[发明专利]一种大相对孔径离轴六反非轴向变焦成像光学系统

权利要求书

1.一种大相对孔径离轴六反非轴向变焦成像光学系统，其特征在于：包括可变光阑，主反射镜，次反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，探测器像面，还包括用于移动次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的平移台；

所述可变光阑为孔径光阑，孔径光阑的孔径随焦距变化而变化；通过调节孔径光阑的孔径，保证变焦成像光学系统的相对孔径固定；

所述主反射镜为固定反射镜，空间位置不变，所述次反射镜、第三反射镜和第四反射镜为变倍组和补偿组元件，通过非轴向移动所述次反射镜、第三反射镜和第四反射镜三个反射镜实现变焦成像；其中，所述非轴向移动基于非轴向移动矢量实现，非轴向移动矢量为轴向移动量与垂轴移动量合成的非轴向移动矢量；通过轴向移动实现非轴向变焦成像光学系统焦距的变化；通过垂轴方向移动增加变焦成像光学系统的自由度，利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正；通过非轴向移动矢量实现轴向移动与垂轴移动的同步调节，实现变焦成像光学系统非轴向同步变焦，从而保证不同焦距状态下成像质量良好，无需使用自由曲面；

所述利用三个反射镜偏心量对像差场的作用主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现方法如下，

步骤一，根据轴向移动公式(1)确定三个反射镜轴向移动量；

其中，r为反射镜的曲率半径，t为反射镜之间的距离，α_ji为遮拦比，β_ji为放大率，f_j为不同结构下的焦距；

步骤二，根据公式(2)确定变焦成像光学系统的初级波像差系数，所述初级波像差系数是关于α_ji,β_ji,f_j的函数；

其中：

其中：所述k_i为反射镜i的二次曲面系数，且

n_i＝1，i为奇数；n_i＝-1，i为偶数， n_i'＝-1，i为奇数；n_i'＝1，i为偶数 (5)

步骤三，基于步骤二确定的变焦成像光学系统的初级波像差系数，通过公式(7)确定不同结构下反射镜的偏心量σ_ji，并根据所述偏心量σ_ji主动平衡变焦成像光学系统多重结构之间的波像差，实现不同焦距结构下非轴向变焦成像光学系统高阶像散与彗差的校正；所述偏心量σ_ji的差值Δσ_j2,Δσ_j3,Δσ_j4即为三个反射镜的垂轴移动量；

其中：所述垂轴移动量表示为不同结构下反射镜的偏心量σ_ji不同，其中，j表示第j重结构，i表示第i个反射镜；如公式(7)所示，离轴变焦成像系统的彗差中心与像散中心始终是关于α_ji,β_ji,f_j,的函数，在轴向移动的基础上加入垂轴方向的移动，增加系统的自由度，利用离轴系统偏移量对像差场的作用特性来主动平衡变焦距系统多重结构之间的波像差；

所述第五反射镜和第六反射镜组成放大率为b的中继成像子系统，空间位置不变，因此可以单独对其曲率半径和厚度参数进行计算；定义第五反射镜的放大率为β₅，第六反射镜的放大率为β₆，且满足β₅β₆＝b。

2.如权利要求1所述的一种大相对孔径离轴六反非轴向变焦成像光学系统，其特征在于：通过中继成像子系统对非轴向同步变焦初成像子系统的一次像面处进行再次成像，可以在一次像面位置设置视场光阑，显著减少由于反射镜移动而难以设置挡光装置带来的杂散光，从而有效消除可以到达探测器像面的杂散光。

3.如权利要求1所述的一种大相对孔径离轴六反非轴向变焦成像光学系统，其特征在于：为了保证变焦成像光学系统稳定成像，所述次反射镜、第三反射镜和第四反射镜的放大倍率满足共轭距不变的变焦关系，保证一次中间像面位置不变，从而确保探测器像面位置不变。