CN113311575B - 基于改正板的离轴三反光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改正板的离轴三反光学系统，包括施密特改正板、主镜、次镜、三镜和焦面，所述施密特改正板与入射光的光轴垂直，光线依次经过所述施密特改正板、主镜、次镜、三镜到达所述焦面；所述施密特改正板、主镜、次镜、三镜和焦面共用同一光轴；所述施密特改正板、主镜、次镜设置于光轴的一侧；所述施密特改正板的一面为平面、另一面为无光焦度非球面。本发明通过在传统离轴三反系统中加入施密特改正板，进一步扩大离轴三反系统视场，提高成像分辨率；加入的施密特改正板不仅可以补偿大视场轴外像差，还可作为系统封窗玻璃使用，使得改正型离轴三反系统结构更紧凑。

Description

基于改正板的离轴三反光学系统
技术领域
本发明属于光学设计领域，具体涉及一种基于改正板的离轴三反光学系统。
背景技术
宽波段、大视场光学系统在航空航天的空间侦查、空间观测中，能获得无穷远目标的高清晰度照片，可广泛应用于现代工业或机载遥感等领域，因此备受工业及军事等部门的青睐。
对于宽波段、大视场成像光学系统，折射式光学系统需采用特殊光学材料或者复杂结构来消二级光谱，且口径过大时透镜材料均匀性难以保证，这些因素都影响到物体最终的成像质量。全反射光学系统不受色差影响，镜片材料容易获得，且口径可以做的较大是大口径宽波段光学系统的理想结构。其中，两反射系统结构简单，但自由度少，不能很好的校正轴外像差。三反射系统由三片非球面组成，自由度更多，视场较大时也具有良好的成像质量，但是，常规的三反系统，视场在一个方向扩大，而不能X和Y方向同时都做的很大，也就是常规的宽幅离轴三反系统。折反射光学系统以反射镜为基础，加入适当的折射元件，用来矫正轴外球差，可取得良好的光学质量。施密特系统具有视场大、像质好等优点，是应用最广泛的折反射系统之一。但是，传统的施密特系统由施密特改正板和反射镜组成，属于同轴反射系统，系统中心有较大遮拦，对光学系统的传递函数有一定影响。
发明内容
本发明提供了一种基于改正板的离轴三反光学系统，在传统离轴三反系统中加入施密特改正板，进一步扩大离轴三反系统视场，提高成像分辨率。加入的施密特改正板不仅可以补偿大视场轴外像差，还可作为系统封窗玻璃使用，使得改正型离轴三反系统结构更紧凑。
本发明通过以下技术方案予以实现：
基于改正板的离轴三反光学系统，包括施密特改正板、主镜、次镜、三镜和焦面，所述施密特改正板与入射光的光轴垂直，光线依次经过所述施密特改正板、主镜、次镜、三镜到达所述焦面；所述施密特改正板、主镜、次镜、三镜和焦面共用同一光轴；所述施密特改正板、主镜、次镜设置于光轴的一侧；所述施密特改正板的一面为平面、另一面为无光焦度非球面，面型由下式确定：
x＝Ay2+By4+Cy6+Dy8+····
式中，A、B、C、D为施密特改正板的特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的矢高。
进一步的，所述施密特改正板的材料为石英。
进一步的，所述主镜和三镜均为凹非球面，面型为二次或高次非球面，面型由下式确定：
Figure BDA0003096219690000021
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的矢高。
进一步的，所述主镜和三镜的材料为SIC、陶瓷或玻璃材料。
进一步的，所述次镜为凸非球面，面型为二次非球面，面型由下式确定：
Figure BDA0003096219690000022
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，x为非球面的矢高。
进一步的，所述次镜的材料为SIC、陶瓷或玻璃材料。
进一步的，所述施密特改正板、主镜、次镜、三镜的曲率中心位于光轴上。
进一步的，所述施密特改正板的数量为一片或者多片。
本发明的技术效果如下：
1、本发明提供一种大视场、宽波段光学系统，该系统为折反射式光学系统，成像质量好；
2、在传统离轴三反系统基础上结合施密特系统进行改进，将施密特改正板设计到离轴三反系统中，使得光学系统在保持离轴三反系统原有结构优点的前提下，具有施密特系统矫正轴外像差的能力，与传统离轴三反相比，扩大了系统视场，提高了轴外视场成像质量；
3、本发明采用施密特改正板作为封窗玻璃，提高光学元件利用率，使光路结构更加紧凑；
4、本发明中的施密特改正板为高次非球面，在设计过程中精确控制施密特改正板的加工去除量，最大非球面度仅为0.005mm，加工周期短，且易实现高精度检测。
5、与现有的同等口径离轴三反系统相比，本发明的光学系统提升了视场，视场可达5°，采用两片改正板，视场可扩大至8°；同等口径相同成像质量离轴三反系统视场小于3°。
附图说明
图1为本发明光学结构示意图；
图2为本发明实施例1光学系统MTF曲线图；
图3为本发明实施例2光路图；
图4为本发明实施例2光学系统MTF曲线图。
具体实施方式
为避免施密特系统中心遮拦造成的成像质量下降，又能利用三反系统的多自由度校正像差，本发明对施密特式三反系统进行孔径离轴处理形成改正型离轴三反系统，该系统可在宽波段，大视场下实现高分辨率成像。
基于改正板的离轴三反光学系统如图1所示，包括：施密特改正板1、主镜2、次镜3、三镜4和焦面5；其中，光线依次经过所述施密特改正板1、所述主镜2、次镜3、三镜4到达所述焦面5；其中所述施密特改正板1、所述主镜2、次镜3、三镜4、焦面5共用同一光轴6；其中所述施密特改正板1、所述主镜2、次镜3在光轴6的一侧。
所述施密特改正板1材料为石英，与入射光光轴垂直，光学面一面为平面，另一面为无光焦度非球面，面型由如下公式确定，式中，A、B、C、D为施密特改正板特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的矢高。
x＝Ay2+By4+Cy6+Dy8+····
所述主镜2和三镜4均为凹非球面，材料为SIC、陶瓷或玻璃材料，面形为二次或高次非球面，面形由如下公式确定，
Figure BDA0003096219690000031
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的矢高。
所述次镜3为凸非球面，材料为SIC、陶瓷或玻璃材料，面形为二次非球面，面形由如下公式确定，
Figure BDA0003096219690000041
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，x为非球面的矢高。
所述施密特改正板1、主镜2、次镜3、三镜4曲率中心位于光轴6上。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
光学系统设计指标如下：
有效口径：200mm；
光学视场：全视场5°；
系统焦距：2000mm；
像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.3，该光学系统的MTF曲线如图2所示；
工作波段：0.74um～18um。
所述200mm口径光学系统的结构示意图如图1所示，该光学系统包括施密特改正板1、主镜2、次镜3、三镜4和焦面5。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特改正板1、主镜2、次镜3、三镜4和焦面5。施密特改正板的高次非球面可以补偿轴外像差，这样能使整个系统的轴外像差得到很好的矫正，且系统不产生色差。
改正型离轴三反光学系统设计参数
Figure BDA0003096219690000042
改正板非球面系数：4次项系数：B＝-5.14×10-13，6次项系数：
C＝4.26×10-17，8次项系数：D＝4.29×10-21，本发明系统的工作谱段为0.55um～18um，系统焦距为f＝2000mm，视场角2ω＝5°，有效通光口径200mm。像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.35，畸变小于0.2％，成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特改正板与接近球面最大偏差为0.005mm，采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该改正型离轴三反系统的设计可为大视场宽波段光学系统的开发提供参考。
实施例2
大视场宽波段光学系统，参照图3：光学设计指标如下：
口径：200mm；
全视场：8°；
焦距：2000mm；
像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.3，该大视场宽波段光学系统的MTF曲线如图4所示；
工作波段：0.55um～18um。
所述光学系统包括施密特改正板1(由两片组成)、主镜2、次镜3、三镜4和焦面5。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特改正板1、主镜2、次镜3、三镜4和焦面5。两片施密特改正板的高次非球面可以补偿更大视场轴外像差，这样能使整个系统的轴外像差得到很好的矫正，且系统不产生色差。本发明基于改正板的离轴三反光学系统中的施密特改正板1可以为一片或者多片，本实施例以多片为例进行说明。
改正型离轴三反光学系统设计参数
Figure BDA0003096219690000051
Figure BDA0003096219690000061
本实施例中的工作谱段为0.55um～18um，系统焦距为f＝2000mm，视场角2ω＝8°，有效通光口径200mm。像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.3，畸变小于0.2％，成像质量达到了衍射极限。
综上所述，本发明提供了一种基于改正板的离轴三反光学系统，在传统离轴三反系统中加入施密特改正板，进一步扩大离轴三反系统视场，提高成像分辨率。加入的施密特改正板不仅可以补偿大视场轴外像差，还可作为系统封窗玻璃使用，使得改正型离轴三反系统结构更紧凑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，包括施密特改正板(1)、主镜(2)、次镜(3)、三镜(4)和焦面(5)，所述施密特改正板(1)与入射光的光轴垂直，光线依次经过所述施密特改正板(1)、主镜(2)、次镜(3)、三镜(4)到达所述焦面(5)；所述施密特改正板(1)、主镜(2)、次镜(3)、三镜(4)和焦面(5)共用同一光轴(6)；所述施密特改正板(1)、主镜(2)、次镜(3)设置于光轴(6)的一侧；所述施密特改正板(1)的一面为平面、另一面为无光焦度非球面，面型由下式确定：
x＝Ay2+By4+Cy6+Dy8+····
式中，A、B、C、D为施密特改正板的特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的矢高；
所述主镜(2)和三镜(4)均为凹非球面，面型为二次或高次非球面，面型由下式确定：
Figure FDA0003719712120000011
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的矢高；所述次镜(3)为凸非球面，面型为二次非球面，面型由下式确定：
Figure FDA0003719712120000012
式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，x为非球面的矢高。
2.根据权利要求1所述的基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，所述施密特改正板(1)的材料为石英。
3.根据权利要求1所述的基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，所述主镜(2)和三镜(4)的材料为SIC、陶瓷或玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，所述次镜(3)的材料为SIC、陶瓷或玻璃材料。
5.根据权利要求1所述的基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，所述施密特改正板(1)、主镜(2)、次镜(3)、三镜(4)的曲率中心位于光轴(6)上。
6.根据权利要求1所述的基于改正板的离轴三反光学系统，其特征在于，所述施密特改正板(1)的数量为一片或者多片。
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