CN103293697A - 大视场离轴主焦点式平行光管光学系统 - Google Patents

Abstract

大视场离轴主焦点式平行光管光学系统（带有偏置于离轴抛物面焦点前的无光焦度校正镜组的平行光管），特征是在离轴抛物面主焦点前安放无光焦度校正镜组，且无光焦度校正镜组相对于离轴抛物面母抛物面的对称轴有偏心和倾斜，其偏心量不超过±30mm，倾斜量不超过±1°，系统焦面垂直于无光焦度校正镜组光轴，无光焦度校正镜组由材料相同的三块单透镜组成。本发明提出了计算无光焦度校正镜组初始结构的计算方法，包括解决各参量在辅轴与主轴之间关系及其换算的关键方法。保留了单块离轴抛物面反射镜的优点，即无中心遮拦，结构简单的前提下在较宽波段内校正了轴外视场的像差，利用小口径透射光学元件加工相对简单的特性降低了平行光管的成本。

Description

大视场离轴主焦点式平行光管光学系统

技术领域

本发明属于光机电一体化设备领域，具体涉及一种大视场离轴主焦点式平行光管光学系统（带有偏置于离轴抛物面焦点前的无光焦度校正镜组的平行光管）的设计。

背景技术

平行光管是一种光学度量仪器，主要用于光电检测、光学系统检校等。它能提供一束平行光，模拟无限远的目标。在平行光管物镜的焦面上放置分划板、星点板、玻罗板、鉴别板等焦平面用的光学元件，可检测和标定被测光学系统的各种参数和性能。配置测微目镜或显微镜系统，可以测定透镜及透镜组的焦距、鉴别率、成像质量，还可进行干涉检测等多种光学测量。将平面反光镜放置在直线运动的工件上，通过平行光管上的高斯目镜观察，可检验工件的直线性。

随着科学技术的进步，加工能力的增强，空间光学得到了很大的发展，越来越多的空间相机、太空望远镜被送入宇宙为人类服务，大口径、长焦距是其主流发展方向，各国航天相机、地基天文望镜等大口径光学系统也得到很大的发展。研发与其配套的检测设备就成为当务之急。大口径、长焦距光学系统的检校，离不开相应的大口径、长焦距平行光管。

在很多情况下，必须保证平行光管的口径超过被测光学系统的口径，提供全口径的平行光束，才能有效对被测系统进行检测。虽然子孔径拼接检测技术可以减小对检测系统口径的要求，但是检测数米口径的系统，检测系统的口径必须比较大。检测系统口径越小，就意味着需要拼接的检测结果越多，必然增大拼接误差。

要检测长焦距光学系统，要么检测系统焦距也很长，要么检测方法非常复杂。所以，大口径、长焦距平行光管的研制就成为必需。同时为了检测空间相机在太空环境下的成像质量，在相机送入太空之前，必须在模拟太空环境下对其像质进行检测，往往将相机放置在大型真空环境模拟器内进行测量，这就要求其光学检测设备必须与大型真空环境模拟器联接为一体使用，也就是必须发明一种可适用于抽真空下平行光管光学系统。

目前平行光管的结构形式种类主要有以下：

1、常规的透射平行光管：很难校正色差，同时口径太大（口径为

的透射原材料很难提供。采用透射形式从原材料及安装调试难度上就很难达到要求，所以只可采用反射式形式；

2、经典牛顿式平行光管：采用抛物面镜作为主镜，在焦点前用平面镜折转，该类型平行光管结构形式简单，无色差，适用波长宽，最为常用。其缺点是存在中心遮拦、视场范围小，仅轴上视场效果好。

3、两镜系统平行光管：采用主次两块反射镜共轴或离轴的布局，主次镜一般均为非球面。较常用的两镜系统有①经典卡塞格林系统、②格里哥里系统、③R-C系统及马克苏托夫系统、④库特系统、⑤史瓦希尔德系统。此类系统最大优点是：口径可以做得较大，远远超过透射系统的尺寸；反射式光路，无色差，适合波段宽；采用非球面，最多能同时消除四种像差。其缺点是：像质优良的有效视场小；共轴系统存在中心遮拦，非共轴系统中的离轴非球面加工困难，且不易于装调；当不考虑球差的情况下同时消除三种像差或球差等于零的情况下同时消除四种像差时，此类系统为定型结构，即，次镜或主次反射镜的偏心率、遮拦比、次镜的放大率均为定值，不适合优化设计以进一步提升像质。

4、三镜系统平行光管：采用三块反射镜共轴或离轴的布局，系统中的反射镜一般为非球面。此类系统的优点：相较于两镜系统，三镜系统消像差的自由变量由四个增加为七个，从而大大增加了消像差的能力，可以在较大视场内获得很好的像质；结构紧凑，体积大大缩小。其主要缺点：共轴系统存在中心遮拦，非共轴系统中的离轴非球面加工数量较多，提高了加工难度；三块反射镜的光路极不易于装调，在真空环境下，结构变量多，像质不稳定；成本高昂。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提出了一种大视场离轴主焦点式平行光管光学系统（带有偏置于离轴抛物面焦点前的无光焦度校正镜组的平行光管），这是一种新型的平行光管结构及其设计方法，本发明能够克服现有技术的有效视场小、难于装调、在真空环境下结构不稳定或成本高昂，等等不足，利用无光焦度校正镜组在不引入色差的情况下可校正其他像差的特性，校正离轴抛物面轴外视场的其他像差，以扩大单个离轴抛物面结构的有效视场。

完成上述发明任务的技术方案是，一种大视场离轴主焦点式平行光管光学系统（带有偏置于离轴抛物面焦点前的无光焦度校正镜组的平行光管），其特征在于，在所述的离轴抛物面主焦点前安放无光焦度校正镜组，且该无光焦度校正镜组相对于离轴抛物面母抛物面的对称轴有偏心和倾斜，系统焦面垂直于该无光焦度校正镜组光轴，该无光焦度校正镜组由三块材料相同的单透镜组成。

此种结构在保留了单块离轴抛物面反射镜的优点，即无中心遮拦，结构简单的前提下在较宽波段内校正了轴外视场的像差，利用小口径透射光学元件加工相对简单的特性降低了平行光管的成本，同时提高了平行光管的性能。

本发明任务的一种大视场离轴主焦点式平行光管光学系统的结构示意图及原理图如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明任务的实现方法如下第3部分所述：

1、图1为单块离轴抛物面主焦点式平行光管结构示意图。将离轴抛物面镜框设为光阑，

为离轴抛物面母抛物面定点曲率半径，ω为平行光管最大视场，以高斯光学为原理，h_z，h分别为第二近轴光线（通过轴外物点和光阑中心的光线）及第一近轴光线（轴上物点通过光阑边缘的光线）在离轴抛物面上的入射高度，均以主轴为参照计量。离轴抛物面的离轴量（离轴抛物面的机械轴距母抛物面对称轴的垂轴距离）b＝h_z。

2、图2为本发明结构示意图。将无光焦度校正镜组偏置于系统焦面前，无光焦度校正镜组是一种组合光焦度等于零的透镜组。将离轴抛物面镜框设为光阑，离轴抛物面母抛物面对称轴称为主轴，无光焦度校正镜组对称轴称为辅轴，辅轴与主轴有一定夹角，与主轴角度不超过±1°，该无光焦度校正镜组由三块材料相同的单透镜组成，且相对于主轴有偏心，其偏心量为初始条件，即，根据所选定的偏心量进行像差补偿计算以得到透镜组各面的曲率半径，由此，校正镜组各面的曲率半径与其偏心量有关。偏心量一般不超过30mm。图3至图5为本发明结构的计算说明图。借助计算机程序设计此类平行光管需先分析并计算出无光焦度校正镜组的初始结构，其计算理论根据为三级像差理论：

a)首先根据选取的离轴抛物面结构参量计算出离轴抛物面产生的各单色像差，其计算公式如公式(1)所示，结构示意图如图2所示。

其中

S′_I，S′_II，S′_III，S′_IV，S'_V为半径等于

的球面的各单色像差分布系数，J＝nhi_z-nh_zi为拉—赫不变量，ω为最大视场，

为第二近轴光线入射角，

为第一近轴光线入射角，角度均以弧度为单位，h_z，h分别为第二近轴光线及第一近轴光线在离轴抛物面上的入射高度，均以主轴为参照计量，n'为像方介质折射率，对于反射镜n'＝-1，u'为像方第一近轴光线孔径角，ΔL'为轴向球差，K_s'为子午彗差，x′_Is为象散，x'_p为匹兹伐尔(Petzval)场曲，δy'_z为畸变。

b)然后，根据上述步骤所得结果计算无光焦度校正镜组的初始结构以补偿离轴抛物面产生的各单色像差。无光焦度校正镜组的初始结构包括：校正镜组相对于辅轴的偏心量Δh（以主轴向上为正）、倾斜量Δu（以偏心和倾斜前位置顺时针旋转为正）、各表面曲率半径r、各透镜中心厚度d、插入距离l'_F。将处于中间的透镜视为由双胶合透镜组成，即将无光焦度校正镜组视为由两组双贴合无光焦度透镜组胶合而成，如图3所示。三级像差计算公式如公式(2)所示。

式中各量均以辅轴为参照计量，

为各透镜光焦度，令

为沿光线方向的归化P、W参数，n'₈为像方介质折射率，因无光焦度校正镜组置于反射镜后，故n'₈＝-1，u'₈＝-u'+Δu为像方第一近轴光线孔径角，将校正镜组视为薄透镜组，则近轴光线在各个面上的高度等于其在校正镜组第一个面的高度。第一近轴光线在校正板上的高度h₁与在校正板偏心和倾斜前的高度

的几何关系如图4所示，

第二近轴光线在校正板上的高度h_z1与

的关系为

式中u'为光线经离轴抛物面镜反射后与主轴的夹角。式(2)中的拉赫不变量J＝-y'(Δu-u')，其中

为像点相对于辅轴高度，

为像点相对于主轴高度，l'_F为插入距离（无光焦度校正板偏置前第一个面至系统焦点的距离）如图5所示。

无光校正板像面上某一像点相对于辅轴的各几何像差应等于同一像点相对于主轴的像差乘以偏置角度的方向余弦的反数，即

ΔL'_C＝-ΔL'·cosΔu

K'_sC＝-K'_s·cosΔu

x′_tsC＝-x′_ts·cosΔu

x'_pC＝-x'_p·cosΔu

δy'_C＝-δy'·cosΔu

选取两种要补偿的单色像差，便可求得无光焦度校正镜组各透镜的

值，再由

值与透镜弯曲系数Q之间的关系式(3)、Q与透镜表面曲率半径的关系式(4)，

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{Q}}_1-{\stackrel{\←}{Q}}_2={\stackrel{\→}{W}}_{12}\left(\frac{n}{n+1}\right)\\ {\stackrel{\→}{Q}}_1{+\stackrel{\←}{Q}}_2=[\frac{{\stackrel{\→}{P}}_{12}}{{\stackrel{\→}{W}}_{12}}-\frac{3n}{(n+1)(n-1)}+4{\stackrel{\→}{u}}_1]\left(\frac{n+1}{n+2}\right)\\ {\stackrel{\→}{Q}}_3-{\stackrel{\←}{Q}}_4={\stackrel{\→}{W}}_{34}\left(\frac{n}{n+1}\right)\\ {\stackrel{\→}{Q}}_3+{\stackrel{\←}{Q}}_4=[\frac{{\stackrel{\→}{P}}_{34}}{{\stackrel{\→}{W}}_{34}}-\frac{3n}{(n+1)(n-1)}+4{\stackrel{\→}{u}}_1]\left(\frac{n+1}{n+2}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中 ${\stackrel{\←}{Q}}_2={\stackrel{\→}{Q}}_3,$ ${\stackrel{\→}{P}}_{12}={\stackrel{\→}{P}}_1-{\stackrel{\→}{P}}_2,$ ${\stackrel{\→}{P}}_{34}={\stackrel{\→}{P}}_3-{\stackrel{\→}{P}}_4,$ ${\stackrel{\→}{W}}_{12}={\stackrel{\→}{W}}_1+{\stackrel{\→}{W}}_2,$ ${\stackrel{\→}{W}}_{34}={\stackrel{\→}{W}}_3+{\stackrel{\→}{W}}_4.$

最后将得到的薄透镜加厚，计算出加厚后的各面曲率半径便得无光焦度校正镜组的初始结构，加厚后的各面半径

r₀、h₀为薄透镜的曲率半径及第一近轴光线入射高度，h为第一近轴光线实际入射高度。

本发明的优点：

有效视场大、结构简单易于装调、在真空环境下结构稳定或成本低廉，利用无光焦度校正镜组不引入色差的优势下校正轴外像差，同时，推导出偏心和倾斜状态下的无光焦度校正板初始结构的计算方法，使此类系统优化设计提高了效率。

附图说明

图1：单离轴抛物面反射镜平行光管示意图，

为离轴抛物面母抛物面定点曲率半径，

为系统焦距，ω为平行光管最大视场，以高斯光学为原理，h_z，h分别为第二近轴光线（通过轴外物点和光阑中心的光线）及第一近轴光线（轴上物点通过光阑边缘的光线）在离轴抛物面上的入射高度，均以主轴为参照计量。

图2为本发明结构示意图。

图3为计算无光焦度校正镜组初始结构原理示意图，Δu为校正镜组倾斜量，Δh为校正镜组偏心量。

图4为近轴光线相对于主轴的入射高度

与相对于辅轴的入射高度h的关系示意图。

图5为像面上一点相对于主轴的高度

与相对于辅轴的高度y的关系示意图。

具体实施方式

实施例1，大视场离轴主焦点式平行光管光学系统（带有偏置于离轴抛物面焦点前的无光焦度校正镜组的平行光管），按照以下步骤实施。

1、按上述内容3中的步骤a)，根据示意图1，从所需设计系统要求（平行光管的有效视场，系统波相差，等等）出发，选定离轴抛物面的结构，包括离轴抛物面口径Φ、离轴量b、离轴抛物面母抛物面定点曲率半径等；由计算公式(1)计算出离轴抛物面的各单色像差。

2、按上述内容3中的步骤b)，根据示意图2至示意图5，决定无光焦度校正镜组的插入距离l'_F，偏心距离Δu，倾斜量Δh；决定无光焦度校正镜组中各单透镜的材料，其材料折射率为n；选择上述步骤计算所得的需要补偿的两单色像差（注意：此处不能选择球差ΔL'，因抛物面的轴上球差为零），计算出无光焦度校正镜组的初始结构。

3、将整个系统的初始结构输入计算机辅助设计程序，如ZEMAX、CODE V等，进行分析、评估，优化设计等，直至得到满意结果。

Claims (6)

1.一种大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于，在所述的离轴抛物面主焦点前安放无光焦度校正镜组，且该无光焦度校正镜组相对于离轴抛物面母抛物面的对称轴有偏心和倾斜：该偏心量不超过±30mm，该倾斜量不超过±1°，系统焦面垂直于该无光焦度校正镜组光轴，该无光焦度校正镜组由材料相同的三块单透镜组成。

2.根据权利要求1所述的大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于，其光学结构由所述的“偏心和倾斜”量与单色像差计算公式、三级像差计算公式、无光焦度校正镜组各透镜的

值与透镜弯曲系数Q之间的关系式，以及各透镜弯曲系数Q与透镜表面曲率半径的关系式计算确定。

3.根据权利要求2所述的大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于：所述的“偏心和倾斜”，其倾斜量不超过±1°，其偏心量不超过±30mm。

4.根据权利要求2所述的大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于，所述的离轴抛物面单色像差计算公式如下：

5.根据权利要求2所述的大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于，所述的第一近轴光线在校正板上的高度h₁与在校正板偏心和倾斜前的高度

的几何关系，及第二近轴光线在校正板上的高度h_z1与

的关系如下：

$h_1\≈\frac{\stackrel{\‾}{h_1}-\mathrm{\Δh}}{1+\mathrm{\Δu}\·u^{\′}}$

$h_{z1}\≈\frac{\stackrel{\‾}{h_{z1}}-\mathrm{\Δh}}{1+\mathrm{\Δu}\·u^{\′}}$

6.根据权利要求2所述的大视场离轴主焦点式平行光管光学系统，其特征在于，所述的像点相对于主轴的高度y'与相对于辅轴的高度

关系式如下：

$y^{\′}\≈\stackrel{\‾}{y^{\′}}+l_F^{\′}\·\mathrm{\Δu}-\mathrm{\Δh}.$

Images