[发明专利]一种激光发射与成像共孔径的光学系统及设计方法

说明书

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、二向色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，对色差不敏感，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。

技术领域

本申请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

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，色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。

发明内容

为克服上述缺点，本申请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。

为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案：

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色镜，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。

优选地，作为激光发射光学系统时，激光束从二向色镜一侧入射，经二向色镜透射后，依次经A组次镜、A组主镜出射。

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、二向色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。

优选地，所述扩束望远组及后置成像组均采用全反射方式。

本申请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：

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。

优选地，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：