一种成像光学系统

摘要

本发明涉及光学成像技术领域，公开一种成像光学系统，包括第一离轴反射镜、第一透镜组、DMD微镜阵列、第二离轴反射镜、成像镜组和探测器，目标物体发出的光经所述第一离轴反射镜会聚，进入所述第一透镜组，成像于所述DMD微镜阵列上，成像光束由所述DMD微镜阵列反射后再次经过所述第一透镜组，然后经所述第二离轴反射镜准直后，进入所述成像镜组，然后成像于所述探测器上。上述系统利用DMD作中间像面及部分对称的光学结构设计，巧妙地实现了DMD微镜阵列与探测器像元在空间上一一对应的关系，从而达到对成像系统入场光线的处理。利用DMD器件与探测器像元的对应成像关系，可以调整探测器靶面的灰度，从而扩大光电成像系统的动态范围。

权利要求

1.一种成像光学系统，其特征在于，包括第一离轴反射镜、第一透镜组、DMD微镜阵列、第二离轴反射镜、成像镜组和探测器，目标物体发出的光经所述第一离轴反射镜会聚，进入所述第一透镜组，成像于所述DMD微镜阵列上，成像光束由所述DMD微镜阵列反射后再次经过所述第一透镜组，然后经所述第二离轴反射镜准直后，进入所述成像镜组，然后成像于所述探测器上；

所述成像光学系统的设计遵循右手坐标法则，Z轴为系统光轴，且与所述DMD微镜阵列的基底法线相重合，光线入射方向与Z轴平行，指向正方向；

所述第一离轴反射镜在YOZ平面内，以口径离轴的方式，沿Y方向偏置，偏置量不小于所述第一离轴反射镜的通光口径，所述第二离轴反射镜在XOZ平面内，以口径离轴的方式，沿X方向偏置，所述第二离轴反射镜沿X方向的偏置量与所述第一离轴反射镜沿Y方向的偏置量相同，所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜具有相同的面型参数，光线在两块离轴反射镜之间所经过的光路关于所述DMD微镜阵列的法线对称，所述第二离轴反射镜绕所述DMD微镜阵列的法线顺时针旋转90°后与所述第一离轴反射镜重合。

2.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统的入瞳位于光束入射方向上所述第一离轴反射镜之后。

3.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜均为凹面的二次曲面，具有负光焦度。

4.根据权利要求3所述的成像光学系统，其特征在于，所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜的二次曲面的面型表达式均为：其中，Z为面型矢高，C为顶点曲率半径，K为二次曲面系数，r为径向坐标。

5.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组由依次设置的4片透镜构成，所述4片透镜均为球面镜，所述第一透镜组具有负光焦度。

6.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述DMD微镜阵列的尺寸为2560×1600、1920×1080或1024×768。

7.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像镜组为折反射式结构，包括沿光路设置的第三离轴反射镜和第二透镜组，所述第三离轴反射镜和所述第一离轴反射镜具有相同的参数，所述第二透镜组和所述第一透镜组具有相同的参数。

8.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜的材料均为微晶、融石英或碳化硅。

说明书

一种成像光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种成像光学系统。

背景技术

[0002] DMD是一种近年来比较热门的空间光调制器，主要用于投影仪、目标发生器等光学系统。DMD对光强的调制是通过控制它上面上百万个微镜的翻转实现的，每一个微镜可以单独的控制。通过改变微镜所对应的数据单元中的数据，可以控制微镜的状态。

[0003] 图像传感器作为一种主要的光电成像设备，其可探测动态范围一般为48～60dB，成为制约光电成像系统探测范围的主要因素。高动态范围成像技术在深空探测、医学成像、军事观测等领域有着紧迫的需求。通常情况下，可采用多次曝光的软件处理方法或增加探测器数量的硬件方法来提高光电系统的动态范围，然而，前者基于时域的多次曝光技术无法探测高速动态目标，后者增加探测器的硬件方法大大增加系统的成本且需要大量的事后处理来完成图像融合。

发明内容

[0004] 本发明旨在克服现有图像传感器动态范围对光电系统探测动态范围的制约，提供一种满足高动态辐射能量特性场景测量和观察需求的成像光学系统。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 本发明提供一种成像光学系统，包括第一离轴反射镜、第一透镜组、DMD微镜阵列、第二离轴反射镜、成像镜组和探测器，目标物体发出的光经所述第一离轴反射镜会聚，进入所述第一透镜组，成像于所述DMD微镜阵列上，成像光束由所述DMD微镜阵列反射后再次经过所述第一透镜组，然后经所述第二离轴反射镜准直后，进入所述成像镜组，然后成像于所述探测器上；

[0007] 所述成像光学系统的设计遵循右手坐标法则，Z轴为系统光轴，且与所述DMD微镜阵列的基底法线相重合，光线入射方向与Z轴平行，指向正方向；

[0008] 所述第一离轴反射镜在YOZ平面内，以口径离轴的方式，沿Y方向偏置，偏置量不小于所述第一离轴反射镜的通光口径，所述第二离轴反射镜在XOZ平面内，以口径离轴的方式，沿X方向偏置，所述第二离轴反射镜沿X方向的偏置量与所述第一离轴反射镜沿Y方向的偏置量相同，所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜具有相同的面型参数，光线在两块离轴反射镜之间所经过的光学路径关于所述DMD微镜阵列的法线对称，所述第二离轴反射镜绕所述DMD微镜阵列的法线顺时针旋转90°后与所述第一离轴反射镜重合。

[0009] 一些实施例中，所述成像光学系统的入瞳位于光束入射方向上所述第一离轴反射镜之后。

[0010] 一些实施例中，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜均为凹面的二次曲面，具有负光焦度。

[0011] 一些实施例中，所述第一离轴反射镜与所述第二离轴反射镜的二次曲面的面型表达式均为：

[0012]

[0013] 其中，Z为面型矢高，C为顶点曲率半径，K为二次曲面系数，r为径向坐标。

[0014] 一些实施例中，所述第一透镜组由依次设置的4片透镜构成，所述4片透镜均为球面镜，所述第一透镜组具有负光焦度。

[0015] 一些实施例中，所述DMD微镜阵列的尺寸为2560×1600、1920×1080或1024×768。

[0016] 一些实施例中，所述成像镜组为折反射式结构，包括沿光路设置第三离轴反射镜和第二透镜组，所述第三离轴反射镜和所述第一离轴反射镜具有相同的参数，所述第二透镜组和所述第一透镜组具有相同的参数。

[0017] 一些实施例中，所述成像镜组为共轴折反射式结构，包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第一反射镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第二反射镜。

[0018] 一些实施例中，所述第一离轴反射镜和所述第二离轴反射镜的材料均为微晶、融石英或碳化硅。

[0019] 本发明的有益效果在于：上述DMD微镜阵列作为中间像面的成像光学系统，利用DMD微镜阵列的工作特性，实现了DMD微镜阵列与探测器像元的一一匹配，达到调整探测器像面灰度的目的，从而扩大光电成像系统的探测动态范围，满足高动态辐射能量特性场景测量和观察的需求，可应用于深空探测，医学成像，军事观测等领域。上述成像光学系统，在DMD微镜阵列所在的一次像面上，各视场光学调制传递函数在Nyquist频率处均大于0.70，畸变接近于0。此外，上述成像光学系统将DMD微镜阵列置于中间像面且采用了部分对称的结构形式，使得从一次像面出射的光束为近准直光，实现了成像镜组的可替换性，扩展了上述成像光学系统的适用性，用户可根据实际需求来选择适合的成像镜组结构形式。与此同时，上述成像光学系统具有成像质量好，结构紧凑，加工、装调难度低等特点。

附图说明

[0020] 图1示意性示出根据本发明的实施例1的成像光学系统的光学结构示意图。

[0021] 图2示意性示出根据本发明的实施例1的成像光学系统的光学结构中光线方向示意图。

[0022] 图3为根据本发明的实施例1的成像光学系统中第一透镜组的光学结构示意图。

[0023] 图4为本发明的实施例1的成像光学系统的中间像面的光学调制传递函数曲线。

[0024] 图5为本发明的实施例1的成像光学系统的二次像面的光学调制传递函数曲线。

[0025] 图6示意性示出根据本发明的实施例2的成像光学系统的光学结构示意图。

[0026] 图7示意性示出根据本发明的实施例2的成像光学系统的光学结构中光线方向示意图。

[0027] 图8为本发明的实施例2的成像光学系统的成像镜组的光学结构示意图。

[0028] 图9为本发明的实施例2的成像光学系统的二次像面的光学调制传递函数曲线。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

[0030] 首先参考图1和图2，示出了根据本发明一个实施例的成像光学系统100，包括第一离轴反射镜110、第一透镜组120、DMD微镜阵列130、第二离轴反射镜140、成像镜组和探测器160。目标物体发出的光经第一离轴反射镜110会聚，进入第一透镜组120，成像于DMD微镜阵列130上，成像光束由DMD微镜阵列130反射后再次经过第一透镜组120，然后经第二离轴反射镜140准直后，进入成像镜组，然后成像于探测器160上。

[0031] 成像光学系统100的设计遵循右手坐标法则，Z轴为系统光轴，且与DMD微镜阵列130的基底法线相重合，光线入射方向与Z轴平行，指向正方向。

[0032] 第一离轴反射镜110在YOZ平面内，以口径离轴的方式，沿Y方向偏置，偏置量不小于第一离轴反射镜110的通光口径。第二离轴反射镜140在XOZ平面内，以口径离轴的方式，沿X方向偏置，第二离轴反射镜140沿X方向的偏置量与第一离轴反射镜110沿Y方向的偏置量相同。第一离轴反射镜110与第二离轴反射镜140具有相同的面型参数，光线在两块离轴反射镜之间所经过的光路关于DMD微镜阵列130的法线对称，第二离轴反射镜140绕DMD微镜阵列130的法线顺时针旋转90°后与第一离轴反射镜110重合。

[0033] 成像光学系统100的入瞳位于光束入射方向上第一离轴反射镜110之后。

[0034] 在一个实施例中，第一离轴反射镜110和第二离轴反射镜140均为凹面的二次曲面，具有负光焦度。进一步的，第一离轴反射镜110与第二离轴反射镜140的二次曲面的面型表达式均为：

[0035]

[0036] 其中，Z为面型矢高，C为顶点曲率半径，K为二次曲面系数，r为径向坐标。

[0037] 在一个实施例中，第一透镜组120由依次设置的4片透镜构成，4片透镜均为球面镜，第一透镜组120具有负光焦度。

[0038] DMD微镜阵列130单元与探测器160像元在空间上一一对应。DMD微镜阵列130的尺寸可以为2560×1600、1920×1080或1024×768等尺寸，以实现与探测器160像元阵列的匹配。

[0039] 进一步的，在YOZ平面内，光束在经过第一透镜组120后，轴上主光线以与系统光轴约17°夹角入射到DMD微镜阵列130上，光束经DMD微镜阵列130反射后，轴上主光线在XOZ平面内以与系统光轴约17°夹角出射。

[0040] 成像镜组具有可替换性，用户可根据实际需求来选择适合的成像镜组的结构形式，扩展了成像光学系统100的适用性。

[0041] 在图1所示的实施例中，成像镜组为折反射式结构，包括沿光路设置第三离轴反射镜152和第二透镜组154，第三离轴反射镜152和第一离轴反射镜110具有相同的参数，第二透镜组154和第一透镜组120具有相同的参数。

[0042] 在图6及图7所示的实施例中，成像镜组250为共轴折反射式结构。请同时参考图8，成像镜组250包括依次设置的第一透镜251、第二透镜252、第一反射镜253、第三透镜254、第四透镜255、第五透镜256、第六透镜257和第二反射镜258。第一透镜251、第二透镜252、第一反射镜253、第三透镜254、第四透镜255、第五透镜256、第六透镜257和第二反射镜258均为球面镜。

[0043] 进一步的，第一离轴反射镜110和第二离轴反射镜140的材料可为微晶、融石英或碳化硅等常用反射镜材料。第一透镜组120和成像镜组中所采用的透镜的材料均使用常用玻璃。

[0044] 下面为具体实施例。

[0045] 实施例1

[0046] 本实施例选取DMD微镜阵列130的尺寸为1920×1080，单个微镜尺寸10.8μm，选取探测器160的分辨率为1920×1080，像元尺寸为10.8μm。设计了一个长焦距，小相对孔径的折反射式成像光学系统100，工作波段为可见光波段，系统参数见表1。该成像光学系统100可视为由两部分组成，第一部分为放大倍率为-1的望远系统，由第一离轴反射镜110，第一透镜组120、DMD微镜阵列130、第二离轴反射镜140组成，第二部分为二次成像系统，由成像镜组和探测器160组成。

[0047] 本实施例中成像光学系统的设计如图1和图2所示，遵循右手坐标法则，Z轴为系统光轴，且与DMD微镜阵列130的基底法线相重合。光线入射方向与Z轴平行，指向正方向。

[0048] 目标物体发出的光经第一离轴反射镜110会聚，进入第一透镜组120，成像于DMD微镜阵列130上。成像光束由DMD微镜阵列130反射后再次经过第一透镜组120，经第二离轴反射镜140准直，进入成像镜组，经其会聚，最终成像于探测器160上。第一离轴反射镜110以口径离轴的方式在YOZ平面内沿+Y方向偏置300mm。第一透镜组120由4片透镜组成，均为球面镜，结构布局见图2。光束在经过第一透镜组120后，在YOZ平面内，轴上主光线以与系统光轴约17°夹角入射到DMD微镜阵列130上。DMD微镜阵列130的法线与系统光轴的夹角为12°。光束经DMD微镜阵列130反射后，轴上主光线在XOZ平面内以与系统光轴约17°夹角出射，再次经过第一透镜组120和第二离轴反射镜140的准直，进入成像组件，最终成像于探测器160上。第二离轴反射镜140在XOZ平面内，以口径离轴的方式，沿+X方向偏置300mm。第一离轴反射镜110与第二离轴反射镜140具有完全一致的面型参数，光线在两块离轴反射镜之间所经光路关于DMD微镜阵列130的法线对称，第二离轴反射镜140绕DMD微镜阵列130的法线顺时针旋转90°后与第一离轴反射镜110重合。成像镜组为折反射式结构，包括沿光路设置第三离轴反射镜152和第二透镜组154。第三离轴反射镜152和第一离轴反射镜110具有相同的参数，第二透镜组154和第一透镜组120具有相同的参数。

[0049] 本实施例中，DMD微镜阵列130作为中间像面的成像光学系统的中间像面(一次像面)的光学调制传递函数曲线见图4。本实施例的成像光学系统的二次像面的光学调制传递函数曲线见图5。

[0050] 表1实施例1中成像光学系统参数

[0051]参数 数值
工作波段 0.46～0.65μm
视场角 ±0.8°
系统焦距 1000mm
F数 5

[0052] 实施例2

[0053] 本实施例与实施例1选取相同的DMD微镜阵列230与探测器260，成像光学系统200参数与实施例1相同，见表1。二次成像系统使用共轴的折反射式结构，区别于实施例1，以此说明DMD微镜阵列作为中间像面的成像光学系统中的成像镜组具有可替代性，以满足不同使用需求。

[0054] 本实施例中成像光学系统200的设计如图6所示，遵循右手坐标法则，Z轴为系统光轴，且与DMD微镜阵列230的基底法线相重合。光线入射方向与Z轴平行，指向正方向。

[0055] 目标物体发出的光经第一离轴反射镜210会聚，进入第一透镜组220，成像于DMD微镜阵列230上。成像光束由DMD微镜阵列230反射后再次经过第一透镜组220，经第二离轴反射镜240准直，进入成像镜组250，经其会聚，最终成像于探测器260。第一离轴反射镜210以口径离轴的方式在YOZ平面内沿+Y方向偏置300mm。第一透镜组220由4片透镜组成，均为球面镜，结构布局见图2。光束在经过第一透镜组220后，在YOZ平面内，轴上主光线以与系统光轴约17°夹角入射到DMD微镜阵列230上。DMD微镜阵列230的法线与系统光轴的夹角为12°。光束经DMD微镜阵列230反射后，轴上主光线在XOZ平面内以与系统光轴约17°夹角出射，再次经过第一透镜组220和第二离轴反射镜240的准直，进入成像组件250，最终成像于探测器
260上。第二离轴反射镜240在XOZ平面内，以口径离轴的方式，沿+X方向偏置300mm。第一离轴反射镜210与第二离轴反射镜240具有完全一致的面型参数，光线在两块离轴反射镜之间所经光路关于DMD微镜阵列230的法线对称，第二离轴反射镜240绕DMD微镜阵列230的法线顺时针旋转90°后与第一离轴反射镜210重合。成像镜组250为共轴折反射式结构，结构如图
6所示，成像镜组250包括依次设置的第一透镜251、第二透镜252、第一反射镜253、第三透镜
254、第四透镜255、第五透镜256、第六透镜257和第二反射镜258。第一透镜251、第二透镜
252、第一反射镜253、第三透镜254、第四透镜255、第五透镜256、第六透镜257和第二反射镜
258均为球面镜。

[0056] 实施例2的成像光学系统200的二次像面的光学调制传递函数曲线见图9。

[0057] 本发明提供的DMD微镜阵列作为中间像面的成像光学系统，利用DMD微镜阵列的工作特性，实现了DMD微镜阵列与探测器像元的一一匹配，达到调整探测器像面灰度的目的，从而扩大光电成像系统的探测动态范围，满足高动态辐射能量特性场景测量和观察的需求，可应用于深空探测，医学成像，军事观测等领域。上述成像光学系统，在DMD微镜阵列所在的一次像面上，各视场光学调制传递函数在Nyquist频率处均大于0.70，畸变接近于0。此外，上述成像光学系统将DMD微镜阵列置于中间像面且采用了部分对称的结构形式，使得从一次像面出射的光束为近准直光，实现了成像镜组的可替换性，扩展了上述成像光学系统的适用性，用户可根据实际需求来选择适合的成像镜组结构形式。与此同时，上述成像光学系统具有成像质量好，结构紧凑，加工、装调难度低等有点。

[0058] 以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。