8四片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜1、第二透镜 2、第三透镜3和第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8。 如图1所示，用光阑9限制平行光入射的口径，使其依次通过八片透镜，最终在像 面10上成像。需要说明的是，该光路为反向设计，实际应用中，图中的像面10即为物面，由 物面发出的光反向经过八片透镜，最终以平行光的形式射出，被探测器所接收。 首先，对前镜组和后镜组的焦距进行分配，得到前镜组的焦距为100mm，后镜组的 焦距为90mm，将镜组等效成薄透镜，计算出的光学间隔为200mm。焦距分配的计算公式如 下： 其中，L为物距150mm(即入瞳到第一透镜的距离），L'是与其共轭的像距，心为 前镜组的焦距（根据经验自行给出），f 2为后镜组的焦距，f为系统的总焦距-45mm，A为 将两镜组等效成薄透镜的光学间隔。 其次，对两组镜头分别设计。 在对前镜组的设计过程中，在zemax中确定其入瞳直径为15mm，入瞳距为150mm， 视场为20° X20°，波长为1.06um，选择ZNSE作为透镜材料。在优化函数中，选择默认优 化函数，设置焦距为100mm，出瞳距为200mm(在两镜组的焦距分配过程中，将镜组等效成薄 透镜，计算出的光学间隔为200mm)，并对畸变进行严格控制。在距镜头最后一面20mm处观 察成像质量，通过对半径、厚度以及间隔分别设置变量进行优化，得到的MTF曲线接近衍射 极限，畸变值在0.3%范围内。在设计结果中得到出瞳直径为30_，像高为17. 63_。 根据前镜组的设计结果，对后镜组进行设计。在设计过程中，确定系统的物高为前 镜组所成像高，即16. 73mm，入瞳直径为30mm，波长为1. 06um。前镜组的像面即为后镜组的 物面，为保证前镜组与后镜组完成瞳孔匹配，后镜组的入瞳应距离物面200mm处。通过多次 试验，最终将光阑设定位于第五透镜与第六透镜之间（这里的光阑对应后镜组的设计，拼 接后，由于前后镜组光瞳匹配，令前镜组的光阑作为组合系统的光阑，并不会影响能量的传 递），并保证入瞳距为80mm(物面与第五透镜的间隔固定为120mm)。在对优化函数的设置 中，选定默认优化函数，为了实现像方远心的结构形式，需控制出瞳距足够大，这里设置为 10000mm。同时，设置近轴放大倍率为-0.457,焦距为90mm，并对畸变进行控制。在优化过 程中，边缘视场的传递函数不理想，通过对点列图、像差曲线以及赛德尔系数进行分析，找 到对像质影响严重的像差类型，在优化函数中对其进行控制，并合理分配各操作函数所占 权重，逐步优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二次成像的激光准直光学系统，其特征在于所述系统采用二次成像的结构形式，包括前镜组和后镜组；所述前镜组由第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜四片分离式透镜组成，光焦度为正；所述后镜组由第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜四片分离式透镜组成，光焦度为正；沿光路传播方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王安妮，张树青，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23