【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及超廣角鏡頭，尤其涉及一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭及其設計方法和成像系統。
技術介紹
1、超廣角鏡頭具有焦距短，視角大的優點，其景深范圍顯著地大于標準鏡頭和遠攝鏡頭，可在較近距離拍攝范圍寬闊的景物。超廣角可見光相機是監測托卡馬克裝置內部等離子體形狀和位置的重要診斷工具。托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器，其第一壁作為約束內部等離子體的邊界，第一壁與裝置外壁之間通常為真空腔室，用于設置面向等離子體的組件材料。托卡馬克裝置運行時，大量的高能粒子和高能輻射會從第一壁的邊緣區域溢出，較大的熱負荷和輻射劑量可能導致面向等離子體的組件材料熔化或腐蝕。為了對托卡馬克裝置內的等離子體進行觀測，托卡馬克裝置的第一壁上設置有第一觀察窗，其外壁上對應位置設置有第二觀察窗。現有技術在對等離子體進行觀測時，通常將超廣角可見光相機固定在外部屏蔽墻內的不銹鋼管末端，再通過不銹鋼管連接到托卡馬克裝置外壁的第二觀察窗位置，以對托卡馬克裝置內部的等離子體進行超廣角成像。但這種方法的問題在于，超廣角可見光相機會受到高能粒子和x射線的強烈電磁干擾和高劑量輻射，進而出現故障甚至損壞的情況，特別是在等離子體放電中斷的時刻。
2、目前，為了進一步保護超廣角可見光相機的成像芯片和其它電子元件不受輻射環境的影響，可以采用長距離中繼系統將超廣角鏡頭對等離子體的成像傳輸到托卡馬克裝置的屏蔽墻外，并在屏蔽墻外側設置相機的電子學部分，從而在空間上實現“光機-機電”分離。這種長距離中繼系統一般需要前置的超廣角鏡頭具備像方遠心的特征，從
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于解決現有超廣角鏡頭通常為透射式鏡頭，難以在溫差較大的環境中對等離子體進行觀測的技術問題，而提供超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭及其設計方法和成像系統。
2、為了實現上述目的，本專利技術提供的技術方案如下：
3、一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特殊之處在于，包括孔徑光闌、反射光路以及透射光路；
4、所述孔徑光闌為金屬材質的實體光闌；
5、所述反射光路包括主反射鏡、次反射鏡以及折軸鏡；主反射鏡和次反射鏡的反射面均為自由曲面面型，折軸鏡的折射面為平面面型；
6、所述主反射鏡、次反射鏡以及折軸鏡均為金屬材質；
7、所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡、透射光路依次設置在被探測等離子體出射光線的光路上；
8、所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡及其支撐結構位于托卡馬克裝置第一壁與外壁之間的真空腔室內，孔徑光闌正對第一觀察窗，折軸鏡的反射光正對第二觀察窗；透射光路位于托卡馬克裝置外部，其入射端正對第二觀察窗；
9、被探測等離子體的光線通過托卡馬克裝置第一壁上的第一觀察窗從孔徑光闌入射，入射的光線依次經主反射鏡、次反射鏡反射后到達折軸鏡表面，折軸鏡對次反射鏡反射的光線進行方向調整，經折軸鏡調整方向后的光線通過托卡馬克裝置外壁的第二觀察窗后到達透射光路，經透射光路后匯聚在像平面上；
10、所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡、透射光路上分別設置有支撐結構。
11、進一步地，所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡均為鋁合金材質，或銅材質，或鎳材質，或鈹材質，或鈦合金材質。
12、進一步地，所述透射光路包括多片透鏡和一片衰減濾光片，衰減濾光片位于任意兩片透鏡之間，或位于第一片透鏡前；
13、多個所述透鏡的前后表面均為球面面型，衰減濾光片的前后表面均為平面面型。
14、進一步地，所述透鏡為玻璃材質或晶體；
15、所述衰減濾光片為融石英或k9玻璃材質。
16、進一步地，所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡、各透鏡以及衰減濾光片上分別設置有支撐結構；
17、所述孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡的支撐結構的材質與孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、折軸鏡的材質相同；
18、各透鏡和衰減濾光片的支撐結構的材質為鋁合金材質，或銅材質，或鎳材質，或鈹材質，或鈦合金材質。
19、進一步地，所述透射光路中透鏡的數量為八片；
20、所述衰減濾光片位于第四片透鏡和第五片透鏡之間。
21、進一步地，所述主反射鏡、次反射鏡的自由曲面面型采用擴展多項式表達，只包括x的偶次方項，且關于yoz面對稱。
22、另外，本專利技術還提供了一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭的設計方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：
23、步驟1，設置孔徑光闌，通過試探法構建主反射鏡和次反射鏡為球面面型的反射光路；調整孔徑光闌、主反射鏡和次反射鏡之間的相對位置，以及主反射鏡和次反射鏡的曲率半徑，當大視場角范圍內的光線經過構建的反射光路后光線發散角得到顯著降低至預設要求時，以當前反射光路結構作為反射光路初始結構，
24、步驟2，在反射光路初始結構的基礎上，逐步增加主反射鏡和次反射鏡的圓錐系數和自由曲面高階項系數，直至大視場角范圍內的光線經反射光路后的輸出光為準平行光時，主反射鏡和次反射鏡的初步迭代優化完成，獲得自由曲面離軸兩反光路；
25、步驟3，通過直接構建法構建透射光路初始結構，構建好的透射光路初始結構接在自由曲面離軸兩反光路的后方；對透射光路初始結構進行迭代優化，獲得透射光路；
26、步驟4，將步驟2獲得的自由曲面離軸兩反光路和步驟3獲得的透射光路進行聯合優化；
27、步驟5，聯合優化完成后，加入折軸鏡，完成超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭的設計。
28、進一步地，步驟3中，透射光路初始結構中的各透鏡均選用等曲率雙凸透鏡，透鏡材料選用冕牌玻璃和火石玻璃交錯排列的方式，透鏡的初始厚度和初始間距均相等，初始徑厚比均在3～8的范圍內；迭代優化時通過控制光學系統的焦距、后截距、像方遠心度、畸變、鏡片中心和邊緣的空氣間隔、透鏡的中心和邊緣厚度以及徑厚比，并采用錘形優化的方式對透鏡的材料進行優化，逐步迭代優化后得到透射光路。
29、另外，本專利技術還提供了一種基成像系統，其特殊之處在于，包括上述的超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭、中繼系統以及相機電子學模塊；
30、所述中繼系統安裝在超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭中透射光路的后端，且中繼系統的物平面為超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭的像平面；
31、所述本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
3.根據權利要求2所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
4.根據權利要求3所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
5.根據權利要求4所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
6.根據權利要求5所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
7.根據權利要求1-6任一所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
8.一種權利要求1-7任一所述超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭的設計方法，其特征在于：
10.一種成像系統，其特征在于：
【技術特征摘要】
1.一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
3.根據權利要求2所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
4.根據權利要求3所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
5.根據權利要求4所述的一種超廣角自由曲面折反射式像方遠心鏡頭，其特征在于：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：余佳東，毛祥龍，任文貞，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：
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