CN109188665A - 基于平板相位元件的离轴三反成像系统 - Google Patents

基于平板相位元件的离轴三反成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的基于平板相位元件的离轴成像系统，包括：一主反射镜、一次反射镜、一第三反射镜以及一探测器；所述主反射镜用于将物方光线反射，形成一第一反射光；所述次反射镜用于将第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第三反射镜用于将第二反射光再次反射，形成一第三反射光；所述探测器用于接收所述第三反射光并成像。所述主反射镜、次反射镜、以及第三反射镜均为平板相位元件；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠，系统结构紧凑。

Description

基于平板相位元件的离轴三反成像系统
技术领域
本发明涉及光学系统设计领域，尤其涉及一种结构紧凑的基于平板相位元件的离轴成像系统。
背景技术
成像光学系统在人类生活、工业、科研等各个领域都有十分重要的应用。随着科学技术的发展与进步，人们对现代成像光学系统的要求也越来越高，系统设计逐渐朝着大孔径、大视场、结构离轴非对称的方向发展。普通的基于传统几何曲面的成像系统，体积和重量可能较大。此外离轴系统中应用的面形一般非回转对称，本身无基准，造成装调十分困难。
近年来，相位元件越来越多的被应用于成像系统设计中。此类元件基于衍射原理或者超颖表面的电磁响应，可以用于调控波前，因此也可以用于成像系统设计。而平板相位元件是将相位面加工于平面基底上。此类系统可以有效降低传统的体积和重量，可以实现大角度的光线折转。同时，由平板相位元件组成的系统的装调难度大大降低。综上，此类系统具有非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种基于平板相位元件的离轴成像系统。该成像系统采用离轴三反结构，系统的三个元件均为反射式的平板相位元件。系统的光路之间相互交叠，系统结构非常紧凑。
一种基于平板相位元件的离轴三反成像系统，包括：一主反射镜，用于将物方发出的光线反射，形成一第一反射光；一次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及一探测器，该探测器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述第三反射所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述探测器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜、次反射镜、以及第三反射镜均为平板相位元件，其表面的相位函数为6次xy多项式；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠。所述物方发来光线的光路、第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠；次反射镜和第三反射镜在物方发来光线的异侧；主反射镜和探测器在第二反射光的异侧。主反射镜和第三反射镜事实上可以集成为一个单一的相位元件。
与现有基于传统几何曲面的离轴成像系统相比，本发明提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统，系统的重量与体积较小，结构十分紧凑。同时系统的装调难度相比于采用非回转对称几何曲面组成的系统大大降低。主反射镜和第三反射镜的集成可以进一步降低系统的装调难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统的光路示意图。
图2为本发明实施例提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统的结构与坐标系示意图。
图3为本发明实施例提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统在不同波长下调制传递函数(MTF)曲线。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统100做进一步的详细说明。
请参阅图1和2，本发明提供一种基于平板相位元件的离轴三反成像系统100，包括：一主反射镜102、一次反射镜104、一第三反射镜106以及一探测器108。所述次反射镜104位于主反射镜102的反射光路上；所述第三反射镜106位于次反射镜104的反射光路上；所述图像传感器108位于第三反射镜106的反射光路上。所述主反射镜102、次反射镜104以及第三反射镜106均为平板相位元件，其反射面均为相位面，可分别用一定的相位函数表征。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100工作时的光路如下：物方光线入射到所述主反射镜102的反射面上，被反射后形成一第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜104的反射面上，经该次反射镜104的反射面反射后形成一第二反射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜106的反射面上，经该第三反射镜106的反射面反射后形成一第三反射光被所述探测器108接收到并成像。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之间相互交叠，所述物方发来光线的光路、第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠，次反射镜和第三反射镜在物方发来光线的异侧，主反射镜和探测器在第二反射光的异侧，进而充分利用空间，使所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的结构紧凑，体积小。主反射镜102和第三反射镜106可以是一个整体的平板相位元件，主反射镜102和第三反射镜106的两个反射面在同一个平面内，从而进一步降低装调自由度，简化装调。
在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，水平方向的z1轴向左为负向右为正，y1轴在图2所示的平面内，垂直于z1轴向上为正向下为负，x1轴垂直于y1z1平面，且垂直y1z1平面向里为正向外为负。在空间中相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜102所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜104所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜106所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，所述图像传感器108所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)。主镜102、次镜104、第三反射镜106的相位函数分别在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)中表达。
在本专利给出的一个实施例中，所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-45.67491,200.62812)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.49579度。
所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,52.97284,5.81444)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转34.05124度。
所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-117.46400,170.89828)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.49579度。
所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-101.29055,71.04533)位置(单位：mm)，z5轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转23.06754度。
系统主反射镜102、次反射镜104、第三反射镜106的相位函数分别是在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)、第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)中的6次xy多项式，其一般表达式为：
其中，φ为用长度单位表征的相位值，Ai是多项式中第i项的系数。由于所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100关于yz平面对称，因此，可以仅保留x的偶次项。本实施例中，所述主反射镜102、次反射镜104、第三反射镜106反射面的xy多项式中各项系数Ai的值请分别参见表1。可以理解，各项系数Ai的值也不限于表1所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主反射镜102、次反射镜104、第三反射镜108的相位函数xy多项式各系数的值
所述探测器108的中心位于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述探测器108的平面设置于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的x5y5平面内。
所述主反射镜102、次反射镜104、第三反射镜106的相位面实现方式不限，可以是二元光学衍射面、采用全息方法制备的衍射面或基于微纳结构的超颖表面等。如果为衍射面，衍射级次使用+1级。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的孔径光阑为次反射镜104。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的视场角为8°×6°。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的工作波段为1060nm。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的焦距为95.3mm。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的F数为1.798。
所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的探测器108的像元大小为5μm×5μm。
请参阅图3，为基于平板相位元件的离轴三反成像系统100在不同波长下的调制传递函数(MTF)曲线，从图中可以看出，在1060nm波长处，各视场MTF曲线在100线对/mm处都高于0.53，表明该基于平板相位元件的离轴三反成像系统100具有很高的成像质量。
本发明实施例提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统100具有以下优点：与现有基于传统几何曲面的离轴成像系统相比，本发明提供的基于平板相位元件的离轴三反成像系统，系统的重量与体积较小；所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的F数较小，数值孔径较大，可以使更多的光进入系统，使该系统具有更高的输入能量与极限分辨率。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之间相互交叠，进而充分利用空间，使所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统100的结构非常紧凑，体积小。结构十分紧凑。采用平板元件后，系统的装调难度相比于大大降低。系统的主反射镜102和第三反射镜106的两个反射面可以加工同一个平面基地上，从而形成一体化的主镜-三镜平板相位元件进一步降低装调自由度，简化装调。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平板相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，包括：
一主反射镜，该主反射镜将物方发来的光线反射，形成一第一反射光；
一次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；
一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及
一探测器，该探测器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；
所述主反射镜、次反射镜、以及第三反射镜均为平板相位元件，其反射面均为平面，且为二元光学衍射面、采用全息方法制备的衍射面或者超颖表面等，通过衍射或其它电磁效应实现波前调控。
2.如权利要求1所述的基于平板相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述物方发来光线的光路、第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠；次反射镜和第三反射镜在物方发来光线的异侧；主反射镜和探测器在第二反射光的异侧。
3.如权利要求1所述的基于平板相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，三个相位面的相位函数均采用最高阶为6次的xy多项式。
4.如权利要求1所述的基于平板相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述基于平板相位元件的离轴三反成像系统的视场角为8°×6°，焦距为95.3mm，F数为1.798。
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