基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪

1.本发明涉及aotf成像光谱仪领域中的光学系统，具体涉及一种基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪，其中，变焦系统为基于变曲率反射镜的离轴三反主动连续变焦光学系统。


背景技术：

2.本发明涉及aotf成像光谱仪领域中的光学系统,具体涉及基于变曲率反射镜的主动连续变焦光学系统，特别适用于星载、航天和深空探测等多个领域。
3.aotf成像光谱仪是一种非常高效的定量探测仪器，它可以获得探测目标的连续单色光谱图像，提供探测目标的空间和光谱特征细节。为了使光谱仪工作时可以在短焦距处对目标进行大范围搜索，在长焦距处对目标进行详细观察，要求其光学成像系统具有变焦功能。
4.变焦光学系统可以实现对不同距离物体的清晰成像。传统的变焦光学系统的构成基本上是由运动光学元件来实现。对于这种形式，系统在设计与加工完成之后，每个组元的焦距就是固定不变的，因此只能通过改变各组元之间的距离来达到焦距变化的目的。而无运动部件的主动变焦光学系统，是通过控制主动光学元件的曲率、折射率等的变化来实现系统光焦度的改变。与传统变焦方式不同，主动变焦不仅能够做到实时响应同时又能提供较大范围的曲率变化，是一种新型快速的成像方式。
5.目前，变焦光学系统相关技术中的设计多为透射式光学系统，系统总长较长，采用镜面数较多，无法实现光学系统的轻量化。与其相较，反射式光学系统具有无色差、光路可折叠、能量利用率高等特点。其中，离轴三反光学系统具备宽光谱、大视场、高成像分辨率、易控制杂散光等特性,在成像光谱仪中得到了广泛的应用。离轴三反光学系统因光阑离轴或视场离轴实现了无中心遮拦，这有利于提高系统的光通量和点扩散函数质量。
6.目前现有技术中暂无适用于aotf成像光谱仪的大变倍比反射式主动连续变焦光学系统。崔成君提出基于aotf的超光谱变焦光学系统设计，其中的光学系统为透射式机械变焦系统(参见文献“崔成君.基于aotf的超光谱变焦光学系统设计[d].长春理工大学，2013.”)；赵昭等提出基于aotf的光谱相机前置变焦光学系统设计，光学系统为透射式机械变焦系统(参见文献“赵昭，安志勇，高铎瑞，王劲松，蔡红星，钟刘军.aotf光谱相机前置变焦光学系统设计[j].应用光学，2014，35(04):580-585.”)。


技术实现要素：

[0007]
本发明目的在于解决现有aotf成像光谱仪采用变焦光学系统无法实现大变倍比且调焦通过机械方式实现导致系统不稳定，调试反应慢的技术问题，提出一种基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪，探索适用于aotf成像光谱仪的反射式主动连续变焦光学系统，采用前置主动连续变焦和定焦投影系统的组合变焦形式，达到高变倍比，低畸变，高成像质量，高空间分辨率的稳定成像效果。
[0008]
本发明技术方案为：
[0009]
一种基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪，其特殊之处在于：包括沿信号传递方向依次设置的所述离轴三反主动连续变焦系统、aotf、投影系统、ccd、电子器件和cpu；其中，所述离轴三反主动连续变焦系统、aotf和投影系统沿光路依次设置，组成光学系统；
[0010]
定义，入射光线传入离轴三反主动连续变焦系统的一侧为物方，出射光线传出离轴三反主动连续变焦系统的一侧为像方；
[0011]
所述离轴三反主动连续变焦系统包括变形驱动组件和沿光线传输方向依次设置的主镜、孔径光阑、次镜和三镜，主镜、次镜和三镜均为变曲率反射镜；
[0012]
所述孔径光阑设置在离轴三反主动连续变焦系统的物方焦平面上，物方焦平面设置在次镜上，用于形成像方远心光路系统；
[0013]
根据确定的主镜、次镜和三镜之间的距离及后截距搭建离轴三反主动连续变焦系统；
[0014]
所述变形驱动组件分别与主镜、次镜和三镜连接，用于根据实际所需调节主镜、次镜和三镜的曲率半径；
[0015]
所述投影系统用于将前置离轴三反主动连续变焦系统在aotf上的成像投影在ccd上，实现光谱仪中光学系统的二次成像；
[0016]
所述cpu的一个输出端与ccd连接，另一个输出端与射频驱动器连接，用于分别向ccd和射频驱动器发射控制信号；所述射频驱动器与aotf相接，用于向aotf发射控制信号以实现对光信号谱段的选择。
[0017]
进一步地，所述离轴三反主动连续变焦系统的变焦范围为150mm～600mm，变倍比为4
×
，视场角为4.68
°
～1.17
°
，入瞳直径为40mm，f数为3.75～15，系统空间分辨率在5km处优于0.5m。
[0018]
进一步地，所述投影系统为定焦投影系统，投影系统放大率为n
×
，n≥1；
[0019]
所述光学系统的变焦范围为150mmn～600mmn，变倍比为4n
×
。
[0020]
进一步地，所述变形驱动组件为电压驱动组件，用于通过电压的调节实现对主镜、次镜和三镜的曲率半径进行调节。
[0021]
进一步地，所述孔径光阑设置在次镜的表面，孔径光阑连接在次镜上或孔径光阑与次镜为一体结构。
[0022]
进一步地，所述确定的主镜、次镜和三镜之间的距离及后截距采用以下步骤确定：
[0023]
s1、根据主动反射式变焦光学系统设计理论，得到三反式主动变焦系统的总光焦度f、后截距l3与各镜光焦度关系式：
[0024][0025][0026]
其中，d1为主镜与次镜之间的水平距离，d2为次镜与三镜之间的水平距离，为主镜的光焦度，为次镜的光焦度，为三镜的光焦度；
[0027]
结合三阶像差理论，获取离轴三反主动连续变焦系统的初始结构；所述离轴三反主动连续变焦系统的初始结构中，沿入射光线传输方向依次设置的主镜、次镜和三镜，主
镜、次镜和三镜均为变曲率反射镜；
[0028]
s2、根据离轴三反主动连续变焦系统的目标参数，优化离轴三反主动连续变焦系统的结构参数，所述目标参数包括目标变倍比、目标连续变焦范围及目标连续变焦范围内像方远心，目标变倍比为4
×
，目标连续变焦范围为150mm～600mm；优化过程为：
[0029]
s2.1、设置主镜、次镜和三镜的偏心和倾斜量及离轴三反主动连续变焦系统的离轴量，用于保证离轴系统结构的稳定性；
[0030]
s2.2、根据步骤s1，选择d1、d2、l3其中一组，定义为d
′1、d
′2、l
′3并保持不变，通过改变主镜、次镜和三镜的曲率半径，实现对和调节，且满足若通过改变主镜、次镜和三镜的曲率半径，离轴三反主动连续变焦系统在目标连续变焦范围内实现连续变焦，且同时满足目标变倍比和目标连续变焦范围内像方远心，则进入步骤s2.3；若通过改变主镜、次镜和三镜的曲率半径，无法实现目标参数，则选择其他组d
′1、d
′2、l
′3或返回步骤s2.1并重新设置主镜、次镜和三镜的偏心和倾斜量及离轴三反主动连续变焦系统的离轴量，直至离轴三反主动连续变焦系统在目标连续变焦范围内实现连续变焦，且同时满足目标变倍比和目标连续变焦范围内像方远心，进入步骤s2.3；
[0031]
s2.3、根据选择的d
′1、d
′2和l
′3，获得目标连续变焦范围内，离轴三反主动连续变焦系统的总光焦度f与主镜、次镜和三镜曲率半径的映射关系，完成离轴三反主动连续变焦系统的结构参数确定。
[0032]
进一步地，步骤s2.1中，设置主镜、次镜和三镜的偏心和倾斜量，使满足：入射光上边缘光线低于次镜下边缘，出射光下边缘光线高于次镜上边缘，主镜的上边缘低于三镜的下边缘；
[0033]
离轴三反主动连续变焦系统的离轴量为2～3。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
1、本发明提供的离轴三反主动连续变焦系统为像方远心系统，其优势在于与aotf和投影系统连接时，主光线的位置不随目标物体位置而变化，不影响测量物体高度，可有效消除视差，为后续衔接投影系统和系统的加工增加便利。
[0036]
2、本发明提供的基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪实现变倍比为4
×
的前置全反射式大变倍比主光线稳定的主动变焦光学系统，后接放大率为n
×
的定焦投影系统，实现光谱仪变倍比为4n
×
的大变倍比主动变焦功能。
[0037]
3、本发明提供的离轴三反主动连续变焦系统基于目标变倍比和目标连续变焦范围对离轴三反光学结构进行优化，获得结构参数，通过对变曲率反射镜结构参数的确定，有利于搭建满足使用需求的离轴三反主动连续变焦系统。
[0038]
4、本发明提供的基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪具有连续变焦成像功能，光谱仪无机械运动部件，全电调谐，响应速度快，具有良好的成像质量。
[0039]
5、本发明提供的基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪可实现反射式主动变焦光学系统150-600mm连续变焦功能，变焦过程中成像像质均为良好，且像面稳定。
[0040]
6、本发明基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪采用离轴三反消像散结构，光学系统体积小，质量轻，结构紧凑对称，更好地实现系统的像差的矫正
和平衡，系统无中心遮拦，无色差，不受工作谱段限制，可以在星载、航天和深空探测等领域广泛应用。
附图说明
[0041]
图1为本发明基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪结构示意图；
[0042]
图2为本发明实施例中离轴三反主动连续变焦系统结构示意图；
[0043]
图3为本发明实施例中离轴三反主动连续变焦系统简化模型示意图
[0044]
图4为本发明实施例中主镜的曲率半径变化与焦距变化关系图；
[0045]
图5为本发明实施例中次镜的曲率半径变化与焦距变化关系图；
[0046]
图6为本发明实施例中三镜的曲率半径变化与焦距变化关系图；
[0047]
图7为本发明实施例中短焦处变焦光学系统的畸变网格图；
[0048]
图8为本发明实施例中中焦处变焦光学系统的畸变网格图；
[0049]
图9为本发明实施例中长焦处变焦光学系统的畸变网格图；
[0050]
图10为本发明实施例中短焦处变焦光学系统的调制传递函数图；
[0051]
图11为图10中a处放大图；
[0052]
图12为本发明实施例中中焦处变焦光学系统的调制传递函数图；
[0053]
图13为图12中b处放大图；
[0054]
图14为本发明实施例中长焦处变焦光学系统的调制传递函数图；
[0055]
图15为图14中c处放大图。
[0056]
附图标记如下：
[0057]
1-入射光线，2-主镜，3-次镜，4-三镜，5-子午方向衍射极限，6-弧矢方向0视场mtf曲线，7-子午方向0视场mtf曲线，8-子午方向0.7视场mtf曲线，9-子午方向1视场mtf曲线，10-弧矢方向0.7视场mtf曲线，11-弧矢方向1视场mtf曲线。
具体实施方式
[0058]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0059]
此处所称的“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“其他实施例”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0060]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0061]
定义，光线传入离轴三反主动连续变焦系统的一侧为物方，光线传出离轴三反主动连续变焦系统的一侧为像方。
[0062]
本实施例中，首先确定主镜2、次镜3和三镜4之间的距离及后截距，具体步骤如下：
[0063]
s1、根据主动反射式变焦光学系统设计理论，如图3所示，m1、m2、m3分别为主镜2、
次镜3和三镜4，各镜间间距d1、d2，分别代表三个反射镜的光焦度，图中正负透镜仅为示意，不代表实际光焦度的正负，l2代表系统的后截距。根据矩阵光学理论，三个反射镜的光学变换矩阵可表示为：
[0064][0065]
两镜之间的光学过渡矩阵可表示为:
[0066][0067]
因此整个系统的光学变换矩阵可表示为:
[0068][0069]
根据(3)式得出离轴三反主动连续变焦系统的总光焦度f和后截距l2计算公式为
[0070][0071][0072]
其中，d1为主镜2与次镜3之间的水平距离，d2为次镜3与三镜4之间的水平距离，为主镜2的光焦度，为次镜3的光焦度，为三镜4的光焦度，结合三阶像差理论，获取离轴三反主动连续变焦系统的初始结构。离轴三反主动连续变焦系统的初始结构中，沿光线传输方向依次设置的22、次镜3和三镜4，主镜2、次镜3和三镜4均为变曲率反射镜；主镜2与次镜3之间的初始水平距离为d1，次镜3与三镜4之间的初始水平距离为d1，初始水平距离d1和d1用于后续优化时取值的参考基础值；主镜2的初始曲率半径为r1，次镜3的初始曲率半径为r2，三镜4的初始曲率半径为r3，根据初始结构中的主镜2、次镜3和三镜4的初始曲率半径值，在进行后续优化时，如果出现的曲率半径跳跃值或突变值，让其回归到初始值附近，最大程度保持变焦过程中反射镜曲率半径变化的“顺滑”，同时达到曲率半径变化范围最小。
[0073]
s2、根据离轴三反主动连续变焦系统的目标参数，优化离轴三反主动连续变焦系统的结构参数，目标参数包括目标变倍比为4
×
，目标连续变焦范围为150mm～600mm及目标连续变焦范围内均实现像方远心；优化过程具体为：
[0074]
s2.1、通过约束主镜2、次镜3和三镜4的偏心和倾斜量及离轴三反主动连续变焦系统的离轴量，用于保证离轴系统结构的稳定性；具体的，约束主镜2、次镜3和三镜4的偏心和倾斜量使满足：入射光上边缘光线低于次镜3下边缘，出射光下边缘光线高于次镜3上边缘，主镜2的上边缘低于三镜4的下边缘；离轴三反主动连续变焦系统的离轴量为2～3时，可以满足全焦范围内的系统光线无遮拦。
[0075]
2.2、根据步骤s1，选择的一组d1、d2、l3，定义为d
′1、d
′2和l
′3并保持不变，通过改变主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径，实现对和调节，且满足若通过改变主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径，离轴三反主动连续变焦系统在目标连续变焦范围内实现连续变焦，且同时满足目标变倍比和目标连续变焦范围内像方远心，则进入步骤s2.3；若通过改变主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径，无法实现目标参数，则选择其他组d
′1、d
′2、
l
′3或返回步骤s2.1并重新设置主镜2、次镜3和三镜4的偏心和倾斜量及离轴三反主动连续变焦系统的离轴量，直至离轴三反主动连续变焦系统在目标连续变焦范围内实现连续变焦，且同时满足目标变倍比和目标连续变焦范围内像方远心，进入步骤s2.3；
[0076]
s2.3、根据选择的d
′1、d
′2和l
′3，获得目标连续变焦范围内，离轴三反主动连续变焦系统的总光焦度f与主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径的映射关系，完成离轴三反主动连续变焦系统的结构参数确定。
[0077]
目前现有技术中存在无法兼顾主动变焦光学系统大变倍比和低中心形变量的问题，对于变曲率镜，镜面的中心型变量由下公式表示
[0078][0079]
式中δz为镜面中心型变量，r为曲率半径，d为镜面口径。不难看出，若想中心形变量小，要求曲率半径变化范围小，同时曲率半径和镜面口径相差大，即曲率半径值更大，口径值更小。在离轴三反结构中，通常镜面的曲率半径大小与镜面焦距正相关，所以为评估不同变焦范围系统的镜面曲率变化大小，使用归一化的曲率半径单位变化量为评价标准，即曲率半径单位变化量＝曲率半径变化量/最小焦距。
[0080]
参见图1，基于上述确定的参数组建离轴三反主动连续变焦系统，本实施例还提供一种基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪，该光谱仪包括采用上述离轴三反主动连续变焦系统，沿信号传递方向，光谱仪依次设置的离轴三反主动连续变焦系统、aotf、投影系统、ccd、电子器件和cpu；其中，离轴三反主动连续变焦系统、aotf和投影系统组成光学系统；采用的离轴三反主动连续变焦系统为离轴三反消像散结构，光学系统体积小，为195*150*152mm，质量轻，结构紧凑对称，更好地实现系统的像差的矫正和平衡，系统无中心遮拦，无色差，不受工作谱段限制，可以在星载、航天和深空探测等领域广泛应用。
[0081]
参见图2，离轴三反主动连续变焦系统包括变形驱动组件和沿入射光线1传输方向依次设置的主镜2、孔径光阑、次镜3和三镜4，孔径光阑设置在离轴三反主动连续变焦系统的物方焦平面上，物方焦平面设置在次镜3上，用于形成像方远心光路系统，使得离轴三反主动连续变焦系统在与aotf和投影系统连接时，主光线的位置不随目标物体位置而变化，不影响测量物体高度，可有效消除视差。孔径光阑设置在次镜3的表面，孔径光阑可以通过胶接等方式连接在次镜3上，也可以是孔径光阑与次镜3为一体结构。
[0082]
主镜2、次镜3和三镜4均为变曲率反射镜，主镜2、次镜3和三镜4之间的距离及后截距采用上述离轴三反主动连续变焦系统设计方法确定的d
′1、d
′2和l
′3，实现离轴三反主动连续变焦系统的变焦范围为150mm～600mm，变倍比为4
×
，视场角为4.68
°
～1.17
°
，入瞳直径为40mm，f数为3.75～15，系统空间分辨率在5km处优于0.5m。
[0083]
变形驱动组件分别与主镜2、次镜3和三镜4连接，用于根据实际所需调节主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径；变形驱动组件为电压驱动组件，用于通过电压的调节实现对主镜
2、次镜3和三镜4的曲率半径进行调节，使整个离轴三反主动连续变焦系统为无机械运动部件，为全电调谐，响应速度快，成像质量好。
[0084]
投影系统为定焦投影系统，用于将前置离轴三反主动连续变焦系统在aotf上的成像投影在ccd上实现光谱仪中光学系统的二次成像；本实施例中投影系统放大率为2
×
；光学系统的变焦范围为300mm～1600mm，变倍比为8
×
，可以理解的是，在其他实施例中，投影系统放大率由aotf和ccd参数确定，可选放大率更高的投影系统，实现光谱仪大变倍比变焦功能。cpu的一个输出端与ccd连接，另一个输出端与射频驱动器连接，用于分别向ccd和射频驱动器发射控制信号；射频驱动器与aotf相接，用于向aotf发射控制信号以实现对光信号谱段的选择。本实施例提供的基于大变倍比离轴三反主动连续变焦系统的组合变焦光谱仪为实现aotf成像光谱仪大变倍比的连续变焦功能，采用前置变焦系统(离轴三反主动连续变焦系统)和后置定焦系统(投影系统)的组合变焦方式；前置变焦系统可实现较高变倍比的连续变焦功能，后置定焦系统可实现光学系统较高的放大倍率，组合变焦可有效实现光谱仪大变倍比的连续变焦功能。
[0085]
上述光谱仪的调节过程包括以下步骤：
[0086]
a1、启动光谱仪，根据应用场景，获取离轴三反主动连续变焦系统所需的目标总光焦度f0；
[0087]
a2、根据目标连续变焦范围150mm～600mm内，离轴三反主动连续变焦系统的总光焦度f与主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径的映射关系，获得目标总光焦度f0对应的主镜曲率半径r1、次镜曲率半径r2和三镜曲率半径r3；
[0088]
a3、如图4-图6所示，调节主镜2、次镜3和三镜4的曲率半径，使满足主镜曲率半径为r1、次镜曲率半径为r2和三镜曲率半径为r3，以获得目标总光焦度f0；
[0089]
a4、使入射光线1经步骤a3调节后的主镜2、次镜3和4后成像在aotf上，aotf根据射频驱动器的射控制信号进行光谱段选择后，经投影系统将光信号传输给ccd，经ccd转换后生成电信号传输给电子器件，电子器件将电信号转换为数字信号传输给cpu进行运算处理。
[0090]
根据上述方法，本实施例设计一种离轴三反主动连续变焦系统，其结构参数如表1所示。
[0091]
表1
[0092][0093]
表中的短焦处焦距为150mm，中焦处焦距为300mm，长焦处焦距为600mm。
[0094]
根据表1中的参数设计的离轴三反主动连续变焦系统，获得短焦处、中焦处和长焦处变焦光学系统的畸变网格图(参见图7-图9)，及短焦处、中焦处和长焦处的变焦光学系统
的调制传递函数(mtf)图(参见图10-图12)，根据图7-图9所示，短焦处变焦光学系统畸变值最大为0.40％，中焦处变焦光学系统的畸变值最大为0.42％，长焦处变焦光学系统的畸变值最大为1.67％，畸变值较小，成像质量高；根据图10-图15所示，各个曲线分别对应，子午方向衍射极限5、弧矢方向0视场mtf曲线6、子午方向0视场mtf曲线7、子午方向0.7视场mtf曲线8、子午方向1视场mtf曲线9、弧矢方向0.7视场mtf曲线10和弧矢方向1视场；短焦处变焦光学系统在空间频率34lp/mm处的全视场mtf值大于0.8，接近衍射极限，中焦处变焦光学系统在空间频率34lp/mm处的全视场mtf值大于0.8，接近衍射极限，长焦处变焦光学系统在空间频率34lp/mm处的全视场mtf值大于0.6，接近衍射极限，该光学系统在全变焦范围内成像质量良好。