CN103246053A - 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统 - Google Patents

使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统 Download PDF

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朱浩
杨亮亮
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一种使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统，属于光学技术领域。现有使用自由曲面的离轴三反光学系统视场角小，所使用的完全失对称的自由曲面反射镜加工难度大。本发明是一种主反射镜为自由曲面的宽幅离轴三反光学系统，该光学系统包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜和孔径光阑，孔径光阑的位置与次反射镜的位置重合，入射光线经过主反射镜反射至次反射镜，经所述次反射镜反射至第三反射镜，再经所述第三反射镜反射后成像，主反射镜为关于子午面对称的自由曲面，次反射镜为球面，第三反射镜为偶次非球面。本发明仅使用一个关于子午面对称的自由曲面，有利于降低系统的制造难度，同时，本发明具有较大的矩形视场，可以实现宽幅成像。

Description

使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域中涉及的一种使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统。
背景技术
传统的大视场离轴三反光学系统一般为长条形线视场系统，即弧矢视场较大，子午视场较小，仅能在一个方向上获得较大视场。随着科技不断发展，要求离轴三反光学系统能够实现大视场、宽画幅成像。
近年来，光学自由曲面的加工检测技术得到了较快的发展，使光学设计者在光学系统设计中采用自由曲面成为可能。自由曲面光学元件可以不再具有旋转对称结构，增加了优化自由度，提升了光学系统的像差平衡能力。国内外已有利用自由曲面设计光学照明、投影以及头盔显示系统的报道。申请号为200810189938.7、名称为“无遮拦的三反射镜光学系统”的中国发明专利申请公开了一种使用Zernike多项式自由曲面作为反射镜的无遮拦三反射镜光学系统。该系统三块反射镜全部为自由曲面。虽然该系统能够达到较高的光学性能，但所有三块反射镜均使用自由曲面无疑会增加系统的制造难度，成本急剧增加。而且自由曲面制造误差大，如果三块反射镜全部使用自由曲面，整个系统的成像质量很难达到设计指标。“基于光学自由曲面的离轴三反光学系统”（光学精密工程，2011年第19卷第12期，P2813~2820）给出了一种使用XY多项式自由曲面作为次反射镜的离轴三反光学系统。该系统中主反射镜、第三反射镜为二次曲面，次反射镜为XY多项式自由曲面，视场为11°，相对孔径为1/9.5，焦距为4500mm。该系统虽然只使用了一个自由曲面，但该自由曲面是完全失对称的，而制造完全失对称的光学元件难度很大。上述使用Zernike多项式自由曲面的离轴三反专利结构也存在这样的问题。
发明内容
为克服已有技术缺陷，本发明提出一种主反射镜为自由曲面的宽幅离轴三反光学系统，目的在于：在不增加反射镜个数、系统成像质量良好的前提下，尽量少地使用自由曲面元件，并且使用具有一定对称性的自由曲面，增加离轴三反光学系统的视场角。
本发明的技术方案如图1所示：包括主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和孔径光阑5。次反射镜2位于主反射镜1的反射光路上，第三反射镜3位于次反射镜2的反射光路上，孔径光阑5的位置与次反射镜2的位置重合。目标区域内的光线7依次经过主反射镜1、次反射镜2和第三反射镜3反射后成像于像面4处。
本光学系统以通过次反射镜2的顶点的一条水平方向直线为参考轴6，规定参考轴6为z轴，由左向右为正，建立xyz右手空间直角坐标系。y轴在图1所示平面内，垂直于z轴且以竖直向上为正，竖直向下为负。x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。以通过各反射镜顶点且垂直于yz平面的直线为各反射镜的旋转轴，规定各反射镜绕各自旋转轴旋转时，顺时针方向为正，逆时针方向为负。
主反射镜1为关于子午面对称的自由曲面，次反射镜2为球面，第三反射镜3为偶次非球面。
本发明的积极效果：本发明提供的使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统仅使用一个自由曲面反射镜，其余两个反射镜一个是球面，另一个是偶次非球面，这两种面型的反射镜的制造、检测技术成熟，在保证光学系统成像质量的同时也有利于降低整个系统的制造成本。所使用的自由曲面是一种关于子午面对称的自由曲面，这也降低了该自由曲面的制造难度。该光学系统具有较大的矩形视场，能够一次性获得较大目标区域的整幅图像。
附图说明
图1为本发明所述使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统的工作原理图。
图2为本发明实施例技术方案提供的使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明按图2所示的结构实施。图中，8为主反射镜，9为次反射镜，10为第三反射镜，11为像面，12为孔径光阑，13为参考轴，14为入射光线，主反射镜8和第三反射镜10的实线部分表示其各自的有效口径。A为主反射镜8的顶点，B为次反射镜9的顶点，C为第三反射镜10的顶点，D为像面11的中心点，L1为主反射镜8的顶点A到次反射镜9的顶点B的轴向距离，L2为次反射镜9的顶点B到第三反射镜10的顶点C的轴向距离，L3为第三反射镜10的顶点C到像面11的中心D的轴向距离，D1、D2、D3分别为主反射镜8顶点A、第三反射镜10顶点C和像面11中心D在y方向的偏离参考轴13的距离。
该光学系统的技术指标为：
像方焦距f’：1000mm，
相对孔径D/F：1/7，
视场角：20°×10°，
工作波段：0.4861微米~0.6563微米。
该光学系统包括主反射镜8、次反射镜9、第三反射镜10和孔径光阑12，孔径光阑12的位置和次反射镜9的位置重合。主反射镜8为Zernike多项式自由曲面。Zernike多项式自由曲面的方程为：
                                                    
Figure 250373DEST_PATH_IMAGE001
式中，z为自由曲面的矢高，c为近轴曲率，k为二次曲面系数，Zj为Zernike多项式中的第j项（j=1~66），Cj+1为Zernike多项式中第j项的系数，r为径向坐标。表1为Zernike多项式在xy直角坐标系下的部分项表达式。
主反射镜8所使用的Zernike多项式自由曲面关于子午面对称，即在xyz直角坐标系中，该自由曲面关于yz平面。在设计的过程中对于所有含x奇次方项的Zj，其系数要固定为0，其余项的系数可以作为变量校正像差，例如表1中的Z2、Z6、Z7、Z8的系数要固定为零。
 表1  Zernike多项式的部分项
Figure 177878DEST_PATH_IMAGE002
次反射镜9为球面，第三反射镜10为偶次非球面，偶次非球面方程为：
Figure 316735DEST_PATH_IMAGE003
式中，z为非球面矢高，c为近轴曲率，k为二次曲面系数，r为径向坐标，
Figure 461015DEST_PATH_IMAGE004
为非球面系数。
该光学系统的结构参数是：主反射镜8为Zernike多项式自由曲面，是一个凹面，旋转角度为15.26°，其顶点A沿y正方向偏离参考轴13，偏离量D1为476.66mm。次反射镜9为球面，位于主反射镜8的左侧，主反射镜8的顶点A到次反射镜9的顶点B的轴向距离L1为-489.04mm。次反射镜9的半径为-926.1924mm，是一个凸球面，旋转角度为6.86°，其顶点B位于参考轴13上。第三反射镜10为10阶偶次球面，是一个凹面，位于次反射镜9的右侧，次反射镜9的顶点B到第三反射镜10的顶点C的轴向距离L2为544.56mm，旋转角度为8.27°，其顶点C沿y正方向偏离参考轴13，偏离量D2为88.50mm。像面11在第三反射镜10的左侧，第三反射镜10的顶点C到像面11的中心D的轴向距离L3为-1096.39mm，像面11的旋转角度为8.27°，其顶点D沿y负方向偏离参考轴13，偏离量D3为-136.55mm。
主反射镜8的近轴曲率c、二次曲面系数k及Zernike多项式系数如表2所示。
 表2  Zernike多项式自由曲面的各项参数
Figure 710731DEST_PATH_IMAGE005
第三反射镜10为10阶偶次非球面，其近轴曲率c、二次曲面系数k及非球面系数
Figure 758321DEST_PATH_IMAGE006
如表3所示。
表3 非球面参数
Figure 68080DEST_PATH_IMAGE007
其余未列出的非球面系数均为0。

Claims (2)

1.一种使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统，包括主反射镜（1）、次反射镜（2）、第三反射镜（3）和孔径光阑（5），其特征在于：次反射镜（2）位于主反射镜（1）的反射光路上，第三反射镜（3）位于次反射镜（2）的反射光路上，孔径光阑（5）的位置与次反射镜（2）的位置重合，主反射镜（1）为自由曲面，次反射镜（2）为球面，第三反射镜（3）为偶次非球面，入射光线（7）依次经过主反射镜（1）、次反射镜（2）和第三反射镜（3）反射后成像于像面（4）处。
2.根据权利要求1所述的一种使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统，其特征在于：主反射镜（1）是一种关于子午面对称的自由曲面。
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