CN111596451B - 一种大视场离轴三反式平行光管光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学装调检测领域，具体涉及一种大视场离轴三反式平行光管光学系统。解决现有离轴反射式平行光管成像视场小、加工、装配困难及成本较高的问题。沿光线传播方向依次包括靶标板、分束镜、三镜、次镜、主镜及光阑；三镜、次镜、主镜均偏心设置，光路中没有中间像面，光阑位于主镜之前；光线经过靶标板，再依次经分束镜、三镜、次镜、主镜反射之后达到光阑，以平行光出射；三镜、次镜及主镜的反射面均为二次曲面；该系统采用离轴三反式设计，并通过设计各个光学元件的表面参数，实现了焦距3000mm、入瞳直径300mm、圆视场4°的系统参数，全视场出射波前RMS值优于λ/18@632.8nm。
Description
技术领域
本发明涉及光学装调检测领域，具体涉及一种大视场离轴三反式平行光管光学系统。
背景技术
平行光管是装校调整光学仪器的重要工具，常用来模拟无穷远目标发射的平行光束。同时也是光学度量仪器中的重要组成部分，在平行光管的焦面上放置分划板、星点板、鉴别率板等焦平面组件，可检测和标定待测光学系统的各种参数和性能。
在很多情况下，必须保证平行光管出射光束的光谱范围尽量宽广，包含紫外到红外，以满足不同工作谱段的光学仪器测试需求。
透射式平行光管是最为常见的一种平行光管，设计加工都比较成熟，适用于大批量生产；但由于采用透射玻璃元件，不可避免的存在色差问题，尤其是在大视场、长焦距、宽谱段应用中，系统的二级光谱难以矫正。
反射式平行光管覆盖的范围宽广，但可用的视场较小。而且通常反射式平行光管采用共轴光学系统，存在中心遮拦，且其反射面均为非球面，其加工、装配较为困难，成本较高；而离轴反射式平行光管虽不存在中心遮拦，但反射面均为离轴非球面，其加工、装配更为困难，造价十分昂贵，且成像视场较小，不利于测试。
发明内容
本发明的目的是提出一种大视场离轴三反式自准直平行光管光学系统，以解决现有离轴反射式平行光管成像视场小、加工、装配困难及成本较高的问题。该系统具有成像视场大、焦距长、工作谱段宽、成像质量高等特点。
本发明的技术解决方案是提供一种大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特殊之处在于：沿光线传播方向依次包括靶标板、分束镜、三镜、次镜、主镜及光阑；三镜、次镜、主镜均偏心设置，光路中没有中间像面，光阑位于主镜之前；光线经过靶标板，再依次经分束镜、三镜、次镜、主镜反射之后达到光阑，以平行光出射；
所述三镜、次镜及主镜的反射面均为二次曲面；
所述主镜的曲率半径R1满足-2f’<R1<-f’，所述主镜的口径D1满足D<D1<2D，所述主镜的离轴量DEC1满足D<DEC1<2D；其中D为光学系统的入瞳直径，f’为光学系统的焦距；
所述次镜的曲率半径R2满足-0.5f’<R2<-f’，所述次镜的口径D2满足0.5D<D2<D，所述次镜的离轴量DEC2满足0<DEC2<0.5D；
所述三镜的曲率半径R3满足-0.5f’<R3<-f’，所述三镜的口径D3满足2D<D3<2.5D，所述三镜的离轴量DEC3满足D<DEC3<2D。
进一步地，所述主镜与次镜的间距L1满足L1≤0.5f’，所述主镜的conic系数C1满足为-1<C1<-2；
所述次镜与三镜的间距L2满足L2≤0.5f’，所述次镜的conic系数C2满足为-1<C2<-0.5；
所述三镜与分束镜的间距L3满足L3≤0.5f’，所述三镜的conic系数C3满足为-0.5<C3<0。
进一步地，所述次镜与主镜的光轴偏移小于20mm，所述三镜与次镜的光轴偏移小于30mm。
进一步地，所述分束镜为光学平板，其材料为融石英，厚度为50mm。
进一步地，为了在测试中实时监测待测光学系统的实际指向，该光学系统还包括依次位于分束镜背面的柱面镜、补偿平板与自准直相机；平行光管自准直时，光线依次经过主镜、次镜及三镜的反射，进入分束镜，经分束镜透射进入柱面镜和补偿平板到达自准直相机。
进一步地，所述柱面镜的两个表面均为X方向的柱面镜；所述补偿平板为光学平板。
进一步地，所述柱面镜的材料为H-ZF6，中心厚度≤25mm，前表面曲率半径≤90mm，后表面的曲率半径≤90mm。
进一步地，所述补偿平板的材料为H-ZF6，厚度≤30mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用离轴三反式设计，并通过设计各个光学元件的表面参数，实现了焦距3000mm、入瞳直径300mm、圆视场4°的系统参数，全视场出射波前RMS值优于λ/18@632.8nm；
2、本发明采用二次曲面作为三镜、次镜、主镜三个反射镜的反射面，且三个反射镜之间不存在倾斜，仅存在偏心，加工、装配简单，造价便宜；
3、本发明在初始离轴三反光学系统基础上通过添加补偿平板和柱面镜实现了自准直功能，且没有在主光路中，在测试中可以实时监测待测光学系统的实际指向，为待测光学系统实际测试提供参考方向。
附图说明
图1为本发明光学系统的总体结构示意图；
图2为本发明光学系统光路结构示意图；
图3为本发明光学系统的MTF曲线；
图4为本发明光学系统弥散斑图；
图5为本发明光学系统波前RMS；
图中附图标记为：1-主镜，2-次镜，3-三镜，4-分束镜，5-靶标板，6-柱面镜，7-补偿平板，8-自准直相机。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本实施例光学系统在光学路径上放置主镜1、次镜2、三镜3、分束镜4、靶标板5，同时在分束镜的透射光路中依次放置柱面镜6、补偿平板7和自准直相机8，且位于分束镜4的后面。系统光阑位于主镜1前方，且系统中不存在中间像面。光线在传播方向上依次经过靶标板5、分束镜4、三镜3、次镜2和主镜1，之后以平行光出射；若待测光学系统自带基准镜，经过基准镜反射的光依次经过主镜1、次镜2，三镜3，分束镜4、柱面镜6和补偿平板7，最后到达自准直相机8。
在该大视场离轴三反式自准直平行光管光学系统中，主镜1、次镜2及三镜3三个反射镜均为二次曲面，分束镜和补偿平板均为光学平板，柱面镜的两个表面均为柱面；
光学系统焦距为f’，入瞳直径为D，主镜1的曲率半径R1满足-2f’<R1<-f’，主镜1与次镜2的间距L1满足L1≤0.5f’，主镜1的conic系数C1满足为-1<C1<-2；主镜1的口径D1满足D<D1<2D，离轴量DEC1满足D<DEC1<2D；
次镜2的曲率半径R2满足-0.5f’<R2<-f’，次镜2与三镜3的间距L2满足L2≤0.5f’，次镜2与主镜1的光轴偏移小于20mm，次镜的conic系数C2满足为-1<C2<-0.5；次镜2的口径D2满足0.5D<D2<D，离轴量DEC2满足0<DEC2<0.5D；
三镜3的曲率半径R3满足-0.5f’<R3<-f’，三镜3与分束镜4的间距L3满足L3≤0.5f’，三镜3与次镜2的光轴偏移小于30mm，三镜3的conic系数C3满足为-0.5<C3<0；三镜3的口径D3满足2D<D3<2.5D，离轴量DEC3满足D<DEC3<2D；
分束镜4为光学平板，材料为融石英，厚度≤50mm；
柱面镜6的两个表面均为X方向的柱面镜，材料为H-ZF6，中心厚度≤25mm，前表面曲率半径≤90mm，后表面的曲率半径≤90mm；补偿平板7为光学平板，材料为H-ZF6，厚度≤30mm；
本实施例所提供的光学系统的系统焦距为3000mm，成像视场为圆视场4°，工作波段为400-900nm，系统入瞳直径为300mm，全视场无渐晕。如图3和图5所示，在400-900nm波段范围内全视场范围内MTF均接近衍射极限，相对畸变小于0.2％，全视场范围内波前RMS误差值优于λ/18@632.8nm。
Claims (7)
1.一种大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：沿光线传播方向依次包括靶标板、分束镜、三镜、次镜、主镜及光阑；三镜、次镜、主镜均偏心设置，光阑位于主镜之前；光线经过靶标板，再依次经分束镜、三镜、次镜、主镜反射之后达到光阑，以平行光出射；
所述三镜、次镜及主镜的反射面均为二次曲面；
所述主镜的曲率半径R1满足-2f’<R1<-f’，所述主镜的口径D1满足D<D1<2D，所述主镜的离轴量DEC1满足D<DEC1<2D；其中D为光学系统的入瞳直径，f’为光学系统的焦距；
所述次镜的曲率半径R2满足-0.5f’<R2<-f’，所述次镜的口径D2满足0.5D<D2<D，所述次镜的离轴量DEC2满足0<DEC2<0.5D；
所述三镜的曲率半径R3满足-0.5f’<R3<-f’，所述三镜的口径D3满足2D<D3<2.5D，所述三镜的离轴量DEC3满足D<DEC3<2D；
所述主镜与次镜的间距L1满足L1≤0.5f’，所述主镜的conic系数C1满足为-1<C1<-2；
所述次镜与三镜的间距L2满足L2≤0.5f’，所述次镜的conic系数C2满足为-1<C2<-0.5；
所述三镜与分束镜的间距L3满足L3≤0.5f’，所述三镜的conic系数C3满足为-0.5<C3<0。
2.根据权利要求1所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：所述次镜与主镜的光轴偏移小于20mm，所述三镜与次镜的光轴偏移小于30mm。
3.根据权利要求2所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：所述分束镜为光学平板，其材料为融石英，厚度为50mm。
4.根据权利要求3所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：还包括依次位于分束镜背面的柱面镜、补偿平板与自准直相机；平行光管自准直时，光线依次经过主镜、次镜及三镜的反射，进入分束镜，经分束镜透射进入柱面镜和补偿平板到达自准直相机。
5.根据权利要求4所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：所述柱面镜的两个表面均为X方向的柱面镜；所述补偿平板为光学平板。
6.根据权利要求5所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：所述柱面镜的材料为H-ZF6，中心厚度≤25mm，前表面曲率半径≤90mm，后表面的曲率半径≤90mm。
7.根据权利要求6所述的大视场离轴三反式平行光管光学系统，其特征在于：所述补偿平板的材料为H-ZF6，厚度≤30mm。
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