CN111025613A - 基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的基于自由曲面基底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自由曲面基底相位元件；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

基于自由曲面基底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技术领域，具体涉及一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统。

背景技术

与球形和非球形表面相比，自由曲面为光学设计提供了更多的自由度，因此其可以提供更强的像差校正能力。近年来，随着先进制造技术的不断发展，自由曲面已经成功地用于成像和照明领域。随着消费者需求的增长，自由曲面有望用于设计超紧凑的高性能系统。在某些系统需求中，光线必须实现大角度偏转，这将导致面形不符合实际情况。在某些极端的设计任务中，自由曲面提供的变量不足，这将导致在系统设计中使用的元件个数更多，因而增加系统的复杂性，体积和重量。

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。而自由曲面基底相位元件是将相位面加工于自由曲面基底上。当自由曲面基底和相位函数集成于一个元件上时，系统的设计自由度得到很好的扩展。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，可以降低系统的装调难度。综上，此类系统具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，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自由曲面基底相位元件。系统的光路之间相互交叠，系统结构非常紧凑。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，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，该次反射镜为一光阑面；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自由曲面基底相位元件，其几何形状基底均为自由曲面，基底上加载相位结构，即加载相位面。

进一步地，本发明所述相位面可用相位函数表征，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。

与现有基于传统几何曲面的离轴成像系统相比，本发明提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，主反射镜、次反射镜以及第三反射镜均为自由曲面基底相位元件，由于自由曲面基底相位元件可以提供更多的设计自由度，从而更好地校正系统像差以提升系统的成像质量，并且可以减少系统所需要的总元件个数以使得系统结构十分紧凑、体积更小、更轻便。同时该基于自由曲面基底相位元件的离轴三反光学系统的主反射镜与第三反射镜在Z轴方向的位置非常接近且近似连续，有利于将其加工在一块元件上，从而有利于系统的加工和装调；该自由曲面基底及相位函数使用的XY多项式方程式的次数较低，比较容易加工。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于自由曲面基底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自由曲面基底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自由曲面基底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。

其中，100-基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，102-主反射镜，104-次反射镜，106-第三反射镜，108-探测器。

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自由曲面基底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自由曲面基底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；所述探测器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均为自由曲面基底相位元件，其几何形状基底均为自由曲面，基底上加载相位结构，即加载相位面。

本实施例所述相位面可用相位函数表征，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，通过衍射或其它电磁效应实现波前调控。

本实施例基于自由曲面基底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，进而充分利用空间，使所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的结构紧凑，体积小，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)，所述探测器108所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x₅，y₅，z₅)。主镜102的基底自由曲面和相位函数在第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)中表达，次镜104的基底自由曲面和相位函数在第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)中表达，第三反射镜106的基底自由曲面和相位函数在第四三维直角坐标系(x₄，y₄，z₄)中表达。

在本发明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,-2.63843E-08,119.90936)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35.98014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(0,117.40134,-25.26456)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11.07496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(0,149.86182,162.23414)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4.22421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(0,175.21893,-9.96040)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11.61343度。

系统主反射镜102、次反射镜104、第三反射镜106的基底自由曲面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4次xy多项式，其一般表达式为：

其中，z为用长度单位表征的矢高，A_i是多项式中第i项的系数。由于所述基于自由曲面基底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反射面的基底自由曲面xy多项式中各项系数A_i的值请分别参见表1。可以理解，各项系数A_i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的基底自由曲面xy多项式各系数的值

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4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，B_i是多项式中第i项的系数。由于所述基于自由曲面基底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反射面的相位函数xy多项式中各项系数B_i的值请分别参见表2。可以理解，各项系数B_i的值也不限于表2所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表2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。

所述基于自由曲面基底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。

所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的视场角为8°×6°。

所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的工作波段为1064nm。

所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的焦距为120mm。

所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的F数为1.5。

所述基于自由曲面基底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，为基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100在近红外波段下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都接近衍射极限，表明该基于自由曲面基底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自由曲面基底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，本发明提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，系统的重量与体积较小；所述基于自由曲面基底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，使所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统100的结构非常紧凑，体积小，系统的装调难度大大降低。系统的主反射镜102和第三反射镜106的两个反射面在Z轴方向位置非常接近且近似连续，有利于将其加工在同一块元件上，从而有利于系统的加工和装调，从而形成一体化的主镜-三镜自由曲面基底相位元件进一步降低装调自由度，简化装调。该系统中反射镜的基底自由曲面和相位函数使用的xy多项式曲面次数均较低，比较容易加工。

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 (7)

1.一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，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，该次反射镜为一光阑面；

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；其特征在于，

所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜均为自由曲面基底相位元件，其几何形状基底均为自由曲面，基底上加载相位结构，即加载相位面。

2.根据权利要求1所述基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，包括：所述相位面可用相位函数表征，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。

3.如权利要求1所述的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统的视场角为8°×6°，焦距为120mm，F数为1.5。

4.如权利要求1所述的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射面均由一含有x的偶次项的4次xy多项式基底自由曲面以及一含有x的偶次项的4次xy多项式相位函数描述的相位面组成，该xy多项式基底自由曲面的方程式为：

该xy多项式相位函数的方程式为：

φ(x,y)＝B₂y+B₃x²+B₅y²+B₇x²y+B₉y³+B₁₀x⁴+B₁₂x²y²+B₁₄y⁴。

5.如权利要求4所述的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述主反射镜的自由曲面基底的xy多项式的方程式中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄分别为：

曲率c 0.000770895289026918 二次曲面系数Conic constant(k) -0.797276488098187 A₂ -0.40333739087515 A₃ 0.000166363196340383 A₅ 0.000168371351992018 A₇ -2.10123802231007E-06 A₉ -6.25429616592769E-07 A₁₀ 1.70118140723902E-09 A₁₂ 1.0496733281525E-08 A₁₄ 7.61931339168244E-09

所述主反射镜的xy多项式相位函数的方程式中，系数B₂、B₃、B₅、B₇、B₉、B₁₀、B₁₂以及B₁₄分别为：

B₂ 0.193700105885708 B₃ -0.00106548423739859 B₅ -0.00124547230901764 B₇ 2.77880293615391E-06 B₉ 1.28275969434945E-07 B₁₀ -1.93242116870403E-09 B₁₂ -1.47941623745019E-08 B₁₄ -1.15345561309003E-08

。

6.如权利要求4所述的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述次反射镜的自由曲面基底的xy多项式的方程式中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄分别为：

曲率c -0.000920537630331813 二次曲面系数Conic constant(k) 98.4930704821419 A₂ -0.0282456962130218 A₃ -0.000468678935571442 A₅ -0.000914497326812102 A₇ 2.48415830957612E-07 A₉ 2.16207830339822E-06 A₁₀ -2.02258461714248E-08 A₁₂ -4.02900056456071E-08 A₁₄ -2.10280577033625E-08

所述次反射镜的xy多项式相位函数的方程式中，系数B₂、B₃、B₅、B₇、B₉、B₁₀、B₁₂以及B₁₄分别为：

B₂ -0.162400683785827 B₃ -0.000341676716423131 B₅ -0.00108439139258005 B₇ 2.35102023749832E-06 B₉ 5.11614083565975E-06 B₁₀ -2.31046007191506E-08 B₁₂ -4.9179890560066E-08 B₁₄ -2.6237440212723E-08

。

7.如权利要求4所述的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，其特征在于，所述第三反射镜的自由曲面基底的xy多项式的方程式中，曲率c、二次曲面系数k以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄分别为：

所述第三反射镜的xy多项式相位函数的方程式中，系数B₂、B₃、B₅、B₇、B₉、B₁₀、B₁₂以及B₁₄分别为：

B₂ -0.283629542437814 B₃ 5.92124721273454E-05 B₅ -6.12455616687066E-05 B₇ -4.31558407074523E-07 B₉ -3.41706679888957E-07 B₁₀ 7.68855904427988E-09 B₁₂ 2.04858942172772E-08 B₁₄ 1.22718375025506E-08

。

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