CN103278935A

CN103278935A - 一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法

Info

Publication number: CN103278935A
Application number: CN2013101852574A
Authority: CN
Inventors: 李兴隆; 徐敏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明属于光学成像与检测系统技术领域，具体为一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法。本发明通过将包含平面与自由曲面的单片镜片在光路中倾斜放置，进行光路的分色。其中，镜片的第一面为平面，实现原光路的方向转折，并通过光学镀膜，将光路中的某色光波或某波段光波在空间上进行分离；第二面为自由曲面，用于补偿镜片倾斜带来的透射光路的光学像差，以便获得优良的光学像质。本发明的优点在于：对于原来能够实现成像的光路，应用含有自由曲面的分色片，仅用一片即可完成分色与像差的补偿；应用自由曲面分色片分色，可缩短光路的尺寸；提高光学效率；可减少光学元件数量，降低光学系统的整机重量。

Description

一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法

技术领域

本发明属于光学成像与检测系统技术领域，具体涉及一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法。

背景技术

为实现光学系统的多通道观测，需要对光路进行分色，并保持良好的像质，通常采用正交式平行平板分色片进行分色（如“海洋1号卫星10通道水色扫描仪光学系统的设计”，《光学与光电技术》Vol.2，No.4，2004年8月，P21-22），或者采用45度分色片透射分色补偿法进行分色（专利号：200910046991.6，专利名称：45度分色片透射分色光路的像差补偿方法）。上述两种方法均可实现多于一个通道光路的分色。但是存在如下缺点：

1.光学元件比较多，为2片或更多的镜片；

2.占据的空间尺寸较大；

3.分色后的通道仍较少，很难超过3个通道；

4.系统体积与质量增加，降低光学效率。

上述两种分色方法不容易实现多通道的（大于两个）光路分色，尤其是对于相对孔径较小的光学系统而言，因为后截距的尺寸太小，上述两种方法无法实现多通道的分色。

光学自由曲面通常是指无法应用球面或者非球面系数来表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面，其中利用Zernike多项式表示的非旋转对称的表面是自由曲面的一种形式。平板式分色片导致光学系统的像差表现在投射到探测器表面波阵面的变形，即波阵面相位偏离理想值。因此通过分色片表面厚度的变化来补偿这种相位偏离，这种表面厚度变化可以呈现为Zernike多项式形式的自由曲面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分色结构紧凑、光学效率高的适用于多通道光学系统的分色方法。

本发明提出的适用于多通道光学系统的分色方法，采用一种具有自由曲面的分色片，对分色后引起的光学像差进行补偿，从而获得多通道分色的光学系统。

本发明提供一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法，具体步骤如下：

在能够成像的光学系统中，将含有自由曲面的分色片呈倾斜状态设置于光学系统的后光路中，倾斜角度由分色片后表面距焦面的距离与分色后探测器在空间中的分布不产生碰撞为边界条件。所述的自由曲面分色片，前表面为平面，用于实现光路的无像差反射，将原来的光路进行转折；自由曲面分色片的后表面为自由曲面，补偿由具有厚度的分色片倾斜放置于光路而形成的光学像差，光束经过分色片透射后，由自由曲面对光学像差进行补偿，实现透射光路的分色。自由曲面的表达式可以采用泽尼克（Zernike）多项式的形式，即：

其中，Z为光学面在坐标系中在Z方向的大小，i为多项式的项数，N为多项式的最多项数，

为多项式第i项的系数，为多项式，ρ为光线的归一化坐标，θ为角坐标。

例如，Zernike多项式与初级像差和二级像差的对应关系如下表所示：

倾斜的分色片产生的光学像差可以由泽尼克多项式的不同项进行补偿，获得良好像质。

本发明中，应用含有自由曲面的分色片进行分色时，分色片的后表面即自由曲面可以距离焦平面很近，所以在焦平面前可以设置多个含有自由曲面的分色片，实现多通道的分色；一个含有自由曲面的分色片，可以将光路分出两个通道，多个分色片即可分出多个通道，并且通道数可以是分色片个数的2倍；

本发明中，自由曲面分色片以锗为基底。

本发明中，分色片的表面镀制不同的光学薄膜，可实现不同波段光波高效率的分色。

本发明方法可以应用于各种基于多光谱或宽光谱反射式式同轴或离轴望远镜、折射式望远镜、折反式望远镜、照相镜头和各种宽光谱光谱仪等。

本发明的有益效果在于：应用自由曲面分色片能实现光路的分色，并实现了光学像差的补偿，保证了成像质量。光学结构紧凑，仅用一片分色片即可实现分色与像差的补偿，光学效率高；即使在系统的F/#（F/#=f/D，f为焦距，D为光学入瞳孔径）较小的情况下，也可以实现多通道的分色。本发明中应用自由曲面分色片进行光路的分色，多通道光学系统的设计难度得到大幅度的降低，并可使得光学系统的体积与质量较小，光学效率较高。

附图说明

图 1为自由曲面分色片分色原理图。

图2为锗自由曲面分色片后光路示意图。

图3为实施例中平面反射镜面转折后的0.4-0.8μm通道点列图。

图4为实施例中经过自由曲面透射补偿后的3-5μm通道点列图。

图中标号：1为分色片，2为前表面，3为后表面，4为透射光路焦面，5为反射光路焦面，6为分色片厚度，7为透射光路焦面至分色片的轴向距离，8为反射光路焦面至分色片的垂轴方向距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细阐述。

实施例1

以近轴光学系统为例，它所设计的光学系统在不进行分色时，成像质量达到设计要求；以平板式分色片为基础，应用光学设计软件对自由曲面进行优化设计，使得本就满足成像需求的光路，透过自由曲面分色片后，透射光路也满足相关的成像要求，实现两个通道良好像质的分色。

光学望远镜的技术参数如下：

光学系统相对孔径（D/f）: 1:3；

视场角： 4°×0.4°；

波段： 0.4-0.8μm，3-5μm；

分色片1材料：锗（厚度d=0.7mm）；

分色特性： 0.4-0.8μm（反射），3.0-5.0μm（透射）；

分色后的光路呈正交式分布，即分色后的反射光路与透射光路相垂直，因透射光路基本沿原光路的方向，故反射光路与原光路成90°角。

如图2所示为锗自由曲面分色片后光路示意图，图中4为透射光路焦面，图中5为反射光路焦面。

分色片1的前表面2为平面，后表面3为自由曲面，自由曲面的表达式选为：

经过优化设计获得泽尼克多项式系数如下：

项数N	1	2	3	4	5	6	7
								系数A _i	0	1.4E-04	4.0E-03	1.1E-03	-3.3E-03	1.7E-04	-6.5E-05

（其中，1.4E-04=1.4×10^-4）

如图3所示为平面反射镜面转折后的0.4-0.8μm通道点列图。

如图4所示为经过自由曲面透射补偿后的3-5μm通道点列图。

从设计结果图3与图4的比较可以得出，应用分色片1分色后，像质没有太大的变动，像点的半径RMS值变化量不大于2微米，分色前后像质均良好。

因只有一片分色片，结构十分简单，其中透射光路焦面至分色片的轴向距离7的大小为25.7mm，反射光路焦面至分色片的垂轴方向距离8的大小为26.6mm，分色片的厚度视刚度而确定，在此例中，分色片过光轴处的厚度6的大小为4mm。

在此基础上，还可以引入额外的自由曲面分色片，从而实现多通道的分色。

Claims

1.一种应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法，其特征在于，具体步骤如下：

将自由曲面分色片呈倾斜状态设置于光学系统的后光路中，倾斜角度以分色片后表面距焦面的距离与分色后探测器在空间中的分布不产生碰撞为边界条件；其中：

所述自由曲面分色片，前表面为平面，用于实现光路的无像差反射，将原来的光路进行转折；后表面为自由曲面，补偿由具有厚度的分色片倾斜放置于光路而形成的光学像差；所述自由曲面表达式采用Zernike多项式，即

为多项式第i项的系数，

为多项式，ρ为光线的归一化坐标，θ为角坐标。

2.根据权利要求1所述的应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法，其特征在于：所述自由曲面分色片的表面镀制不同的光学薄膜。

3.根据权利要求1所述的应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法，其特征在于：设置所述自由曲面分色片的个数为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的应用自由曲面分色片进行像差补偿的分色方法，其特征在于：所述自由曲面分色片以锗为基底。