CN104111520A

CN104111520A - 一种离轴反射成像光学系统

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Publication number: CN104111520A
Application number: CN201410341652.1A
Authority: CN
Inventors: 吕保斌; 邢延文; 林妩媚; 范真节
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN104111520B

Abstract

本发明涉及一种离轴反射成像光学系统，其中第一主反射镜、第二次反射镜和第三反射镜的顶点均在系统光轴上，均离轴使用；第一主反射镜和第三反射镜为球面，第二次反射镜和第四反射镜为非球面；第一主反射镜将入瞳入射至其表面的入射光束会聚，使入射光束口径变小；第二次反射透将第一主反射镜会聚的光束折转，校正第一主反射镜产生的部分球差和彗差；第三反射镜将第二次反射镜折转的光束继续折转，校正部分第二主反射镜引入的像散和场曲；第四反射镜用对第三反射镜折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，并使得光束在像面处成像。本发明的离轴反射成像光学系统具有焦距长，像面超大，非球面数量少，成像质量好的特点。该系统的光学元件加工难度小。

Description

一种离轴反射成像光学系统

技术领域

本发明涉及工作于紫外波段至红外波段的成像光学系统技术领域，尤其涉及一种离轴反射成像光学系统。

背景技术

离轴三反消像散(TMA：Three-Mirror-Anastigmat)光学系统由于具有元件数量少、结构紧凑、成像质量好、视场大等优点，在空间光学、对地观测、天文光学等多方面得到应用，很多国家都在研究。

这种光学系统同时也存在比较大的缺点，就是对于加工、检测和装调的要求较高。在加工方面，这种光学系统的三个反射面都是高次非球面，加工和检测都比较难。在装调方面的难度更大，需要研究计算机辅助装调技术。

通过几十年的研究，这种光学系统衍化出很多种形式，如增加了反射镜数量，或者改变光学元件的面形结构等。近年来光学自由曲面加工检测技术的发展，使光学设计者在进行光学系统设计时可以采用自由曲面，从而获得较好的成像质量，同时降低对加工、检测和装调的要求。

国内外已有利用自由曲面设计的报道。申请号为CN200810189938.7，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，得到了很好的成像质量。但由于三块反射镜均使用自由曲面，使系统自由曲面的加工难度、加工成本、装调检测难度急剧增加。申请号为CN201310498453.7，名称为“自由曲面成像光学系统”的中国专利申请公开了一种含有四个反射镜的无遮拦反射光学系统。该系统采用四个反射镜，获得了很大的视场，成像质量也比较高。但和上一个专利一样，该系统的四个反射镜中，有三个采用了自由曲面的形式，对系统加工、检测和装调的要求较高。申请号为CN201310119864.0，名称为“使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统”的中国发明专利申请公开了一种宽幅离轴三反光学系统，该系统中包含三个反射镜，其中第一个反射镜是关于子午面对称的自由曲面，第二个反射镜是球面，第三个反射镜是高偶次非球面。该系统相对前面两个系统使用自由曲面数量少，次镜为球面，使系统检测和装调难度相对降低。但由于主镜是自由曲面，三镜是高偶次非球面，且这两个反射镜的口径都比较大，使得加工难度比较大，尤其是在有光焦度的大口径反射镜上加工自由曲面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种包含自由曲面的离轴反射成像光学系统，使用较少的非球面，在很大的视场范围内获得很好的成像质量，且同时使系统的加工、检测和装调难度降低。

本发明采用的技术方案为：一种离轴反射成像光学系统，包括第一主反射镜，第二次反射镜，第三反射镜和第四反射镜；所述第一主反射镜、所述第二次反射镜和所述第三反射镜的顶点均在系统光轴上，但均离轴使用；所述第一主反射镜和所述第三反射镜为球面，所述第二次反射镜和所述第四反射镜为非球面；

所述第一主反射镜用于将入瞳入射至其表面的入射光束会聚，使所述入射光束口径变小；所述第二次反射透用于将所述第一主反射镜会聚的光束折转，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；所述第三反射镜将所述第二次反射镜折转的光束继续折转，同时校正部分由所述第二主反射镜引入的像散和场曲；所述第四反射镜用于对所述第三反射镜折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，并使得光束在像面处成像。

可选地，如上所述的系统中，所述离轴反射成像光学系统的入瞳设置在所述第一主反射镜上或者设置在光束入射方向上所述第一主反射镜之前。

可选地，如上所述的系统中，所述第一主反射镜具有正光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第二次反射透为二次曲面，具有负光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第三反射镜具有正光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第四反射镜为基于平面上的自由曲面，没有光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述系统用于对紫外光波段到红外光波段的所述入射光束成像。

可选地，如上所述的系统中，所述第一主反射镜、所述第二次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜(104)的材料为微晶玻璃、碳化硅材料或其他金属材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1.由于本发明的离轴反射成像光学系统采用了纯反射结构，使得系统结构紧凑、焦距较长；视场大，像面超大。

2.由于本发明中的离轴反射成像光学系统相对于子午面对称，且使用自由曲面校正了子午面和弧矢面内的像差，使得系统可以在子午面和弧矢面内得到很大的视场，系统视场可以设置为圆视场。

3.由于本发明的离轴反射成像光学系统焦距长，视场大，使得系统像面很大。

4.本发明的离轴反射成像光学系统由于其子午面对称结构和自由曲面的校正能力，使系统的成像质量高，达到了光学系统衍射极限。

5.本发明中的离轴反射成像光学系统的第一主反射镜和第三反射镜为球面，且第四反射镜为基于平面的自由曲面，所以系统易于加工、检测和装调，生产成本低。

6.由于本发明的离轴反射成像光学系统的第二次反射镜为二次曲面，易于加工，且检测时不需要专门设计补偿镜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的离轴反射成像光学系统入瞳在第一主反射镜前的示意图。

图2为本发明另一实施例提供的离轴反射成像光学系统入瞳在第一主反射镜上的示意图。

图3为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的点列图。

图4为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的点扩散函数图。

图5为本发明实施例的离轴反射成像光学系统的光学传递函数图。

图6为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的自由曲面面形图。

标号说明：入瞳100、第一主反射镜－101、第二次反射镜－102、第三反射镜－103、第四反射镜－104、像面－105。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的离轴反射成像光学系统入瞳在第一主反射镜前的示意图。图2为本发明另一实施例提供的离轴反射成像光学系统入瞳在第一主反射镜上的示意图。如图1和图2所示，本发明实施例的离轴反射成像光学系统包括第一主反射镜101，第二次反射镜102，第三反射镜103和第四反射镜104；第一主反射镜101、第二次反射镜102和第三反射镜103的顶点均在系统光轴上，但均离轴使用；第一主反射镜101和第三反射镜103为球面，第二次反射镜102和第四反射镜104为非球面。

第一主反射镜101用于将入瞳100入射至其表面的入射光束会聚，使入射光束口径变小；第二次反射透102用于将第一主反射镜101会聚的光束折转，并校正由第一主反射镜101产生的部分球差和彗差；第三反射镜103将第二次反射镜102折转的光束继续折转，同时校正部分由第二主反射镜102引入的像散和场曲；第四反射镜104用于对第三反射镜103折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，并使得光束在像面105处成像。

本实施例的离轴反射成像光学系统的入瞳100设置在第一主反射镜101上或者设置在光束入射方向上第一主反射镜101之前。如图1所示的离轴反射成像光学系统，以入瞳100设置于第一主反射镜101前5m距离的为例。图2所示以离轴反射成像光学系统中入瞳100设置于第一主反射镜101上为例。当该系统需要与前置光学系统进行对接时，图1所示的系统可以提供比较大的空间用于安排光路和机械结构。图2所示的系统主要用于直接成像，不需要额外添加孔径光阑。

具体地，本实施例涉及的离轴反射成像光学系统共使用了四片反射镜，从光束入射方向依次是第一主反射镜101、第二次反射镜102、第三反射镜103和第四反射镜104。

本实施例的离轴反射成像光学系统的第一主反射镜101、第二次反射镜102、第三反射镜103的顶点共轴，且都在系统光轴上。

本实施例的离轴反射成像光学系统的第一主反射镜101为球面，实际工作中离轴使用，其主要作用在于将入瞳100入射至其表面的光线会聚，使光束口径变小。

本实施例的离轴反射成像光学系统的第二反射镜102为非球面，其主要作用是将第一主反射镜101会聚的光束折转，校正由第一主反射镜101产生的部分球差、彗差。

本实施例的离轴反射成像光学系统的第三反射镜103为球面，其主要作用是将第二次反射镜102折转的光线继续折转，同时校正部分由第二主反射镜102引入的像散、场曲。

本实施例的离轴反射成像光学系统的第四反射镜104为非球面，其主要作用在于对第三反射镜(103)折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，提高系统像质，并使得光束在像面105处成像。

本实施例的离轴反射成像光学系统，通过采用上述结构，采用了纯反射结构，使得系统结构紧凑、焦距较长；视场大，使得系统像面很大；而且系统的成像质量高，达到了光学系统衍射极限。

可选地，上述实施例的离轴反射成像光学系统中第一主反射镜101具有正光焦度。第二次反射透102为二次曲面，具有负光焦度。第三反射镜103具有正光焦度。第四反射镜104为基于平面上的自由曲面，没有光焦度，即光焦度为零。

可选地，上述实施例的离轴反射成像光学系统可以用于对紫外光波段到红外光波段的入射光束成像。即本实施例的离轴反射成像光学系统的适用于紫外波段到红外波段。由于全部光学元件为反射镜，系统无色差。

可选地，上述实施例的离轴反射成像光学系统中第一主反射镜101、第二次反射镜102、第三反射镜103和第四反射镜104的材料为微晶玻璃、碳化硅材料或其他金属材料。

表1给出了本发明实施例中的离轴反射成像光学系统的基本参数。具体参数请参考表1。

表1 光学系统基本参数

入瞳	325mm
		入瞳离主反射镜距离	5000mm
视场角	±1.118°
		焦距	10m
波长	632.8nm
		二次曲面系数	2.85

表2给出了本发明实施例中的离轴反射成像光学系统每个光学元件的具体参数。

表2 投影物镜具体参数

表面序号	半径	厚度	材料	半口径
					Object	Infinity	Infinity
Stop	Infinity	5000		250.00
					1	-5756.02	-2600	Mirror	261.09
2(Conic)	-2002.80	2540	Mirror	124.16
					3	-3087.22	-2600	Mirror	257.43
4(ZernikeSurf)	Infinity	2600	Mirror	71.65
					Image	Infinity

其中，表2中的“表面序号”是沿光线传播方向计数；表2中的“半径”表示该面的曲率半径。其正负断定原则是：以该面顶点作为起点，终点为该面的曲率中心。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。若该面为平面，该面曲率半径为无穷大，具体设置视光学设计软件而定，也可以用一个很大的数值代替，如1E20；表2中的“stop”表示该面为系统孔径光阑面；表2中的“厚度”给出了相邻两个面在光轴上的距离。其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点。若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。表2中的“半口径”是离轴反射成像光学系统各个元件在入瞳为325mm时的半口径值。如果调整入瞳尺寸，则半口径也会改变。表2中的“ZernikeSurf”表示该面为自由曲面。自由曲面采用codev软件中的fringe zernike面形。该面形的表达式为：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + Σ_{j = 1}^{66} c_{(j + 1)} {ZP}_{j}

其中Z为矢高(平行于光轴方向测量)，C为顶点曲率半径，K为二次曲面系数，r为径向坐标，C_j+1为Zernike多项式中第j项的系数，ZP_j为Zernike多项式第j项(j＝1～66)。由于在设计时自由曲面不存在离焦、倾斜，所以在设计时的前五项(即C1、C4、C5、C6、C7)必须设置为零。第一项归一化半径由软件自动计算。表2中的“Conic”表面该面为二次曲面。二次曲面采用codev软件中的conic面形，该面形的表达式为：

Z = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}}

其中Z为矢高(平行于光轴方向测量)，C为顶点曲率半径，K为二次曲面系数，r为径向坐标。表2中的所有长度单位为mm。

表2A为表2的补充，它给出了二次曲面的二次曲面系数和自由曲面的系数。

表2A 自由曲面系数

系数

数值

系数

数值

系数

数值

系数

数值

K

0

C13

3.5583E-10

C23

-1.5686E-06

C33

-8.3475E-11

C4

0

C14

7.4299E-06

C24

4.6762E-07

C34

5.4766E-08

C5

0

C15

2.8911E-05

C25

5.7435E-12

C35

-3.6158E-07

C6

0

C16

-2.5353E-13

C26

-8.6882E-11

C36

4.7280E-12

C7

0

C17

1.1402E-10

C27

-6.3013E-07

C37

-8.8668E-11

C8

1.9025E-02

C18

1.1148E-05

C28

-5.9228E-08

C38

-8.6471E-07

C9

-2.6471E-12

C19

-2.1710E-07

C29

-3.5291E-10

C39

-9.5432E-09

C10

1.6121E-10

C20

4.5177E-07

C30

-7.2489E-08

C40

8.8108E-08

C11

6.6448E-03

C21

-2.6736E-12

C31

-3.2701E-07

C12

-4.6189E-04

C22

9.1748E-11

C32

-2.4053E-12

图3为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的点列图。如图3所示，其中圆圈为系统艾里斑。由图3可以看出，系统点列图远小于衍射艾里斑，表明该系统像成像质量很好。

图4为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的点扩散函数图。如图4所示，由图4中可以看到点扩散函数图形是圆对称结构，且可以看到一级衍射环条纹。表明该系统像成像质量很好。

图5为本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统的光学传递函数(MTF：ModulationTransfer Function)。如图5所示，由图5中可以看到系统对于各个视场的光学传递函数都很高，达到衍射极限。表明该系统成像质量很好。

图6是本发明实施例提供的离轴反射成像光学系统中的自由曲面面形图。如图6所示，由图6中可以看到该自由曲面相对于子午面对称，其面形P-V值小于50um。加工和检测难度都较小。

综上所述，本发明的离轴反射成像光学系统采用了纯反射结构，使得系统结构紧凑、焦距较长；视场大，像面超大。由于本发明中的离轴反射成像光学系统相对于子午面对称，且使用自由曲面校正了子午面和弧矢面内的像差，使得系统可以在子午面和弧矢面内得到很大的视场，系统视场可以设置为圆视场。由于本发明的离轴反射成像光学系统焦距长，视场大，使得系统像面很大。本发明的离轴反射成像光学系统由于其子午面对称结构和自由曲面的校正能力，使系统的成像质量高，达到了光学系统衍射极限。本发明中的离轴反射成像光学系统的第一主反射镜和第三反射镜为球面，且第四反射镜为基于平面的自由曲面，所以系统易于加工、检测和装调，生产成本低。由于本发明的离轴反射成像光学系统的第二次反射镜为二次曲面，易于加工，且检测时不需要专门设计补偿镜。

且本发明的离轴反射成像光学系统具有焦距长，像面超大，非球面数量少，成像质量好的特点，其最大优势在于系统非球面数量只有两个，第二次反射镜为二次曲面，第四反射镜为自由曲面，且非球面口径均较小；口径较大的第一主反射镜和第三反射镜均为球面。本发明中的离轴反射成像光学系统，该系统的入瞳可以设置于第一主反射镜前，也可设置在主反射镜上，且可以具有不同大小的入瞳口径。本发明中的离轴反射成像光学系统，该系统的光学元件加工难度小。非球面可直接使用干涉仪进行检测，不需要补偿镜。从而使得系统成本低，加工和检测难度小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种离轴反射成像光学系统，其特征在于，包括第一主反射镜(101)，第二次反射镜(102)，第三反射镜(103)和第四反射镜(104)；所述第一主反射镜(101)、所述第二次反射镜(102)和所述第三反射镜(103)的顶点均在系统光轴上，但均离轴使用；所述第一主反射镜(101)和所述第三反射镜(103)为球面，所述第二次反射镜(102)和所述第四反射镜(104)为非球面；

所述第一主反射镜(101)用于将入瞳(100)入射至其表面的入射光束会聚，使所述入射光束口径变小；所述第二次反射透(102)用于将所述第一主反射镜(101)会聚的光束折转，并校正由所述第一主反射镜(101)产生的部分球差和彗差；所述第三反射镜(103)将所述第二次反射镜(102)折转的光束继续折转，同时校正部分由所述第二主反射镜(102)引入的像散和场曲；所述第四反射镜(104)用于对所述第三反射镜(103)折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，并使得光束在像面(105)处成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述离轴反射成像光学系统的入瞳(100)设置在所述第一主反射镜(101)上或者设置在光束入射方向上所述第一主反射镜(101)之前。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一主反射镜(101)具有正光焦度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二次反射透(102)为二次曲面，具有负光焦度。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三反射镜(103)具有正光焦度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第四反射镜(104)为基于平面上的自由曲面，没有光焦度。

7.根据权利要求1-6任一所述的系统，其特征在于，所述系统用于对紫外光波段到红外光波段的所述入射光束成像。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一主反射镜(101)、所述第二次反射镜(102)、所述第三反射镜(103)和所述第四反射镜(104)的材料为微晶玻璃、碳化硅材料或其他金属材料。