一种激光发射与成像共孔径的光学系统及设计方法

阅读：评论：0

1.本技术属于激光光学仪器领域，具体涉及一种用于空间光学平台的紧凑型、宽波段的激光发射与成像共孔径的光学系统及设计方法。

背景技术：

2.激光器在实际应用中，往往要和成像系统配套使用，共同实现激光发射和探测成像的功能。由于载荷和空间的限制，激光光学系统必须进行小型化和轻量化设计才能移植到空间光学平台上。针对小型化和轻量化的目标，将激光发射与目标探测成像进行共孔径设计是一个合理的选择。目前，已经有许多激光系统采用了共孔径的设计形式，但其中大部分成像采用的是透射结构，其优化变量较少，差和其他像差需要多镜组矫正，增加了系统的体量，最终成像波段较窄，视场较小。另外，也有一些采用反射式系统作为成像部分的，但采用的是常规的离轴式结构，未能充分利用反射式系统可折叠的优势，体积较大，无法应用到空间光学平台上。

技术实现要素：

3.为克服上述缺点，本技术在提出一种激光发射与成像共孔径的光学系统及设计方法，该系统可满足宽波段成像和不同波长激光发射的需求。
4.为了达到以上目的，本技术采用如下技术方案：
5.一种激光发射与成像共孔径光学系统，包括：扩束望远组、后置成像组、扩束望远组与后置成像组之间设置的二向镜，其中，
6.所述扩束望远组为包括a组主镜和a组次镜的离轴两反无焦卡塞格林系统，且a组主镜和a组次镜均为抛物面，a组主镜和a组次镜的焦点重合，无中间像点；
7.所述后置成像组为包括b组主镜、b组次镜和b组三镜组成的光路折叠的离轴三反射成像系统，其中，b组主镜、b组次镜和b组三镜均为自由曲面，b组次镜后的中间像点处设置平面反射镜。
8.优选地，作为激光发射光学系统时，激光束从二向镜一侧入射，经二向镜透射后，依次经a组次镜、a组主镜出射。
9.优选地，作为成像光学系统时，远处被观察物体的光束从a组主镜入射后经a组次镜、二向镜反射后进入后置成像组，在后置成像组中依次经过b组主镜、b组次镜和b组三镜，并成像于ccd或cmos上。
10.优选地，所述扩束望远组及后置成像组均采用全反射方式。
11.本技术还提供一种激光发射与成像共孔径光学系统的设计方法，包括如下步骤：
12.步骤1：设计共口径系统的扩束望远组；
13.步骤2：设计后置成像组；
14.步骤3：将步骤1得到的扩束望远组与步骤2得到的后置成像组拼接，其中，扩束望远组同时作为激光发射窗口和后置成像组的无焦望远部分；
15.步骤4：对拼接得到的系统进行视场扩展和结构的进一步优化，得到激光发射与成像共口径光学系统。
16.优选地，所述步骤1包括：
17.步骤1.1，根据同轴两反卡塞格林系统并基于计算式：
[0018][0019]
得到a组主镜、a组次镜的距f
′
a1
和f
′
a2
，再由曲率半径等于焦距两倍的关系得a组主镜、a组次镜的曲率半径r
a1
和r
a2
，即r
a1
＝2f
′
a1
，r
a2
＝2f
′
a2
，再按照轴向机械尺寸要求确定a组主镜与a组次镜间隔da，以确定同轴扩束系统的结构参数r
a1
、r
a2
、k
a1
、k
a2
、da。
[0020]
优选地，所述步骤1.1后还包括：
[0021]
步骤1.2，对同轴扩束系统进行离轴处理，基于计算式
[0022][0023]
以得到离轴量δ，p为装配余量，n为扩束倍率。
[0024]
优选地，所述步骤3中还包括：
[0025]
a组主镜与b组三镜产生交叠，添加45
°
角放置的二向镜使成像系统折转。
[0026]
有益效果
[0027]
与现有技术相比，本技术提出的激光发射与成像共孔径的光学系统，在计算中采用初级像差结合遗传算法的方法，提高了计算效率和初始系统的像质，减小了优化工作量。在结构上，通过采用共孔径、全反射、光路折叠的设计思路，最大限度减小了系统体量，且系统对差不敏感，可以满足宽波段成像和不同波长激光发射的需求。
附图说明
[0028]
附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本技术内容。
[0029]
图1为一种激光发射与成像共孔径光学系统结构示意图；
[0030]
图2为同轴两反卡塞格林系统的结构示意图；
[0031]
图3为离轴两反无焦卡塞格林系统光瞳离轴示意图；
[0032]
图4为扩束望远组仿真图；
[0033]
图5为扩束望远组轴上光束点列图；
[0034]
图6为同轴三反射系统的结构样式图；
[0035]
图7为同轴三反射系统仿真流程图；
[0036]
图8为进化代数与评价函数的变化曲线图；
[0037]
图9为后置成像组初始结构仿真图；
[0038]
图10为光路折叠的离轴三反射成像系统仿真图；
[0039]
图11为插入一块平面反射镜的后置成像系统仿真图；
[0040]
图12为扩束望远组与后置成像组拼接仿真图；
[0041]
图13为优化后的激光发射与成像共孔径光学系统仿真图；
[0042]
图14为本技术实施例的系统在可见光波段的点列图；
[0043]
图15为本技术实施例的系统在可将光波段的mtf曲线；
[0044]
图16为本技术实施例的系统在近红外波段(0.75～1.4μm)的mtf曲线；
[0045]
图17为本技术实施例的系统在短波红外波段(1.4～3μm)的mtf曲线；
[0046]
图18为本技术实施例的系统在中波红外波段(3～8μm)的mtf曲线；
[0047]
图19为本技术实施例的系统在长波红外波段的(8～15μm)的mtf曲线。
具体实施方式
[0048]
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0049]
除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“a组”、“b组”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者形状特征，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0050]
实施例一
[0051]
一种激光发射与成像共孔径光学系统，如图1所示，包括扩束望远组、后置成像组、扩束望远组与后置成像组之间设置的二向镜3，其中，
[0052]
所述扩束望远组为由a组主镜1和a组次镜2组成的离轴两反无焦卡塞格林系统，且a组主镜和a组次镜均为抛物面，a组主镜和a组次镜的焦点重合，无中间像点；
[0053]
所述后置成像组为由b组主镜4、b组次镜5和b组三镜7组成的光路折叠的离轴三反射成像系统，b组主镜、b组次镜和b组三镜均为自由曲面，b组次镜后的中间像点处设置平面反射镜6以折叠光路。
[0054]
本技术激光发射与成像共孔径的光学系统及可作为激光发射系统使用，也可作为成像系统使用；
[0055]
作为激光发射光学系统时，激光束从二向镜右侧入射，即激光束经二向镜透射后，依次经a组次镜、a组主镜出射。
[0056]
作为成像光学系统时，远处被观察物体的光束从a组主镜入射后经a组次镜、二向镜反射后进入后置成像组，后置成像组中依次经过b组主镜、b组次镜、平面反射镜、b组三镜成像于ccd或cmos上。
[0057]
本技术提出一种激光发射与成像共孔径的光学系统，该光学系统包括：前置扩束望远组、二向镜及后置成像组；该光学系统可用于空间光学平台上，最大限度减小了系统体量，且系统对差不敏感，可以满足宽波段成像和不同波长激光发射的需求，具有相当的
通用性。该光学系统采用共孔径、全反射、光路折叠的设计思路，减小了系统体量。
[0058]
实施例二
[0059]
一种激光发射与成像共孔径的光学系统设计方法，所述的激光发射与成像共孔径的光学系统可同时用于激光扩束和成像接收的系统；设计要求如下：用作激光扩束时，激光入射口径为100mm，出射口径600mm，光学系统轴向机械间距小于400mm，近轴区域可实现完善准直；用作成像接收时，入瞳口径为600mm，相对口径为0.25左右，x、y方向视场均大于0.2
°
，可实现可见光到远红外的宽波段的良好成像；另外，整个系统的体积要尽可能紧凑，以适用于空间光学平台。
[0060]
设计方法包括步骤1：设计共口径系统的扩束望远组；该部分采用离轴两反无焦卡塞格林系统形式，其a组主镜和a组次镜均为抛物面，a组主镜二次曲面系数k
a1
和a组次镜二次曲面系数k
a2
均为-1；先根据扩束望远组的扩束口径、倍率和轴向机械尺寸要求，推算出同轴两反卡塞格林系统的a组主镜和a组次镜的曲率半径r
a1
和r
a2
以及a组主镜和a组次镜间隔da；再利用装配余量p的要求和无遮拦条件，求出离轴两反无焦卡塞格林系统离轴量δ；
[0061]
具体包括如下步骤：
[0062]
步骤1.1，求同轴两反卡塞格林系统结构参数；根据图2的同轴两反卡塞格林系统的结构形式，有如下几何关系：
[0063][0064]
a组主镜和a组次镜的口径分别记为d
a1
、d
a2
；a组主镜和a组次镜的焦距分别记为f
′
a1
、f
′
a2
；a组主镜和a组次镜的曲率半径分别记为r
a1
和r
a2
；
[0065]
根据设定的d
a1
、d
a2
可解得a组主镜和a组次镜的焦距；再由曲率半径等于焦距两倍的关系可求得a组主镜和a组次镜的曲率半径，从而确定同轴两反卡塞格林系统的结构参数r
a1
、r
a2
、da、k
a1
、k
a2
；
[0066]
例如：给定d
a1
＝600，d
a2
＝100，da＝-350mm，可解得a组主镜和a组次镜的焦距f
′
a1
＝-420mm，f
′
a2
＝-70mm,再由曲率半径等于焦距两倍的关系可求得主次镜的曲率半径r1和r2，即r
a1
＝2f
′
a1
＝-840mm，r
a2
＝2f
′
a2
＝-140mm。
[0067]
步骤1.2，对同轴系统进行离轴处理；
[0068]
设离轴两反无焦卡塞格林系统离轴量δ，则出射光束相应地按扩束倍率向上平移为方便装配，留出装配余量p；由图3所示离轴两反无焦卡塞格林系统的几何关系有：
[0069][0070]
可以解得离轴量至此得到离轴两反无焦卡塞格林系统的所有参数；
[0071]
例如给定留出装配余量p＝20mm，离轴两反无焦卡塞格林系统的所有参数如表1所示；
[0072]
表1离轴两反无焦卡塞格林系统参数
[0073]
镜片曲率半径/mm间隔/mm圆锥系数离轴量/mma组主镜-840-350-1-444a组次镜-140
ꢀ‑
1 [0074]
按照表中参数在zemax中进行仿真可得到的扩束望远组如图4所示，添加理想透镜后的轴上光束点列图如图5所示，达到衍射极限，可以满足扩束系统的要求。
[0075]
步骤2：设计后置成像组；
[0076]
后置成像组采用紧凑型离轴三反射的形式，先用初级像差理论结合遗传算法求出单位焦距的同轴三反射系统，再在zemax中进行离轴化，同时在光路中插入平面反射镜以折叠光路；具体包括如下步骤：
[0077]
步骤2.1：设确定同轴三反射系统结构的参数为α1、α2、β1、β2、k
b1
、k
b2
、k
b3
，其中，α1、α2分别为b组次镜对b组主镜、b组三镜对b组次镜的遮拦率；β1、β2分别为b组次镜和b组三镜的垂轴放大率；k
b1
、k
b2
、k
b3
分别为b组主镜、b组次镜、b组三镜的二次曲面系数；系统间隔为d
b1
、d
b2
、d
b3
，其中，d
b1
、d
b2
分别为b组主镜与b组次镜、b组次镜与b组三镜的间隔，d
b3
为b组三镜到最终像点的距离；系统的五种单像差球差、彗差、像散、场曲和畸变分别为s1、s2、s3、s4、s5；b组三镜的曲率半径分别为r
b1
、r
b2
、r
b3
；接着，设入瞳位于b组主镜上，则系统的五种初级像差系数s
1～5
、系统间隔d
b1～b3
和镜面半径r
b1～b3
可用只包含α
1～2
、β
1～2
、k
b1～b3
的式子表示，即：
[0078][0079]
步骤2.2，用像差s
1～5
和系统间隔d
b1～b3
来构造包含系统像质与结构约束的评价函数；
[0080]
在一实施方式中，包括将像差的绝对值进行加权求和，以表示像质的好坏；另外，系统间隔按既定比例两两相减再求和，以保证系统结构形式不发生大的改变；具体形式如下：
[0081][0082]
其中w
1～5
为像差的权重，w6和w7为系统间隔差的权重；c1、c2为系统间隔的比例系数，以使优化结构满足d
b1
:d
b2
:d
b3
＝1:c1:c2的既定关系；该评价函数越小则表明系统像质越好，结构越紧凑；
[0083]
步骤2.3，利用遗传算法来求出使评价函数f最小时对应的系统参数α1、α2、β1、β2、k
b1
、k
b2
、k
b3
；
[0084]
在一实施方式中同轴三反射系统的结构样式如图6所示，根据图6中镜面的大小关系、各镜面前后的物像位置关系以及焦距的缩放关系，可大致确定遮拦比α1、α2，放大率β1、β2的取值范围。对于二次曲面系数，没有特殊的要求，给定合理的范围即可；系统间隔的比例系数c1、c2可以根据选定的系统样式确定。接着，给定参数的精度σ，对待求参数进行编码。可采用广泛使用的二进制编码形式，编码长度l可由下式计算得到：
[0085][0086]
其中x
max
和x
min
分别代表待求参数的上限和下限，ceil代表向上取整。则总的编码串长度为本实施方式中各参数的取值范围及计算所得的编码长度如表2所示。
[0087]
表2参数的取值范围和编码长度
[0088]
参数取值范围编码长度σ0.001无需编码α1[0,1]7α2[-3,-1]8β1[-3,-1]8β2[1,6]9k
b1
、k
b2
、k
b3
[-5,5]10c10.27无需编码c20.5无需编码
[0089]
步骤2.4，按照遗传算法标准流程，将系统评价函数f作为适应度函数进行迭代运算即可解得最优化系统结构参数α1、α2、β1、β2、k
b1
、k
b2
、k
b3
；
[0090]
在一实施方式中，如图7所示，本例中设置初始种的个体数量为50，最大进化代数为300代，交叉率和变异率分别为0.9和0.02。迭代过程中，进化代数与评价函数的变化曲线如图8所示，最终评价函数f的值趋于稳定，约为6.522，对应的系统参数解如表3所示；
[0091]
表3系统遮拦比、放大率及二次曲面系数参数表
[0092]
参数取值α10.1977α
2-1.6848β
1-2.3619β21.9844k
b1-0.9317k
b2-4.8049k
b3-0.3366
[0093]
利用前述关系式又可求得系统间隔d
b1～b3
和镜面半径r
b1～b3
反射镜半径；至此，用于模拟仿真的单位同轴系统参数d
b1～b3
、r
b1～b3
和k
b1～b3
已经全部确定，结果如表4所示。
[0094]
表4半径和间隔参数表
[0095]
半径和间隔数值/mmr
b1-0.426721r
b2-0.146290r
b3-0.223191d
b1-0.171185d
b2
0.267446d
b3-0.333047
[0096]
步骤2.5，按照最优化系统结构参数，对同轴三反射系统进行仿真，然后按入瞳口径和相对口径要求进行放大和离轴处理；
[0097]
在一个实例中，后置成像组初始结构仿真图如图9所示，成像系统的要求入瞳口径为db＝100mm，其位于成像主镜上，相对口径为f/#＝0.25。先设置单位焦距系统的入瞳口径为f/#，再按倍率将系统口径放大到实际口径100mm，此时系统焦距扩大为400mm。接着，对该系统进行离轴化处理，将光瞳离轴量设置为变量，利用ragy(光线全局y坐标)的diff(求差)操作数，控制入瞳下方边缘光线不被次镜遮拦。再添加系统默认最小光斑半径操作数对三反射镜的二次曲面系数进行优化，得到如图10所示的离轴扩束系统；然后，在次镜与三镜之间的中间像面插入一块平面反射镜，将光路进行折转压缩，最终得到后置成像组部分如图11所示；
[0098]
步骤3：如图12所示，将步骤1得到的扩束望远组与步骤2得到的后置成像组拼接，其中扩束望远组同时作为激光发射窗口和后置成像组的无焦望远部分；
[0099]
步骤4：对拼接得到的系统进行视场扩展和结构的进一步优化，得到激光发射与成像共口径光学系统。
[0100]
用作激光扩束时，激光入射口径为100mm，出射口径600mm，系统轴向机械间距小于400mm，近轴区域可实现完善准直。
[0101]
用作成像接收时，入瞳口径为600mm，相对口径为0.25左右，x、y方向视场均大于0.2
°
，可实现可见光到远红外的宽波段的良好成像。该系统的结构紧凑，以适用于空间光学平台。该系统的设计步骤：
[0102]
步骤3：将前面两步分别设计的扩束望远组和后置成像组进行拼接。其中扩束系统同时作为激光发射窗口和成像系统的无焦望远部分，是系统中共用的部分。为保证激光发射的准直性，在优化过程中保持扩束系统参数不改变，只利用成像系统的结构参数来矫正系统像差。接着，为给激光器的放置留出空间，同时避免在视场扩展过程中，扩束主镜与成像三镜产生交叠，添加45
°
角放置的二向镜。
[0103]
步骤4：为增大系统视场、提高像质并维持紧凑的基本结构不变，将后置成像组的三块二次曲面镜逐步扩展为以泽尼克系数表征的自由曲面面型，以泽尼克多项式为优化变量，经过多次视场调整和优化后，系统的视场增大为0.3
°×
0.4
°
，最终得到激光发射与成像共口径光学系统，如图13所示，整个系统的三维尺寸仅为922mm
×
623mm
×
600mm。图14为该系统在可见光波段的点列图，图15、图16、图17、图18和图19分别为系统在可见光、近红外(0.75～1.4μm)、短波红外(1.4～3μm)、中波红外(3～8μm)和长波红外(8～15μm)的调制传递函数(mtf)。由点列图和mtf曲线可以看出，该系统在较宽波段内均具有接近衍射极限的
像质，满足成像需求。
[0104]
本发明提供的一种激光发射与成像共口径系统的和设计流程具有以下优点。激光发射与成像共口径系统在一个系统中可同时实现激光发射扩束以及对远处目标成像。系统的激光发射和成像部分均采用全反射和压缩光路的设计，其中，离轴两反射的激光发射系统是根据发射口径、扩束倍率及系统尺寸要求计算获得；折叠光路的离轴三反射成像系统是在同轴三反射系统的基础上优化和改造得到，首先构造出同轴三反射系统的像质与结构评价函数，利用遗传算法求出使该函数值最小时对应的系统结构参数，得到像差与结构平衡的同轴三反射初始结构，接着对该系统进行离轴化，同时为了减少系统体积，在次镜后的中间像面插入倾斜放置的平面反射镜，将后续光路折转到主/次镜之间。
[0105]
激光发射系统和后置成像组设计好后，再将两系统组合，并利用二向镜将发射的激光束和接收的成像光束进行分隔。
[0106]
最后为增大系统的视场、提高像质，同时保证紧凑的结构不发生较大改变，将后置成像组的三面反射镜逐步扩展为以泽尼克多项式表征的自由曲面面型，以泽尼克系数为变量进行优化，得到视场扩大、像质优良的紧凑型、宽波段的最终系统。
[0107]
上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种激光发射与成像共孔径光学系统，其特征在于，包括：扩束望远组、后置成像组、扩束望远组与后置成像组之间设置的二向镜，其中，所述扩束望远组为包括a组主镜和a组次镜的离轴两反无焦卡塞格林系统，且a组主镜和a组次镜均为抛物面，a组主镜和a组次镜的焦点重合，无中间像点；所述后置成像组为包括b组主镜、b组次镜和b组三镜组成的光路折叠的离轴三反射成像系统，其中，b组主镜、b组次镜和b组三镜均为自由曲面，b组次镜后的中间像点处设置平面反射镜。2.如权利要求1所述的激光发射与成像共孔径光学系统，其特征在于，作为激光发射光学系统时，激光束从二向镜一侧入射，经二向镜透射后，依次经a组次镜、a组主镜出射。3.如权利要求1所述的激光发射与成像共孔径光学系统，其特征在于，作为成像光学系统时，远处被观察物体的光束从a组主镜入射后经a组次镜、二向镜反射后进入后置成像组，在后置成像组中依次经过b组主镜、b组次镜和b组三镜，并成像于ccd或cmos上。4.如权利要求1所述的激光发射与成像共孔径光学系统，其特征在于，所述扩束望远组及后置成像组均采用全反射方式。5.如权利要求1-4中任一项所述的激光发射与成像共孔径光学系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：设计共口径系统的扩束望远组；步骤2：设计后置成像组；步骤3：将步骤1得到的扩束望远组与步骤2得到的后置成像组拼接，其中，扩束望远组同时作为激光发射窗口和后置成像组的无焦望远部分；步骤4：对拼接得到的系统进行视场扩展和结构的进一步优化，得到激光发射与成像共口径光学系统。6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1，根据同轴两反卡塞格林系统并基于计算式：得到a组主镜、a组次镜的距f
′
a1
和f
′
a2
，再由曲率半径等于焦距两倍的关系得a组主镜、a组次镜的曲率半径r
a1
和r
a2
，即r
a1
＝2f
′
a1
，r
a2
＝2f
′
a2
，再按照轴向机械尺寸要求确定a组主镜与a组次镜间隔d
a
，以确定同轴扩束系统的结构参数r
a1
、r
a2
、k
a1
、k
a2
、d
a
。7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1.1后还包括：步骤1.2，对同轴扩束系统进行离轴处理，基于计算式以得到离轴量δ，p为装配余量，n为扩束倍率。8.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，
所述步骤3中还包括：a组主镜与b组三镜产生交叠，添加45
°
角放置的二向镜使成像系统折转。

技术总结

本申请公开一种激光发射与成像共孔径的光学系统及设计方法。该系统包括前置扩束望远组、二向镜和后置成像组组成，其中扩束望远组为离轴两反无焦卡塞格林系统，主镜和次镜均为抛物面，两镜焦点重合且无中间像点；成像系统为光路折叠的离轴三反射成像系统，主镜、次镜和三镜均为自由曲面，次镜后的中间像点处插入平面反射镜以折叠光路；系统采用全反射的设计形式，对差不敏感，可满足不同波长激光的扩束及宽波段成像需求，具有相当的通用性。扩束系统和成像系统均采用了体积压缩的结构，成像系统采用自由曲面面型，共孔径的设计，结合反射式系统重量轻的优点，使得最终系统具有较小的体量、较大的视场和较好的像质，可用于小型移动平台。型移动平台。型移动平台。