CN112415731A - 一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统 - Google Patents

一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，包括一个带衍射面的自由曲面棱镜和一个可见光成像面；自由曲面棱镜含有四个光学面；自由曲面棱镜的四个光学面从物侧至像侧依次为第一次折射光学面、第一次反射光学面、第二次反射光学面和第二次折射光学衍射面；自由曲面棱镜光学系统的入射光瞳和第一次折射光学面重合；入射光线经过第一次折射光学面折射后，依次经过第一次反射光学面反射、第二次反射光学面反射，并经过第二次折射光学衍射面折射后，出射光线到达可见光成像面。该种光学系统能够兼容系统高度一体化、结构紧凑和轻量型的物理特征，以及同时实现大相对孔径、宽光谱成像与高分辨率的光学特征。

Description

一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，具体的说是一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统。
背景技术
离轴反射式光学系统能够实现可见光宽波段成像，具有结构紧凑、轻量型和无色差等特点。无论是离轴两反系统或离轴三反系统，各个反射镜之间是分立。这种分立式光学结构增加了系统整体的装调难度，并且其一体化程度较低。Jui-Wen Pan等人在《Demonstration of a broad band spectral head mounted display with freeformmirrors》(Optics Express，22(11)：12785-12798，2014)中设计了一个离轴两反头盔显示系统，利用机械结构将两个分立的自由曲面反射铝镜组合起来，用于增强轻微眼疾患者的视觉感知。Zhengxiang Shen等人在《Customized design and efficient fabrication oftwo freeform aluminum mirrors by single point diamond turning technique》(Applied Optics，58(9)：2269-2276，2019)中研制了一个大入瞳直径快焦比的离轴两反显示光学系统，同样采用外机械结构件将两个分立的反射铝镜组合在一起，系统的装调与校准难度偏大。此外，在虚拟显示光学系统中含有楔形结构的自由曲面棱镜，此类结构系统的色差难以校正；需要增加额外的透镜改善系统的色差，从而能够实现可见光宽光谱多彩色显示成像。同样地，系统的一体化程度也不高。因而，现有大部分用于可见光宽光谱的成像或显示光学系统无法同时满足物理特性高如高度一体化、结构紧凑与轻量型，以及光学特性好如大相对孔径、宽光谱和高分辨率等要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，该种光学系统能够兼容系统高度一体化、结构紧凑和轻量型的物理特征，以及同时实现大相对孔径、宽光谱成像与高分辨率的光学特征。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：包括一个带衍射面的自由曲面棱镜和一个可见光成像面；所述的自由曲面棱镜含有四个光学面；
自由曲面棱镜的四个光学面从物侧至像侧依次为第一次折射光学面、第一次反射光学面、第二次反射光学面和第二次折射光学衍射面；
所述的自由曲面棱镜光学系统的入射光瞳和第一次折射光学面重合；入射光线经过第一次折射光学面折射后，依次经过第一次反射光学面反射、第二次反射光学面反射，并经过第二次折射光学衍射面折射后，出射光线到达可见光成像面。
所述的自由曲面棱镜由PMMA材料制成。
所述的第一次折射光学面为平面，第一次反射光学面为自由曲面，第二次反射光学面为自由曲面，第二次折射光学衍射面为球面基底衍射面。
所述的大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的F数为1.5～3.0，入射光瞳直径为10mm～20mm，工作波长为400nm～700nm的可见光波段。
所述的大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的水平方向的视场角为16°，垂直方向的视场角为12°，对角全视场角为20°。
所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面为平面，表面镀有高增透膜；
第一次反射自由曲面采用XY多项式自由曲面，表面镀有高反射膜，其顶点半径范围为300mm～450mm；
第二次反射自由曲面也采用XY多项式自由曲面，表面镀有高反射膜，其顶点半径范围为80mm～120mm；
第二次折射光学衍射面的基底为球面，其顶点半径范围为-50mm～-40mm。
所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面与第二次反射自由曲面、第二次折射光学衍射面的相邻边缘互不干涉，第一次反射自由曲面与第二次反射自由曲面、第二次折射光学衍射面的相邻边缘互不干涉。
所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面与第一次反射自由曲面的距离范围为8mm～10mm，第一次反射自由曲面与第二次反射自由曲面的距离范围为1mm～2mm，第二次反射自由曲面与第二次折射光学衍射面的距离范围为8mm～10mm，第二次折射光学衍射面与可见光像面的距离范围为22mm～28mm。
该种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统能够达到的有益效果为：该种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的系统整体集成度高，结构紧凑且轻量化，物理结构特性的优势明显；与此同时，兼容了大相对孔径、宽光谱成像且分辨率高的光学特性优势。所提出的兼具高物理集成度与高光学成像性能的带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，可利用超精密单点金刚石车削加工工艺或压模成型工艺直接获得自由曲面棱镜，材料简单，适应性好。进一步的，该种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的系统具有同时实现大相对孔径、宽光谱成像与高分辨率的光学特征，具有更好的成像性能。
附图说明
图1为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第一具体实施例的光路示意图。
图2为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第一具体实施例的点列图。
图3为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第一具体实施例的MTF曲线图。
图4为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第二具体实施例的光路示意图。
图5为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第二具体实施例的点列图。
图6为本发明一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统第二具体实施例的MTF曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
第一具体实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，包括一个带衍射面的自由曲面棱镜和一个可见光成像面。所述的自由曲面棱镜PMMA材料制成，含有四个光学面。从物侧至像侧依次为第一次折射光学面101，第一次反射光学面102，第二次反射光学面103和第二次折射光学衍射面104。
所述的自由曲面棱镜光学系统的入射光瞳100和第一次折射光学面101重合。入射光线经过第一次折射光学面101折射后，依次经过第一次反射光学面102反射和第二次反射光学面103反射，并经过第二次折射光学衍射面104折射后，出射光线到达可见光成像面105。
所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面101为平面，表面镀有高增透膜，第一次反射光学面102为自由曲面，表面镀有高反射膜，第二次反射光学面103为自由曲面，表面镀有高反射膜，第二次折射光学衍射面104为球面基底衍射面，表面镀有高增透膜。
本实施例中，大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的F数为2.0，入射光瞳直径为15mm，工作波长为400nm～700nm的可见光波段。
本实施例中，大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的水平方向的视场角为16°，垂直方向的视场角为12°，对角全视场角为20°。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次折射光学面101与第二次反射自由曲面103、第二次折射光学衍射面104的相邻边缘互不干涉，第一次反射自由曲面102与第二次反射自由曲面103、第二次折射光学衍射面104的相邻边缘互不干涉。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次反射自由曲面102采用XY多项式自由曲面，其顶点半径为307.355mm；第二次反射自由曲面103也采用XY多项式自由曲面，其顶点半径为91.591mm；第二次折射光学衍射面104的基底为球面，其顶点半径为-46.131mm。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次折射光学面101与第一次反射自由曲面102的距离为9mm，第一次反射自由曲面102与第二次反射自由曲面103的距离为-1.6mm，第二次反射自由曲面103与第二次折射光学衍射面104的距离为8.999mm，第二次折射光学衍射面104与可见光像面105的距离为26.112mm。
本实施例中，所实现的自由曲面棱镜光学系统各个光学面的参数、间距及偏心量如表1所示，其中距离参数的正、负表示方向。
表1：本发明实施例中自由曲面棱镜光学系统各个光学面的参数、间距及偏心量
Figure BDA0002808084250000041
Figure BDA0002808084250000051
Figure BDA0002808084250000061
本实施例中，如图2所示，各个视场像点弥散斑半径均方根值均优于15微米，像点质心集中，证明具有探测精度高的特性。
本实施例中，如图3所示，在全视场范围内，在截止频率40线对每毫米处的调制传递函数值优于0.4，证明具有成像性能好的特性。
第二具体实施例：
如图4所示，本实施例提供了一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，包括一个带衍射面的自由曲面棱镜和一个可见光成像面。所述的自由曲面棱镜由PMMA材料制成，含有四个光学面。从物侧至像侧依次为第一次折射光学面201，第一次反射光学面202，第二次反射光学面203和第二次折射光学衍射面204。
所述的自由曲面棱镜光学系统的入射光瞳200和第一次折射光学面201重合。入射光线经过第一次折射光学面201折射后，依次经过第一次反射光学面202反射和第二次反射光学面203反射，并经过第二次折射光学衍射面204折射后，出射光线到达可见光成像面205。
所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面201为平面，表面镀有高增透膜，第一次反射光学面202为自由曲面，表面镀有高反射膜，第二次反射光学面203为自由曲面，表面镀有高反射膜，第二次折射光学衍射面204为球面基底衍射面，表面镀有高增透膜。
本实施例中，大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的F数为2.0，入射光瞳直径为15mm，工作波长为400nm～700nm的可见光波段。
本实施例中，大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的水平方向的视场角为16°，垂直方向的视场角为12°，对角全视场角为20°。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次折射光学面201与第二次反射自由曲面203、第二次折射光学衍射面204的相邻边缘互不干涉，第一次反射自由曲面202与第二次反射自由曲面203、第二次折射光学衍射面204的相邻边缘互不干涉。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次反射自由曲面202采用XY多项式自由曲面，其顶点半径为404.349mm；第二次反射自由曲面203也采用XY多项式自由曲面，其顶点半径为101.131mm；第二次折射光学衍射面204的基底为球面，其顶点半径为-43.335mm。
本实施例中，自由曲面棱镜的第一次折射光学面201与第一次反射自由曲面202的距离为8.989mm，第一次反射自由曲面202与第二次反射自由曲面203的距离为-1.616mm，第二次反射自由曲面203与第二次折射光学衍射面204的距离为8.999mm，第二次折射光学衍射面204与可见光像面205的距离为26.193mm。
本实施例中，所实现的自由曲面棱镜光学系统各个光学面的参数、间距及偏心量如表2所示，其中距离参数的正、负表示方向。
表2：本发明实施例中自由曲面棱镜光学系统各个光学面的参数、间距及偏心量
Figure BDA0002808084250000071
Figure BDA0002808084250000081
本实施例中，如图5所示，各个视场像点弥散斑半径均方根值均优于15微米，像点质心集中，证明具有探测精度高的特性。
本实施例中，如图6所示，在全视场范围内，在截止频率40线对每毫米处的调制传递函数值优于0.4，证明具有成像性能好的特性。
第一具体实施例和第二具体实施例提出的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，系统整体集成度高，结构紧凑且轻量化，物理结构特性的优势明显；与此同时，兼容了大相对孔径、宽光谱成像且分辨率高的光学特性优势，具有探测精度高和成像性能好的特性。所提出的兼具高物理集成度与高光学成像性能的带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，可利用超精密单点金刚石车削加工工艺或压模成型工艺直接获得自由曲面棱镜，材料简单，适应性好。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：包括一个带衍射面的自由曲面棱镜和一个可见光成像面；所述的自由曲面棱镜含有四个光学面；
自由曲面棱镜的四个光学面从物侧至像侧依次为第一次折射光学面、第一次反射光学面、第二次反射光学面和第二次折射光学衍射面；
所述的自由曲面棱镜光学系统的入射光瞳和第一次折射光学面重合；入射光线经过第一次折射光学面折射后，依次经过第一次反射光学面反射、第二次反射光学面反射，并经过第二次折射光学衍射面折射后，出射光线到达可见光成像面。
2.如权利要求1所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜由PMMA材料制成。
3.如权利要求1所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的第一次折射光学面为平面，第一次反射光学面为自由曲面，第二次反射光学面为自由曲面，第二次折射光学衍射面为球面基底衍射面。
4.如权利要求3所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的F数为1.5～3.0，入射光瞳直径为10mm～20mm，工作波长为400nm～700nm的可见光波段。
5.如权利要求4所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统的水平方向的视场角为16°，垂直方向的视场角为12°，对角全视场角为20°。
6.如权利要求3所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面为平面，表面镀有高增透膜；
第一次反射自由曲面采用XY多项式自由曲面，表面镀有高反射膜，其顶点半径范围为300mm～450mm；
第二次反射自由曲面也采用XY多项式自由曲面，表面镀有高反射膜，其顶点半径范围为80mm～120mm；
第二次折射光学衍射面的基底为球面，其顶点半径范围为-50mm～-40mm。
7.如权利要求6所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面与第二次反射自由曲面、第二次折射光学衍射面的相邻边缘互不干涉，第一次反射自由曲面与第二次反射自由曲面、第二次折射光学衍射面的相邻边缘互不干涉。
8.如权利要求7所述的一种大相对孔径带衍射面的自由曲面棱镜光学系统，其特征在于：所述的自由曲面棱镜的第一次折射光学面与第一次反射自由曲面的距离范围为8mm～10mm，第一次反射自由曲面与第二次反射自由曲面的距离范围为1mm～2mm，第二次反射自由曲面与第二次折射光学衍射面的距离范围为8mm～10mm，第二次折射光学衍射面与可见光像面的距离范围为22mm～28mm。
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