CN114488497B

CN114488497B - 实出瞳离轴反射光学系统

Info

Publication number: CN114488497B
Application number: CN202111672283.0A
Authority: CN
Inventors: 朱钧; 吴玮琛
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114488497A

Abstract

本发明涉及一种实出瞳离轴反射光学系统，包括：一主镜、一次镜、一三镜以及一实出瞳，所述主镜、次镜和三镜均为自由曲面，所述主镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次镜位于主镜的反射光路上，反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述三镜位于次镜的反射光路上，反射所述第二反射光束，形成一第三反射光束，其中，所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚像点，所述第三反射光束穿过所述实出瞳到达一像面。

Description

实出瞳离轴反射光学系统

技术领域

本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种离轴三反成像系统。

背景技术

离轴反射式光学成像系统具有透过率高、成像波段范围广、无色差等优势，在成像领域有着诸多应用。为了避免光束遮拦而减小成像效率，离轴系统的对称性遭到破坏，会引入非常规的和一些有视场依赖性的像差，具有回转对称性的球面和非球面往往矫正这类像差的能力较弱。光学自由曲面是一种不具有回转对称性、设计自由度高的光学曲面，可以用于矫正离轴像差。近年来，自由曲面越来越多的用于离轴反射式成像系统，实现了许多具有高性能的成像系统。

在离轴反射成像系统的末端如果存在实际的出射光瞳，可以在出射光瞳位置放置挡光板，以抑制杂散光、散射光和衍射光。同时，当在出射光瞳位置处使用制冷探测器的冷挡或冷屏，还可以显著限制有害的背景辐射并提高信噪比。因此，外部实际出射光瞳对于实现高性能红外成像系统非常重要。

然而，目前带有实出瞳的离轴自由曲面系统大多为三反射镜且有中间像的像式形式，中间像一般在主镜之后，这会导致主镜的光焦度变大，光焦度大会带来大的像差，同时有中间像的系统也会产生更大的畸变。另外，光焦度大的曲面起伏大，加工精度相对较低。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种具有实出瞳的无中间像的离轴三反成像系统。

一种实出瞳离轴反射光学系统，包括：一主镜、一次镜、一三镜以及一实出瞳，所述主镜、次镜和三镜均为自由曲面，所述主镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次镜位于主镜的反射光路上，反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述三镜位于次镜的反射光路上，反射所述第二反射光束，形成一第三反射光束，其中，所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚为像点，所述第三反射光束穿过所述实出瞳到达一像面。

相较于现有技术，本发明提供的实出瞳离轴反射光学系统，由于所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚为像点，不会产生中间像，从而使得自由曲面的像差小，图像畸变小能够减少该成像系统的F数，提高该成像系统的视场，从而获得更高的成像分辨率和更宽的观测范围；此外，该成像系统由于包括一实出瞳，系统的灵敏度可相应提高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实出瞳离轴反射光学系统的光路图。

图2为本发明实施例提供的实出瞳离轴反射光学系统的各视场的MTF曲线。

图3为本发明实施例提供的实出瞳离轴反射光学系统的各视场的平均RMS波像差图。

主要元件符号说明

实出瞳离轴反射光学系统 100

主镜 102

次镜 104

三镜 106

像面 108

实出瞳 110

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

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种实出瞳离轴反射光学系统100。所述实出瞳离轴反射光学系统100包括相邻且间隔设置的一主镜102、一次镜104、以及一三镜106。所述主镜102、次镜104和三镜106的面形均为自由曲面。所述主镜102位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次镜104位于主镜102的反射光路上，用于反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述三镜106位于次镜104的反射光路上，用于反射所述第二反射光束，形成一第三反射光束。所述入射光束依次经过所述主镜102、次镜104、以及三镜106的反射后，被一像面108接收到并成像。所述实出瞳离轴反射光学系统100进一步包括一实出瞳110，该实出瞳110设置在所述像面108与所述三镜106之间。所述实出瞳110和所述像面108位于所述三镜106的反射光路上。所述第三反射光束穿过所述实出瞳110到达所述像面108后被接收并成像。

所述实出瞳离轴反射光学系统100工作时的光路如下：物位于无穷远处，从物发出的光束首先入射到所述主镜102的反射面上，经该主镜102的反射面后形成所述第一反射光束，该第一反射光束照射到所述次镜104的反射面上，经该次镜104的反射面反射后形成所述第二反射光束，该第二反射光束照射到所述三镜106的反射面上，经该三镜106的反射面反射后形成所述第三反射光束。所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚为像点。

所述主镜102、次镜104、三镜106的反射面均为自由曲面。所述主镜102、次镜104和三镜106的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜102、次镜104和三镜106可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主镜102、次镜104和三镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。所述主镜102、次镜104和三镜106的尺寸不限。

为了描述方便，将所述实出瞳离轴反射光学系统100所处的空间定义一全局三维直角坐标系(X，Y，Z)，将所述主镜102所处的空间定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，所述次镜104所处的空间定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，所述三镜106所处的空间定义一第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')。本实施例中，所述实出瞳离轴反射光学系统100的入瞳位置的中心为所述全局三维直角坐标系的原点，请参阅图1所示，通过入瞳中心的一条水平方向的直线为Z轴，向左为负向右为正，Y轴在图1所示的平面内，垂直于Z轴向上为正向下为负，X轴垂直于YZ平面，垂直于YZ平面向里为正向外为负。

在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，以所述主镜102上的一点为原点定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，主镜102的反射面及其位置由该第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')描述。在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，以所述次镜104上的一点为原点定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，次镜104的反射面及其位置由该第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)描述。在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，以所述三镜106上的一点为原点定义一第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')，三镜106的反射面及其位置由该第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')描述。

所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')、第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)及第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')的原点分别位于所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中不同的位置。所述第一局部坐标系(X'，Y'，Z')、第二局部坐标系(X”，Y”，Z”)及第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')中的每个局部坐标系均可以看作是全局坐标系(X，Y，Z)先平移使得全局坐标系(X，Y，Z)的原点和局部坐标系的原点重合，然后绕着全局坐标系(X，Y，Z)的X轴旋转得到的。

所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')为所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向和Z轴正方向平移得到，且平移的距离可依实际需要选择设置。本实施例中，所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向平移约49mm，再沿Z轴正方向平移约135mm，最后以X轴为旋转轴逆时针旋转约10°得到；所述第一局部三维直角坐标系的原点在所述全局三维直角坐标系中的坐标为(0，49，135)。

在所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述主镜102的反射面为x'y'的多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式可表达为：

其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A_i'是多项式中第i项的系数。由于所述实出瞳离轴反射光学系统100关于Y'Z'平面对称，因此，可以仅保留X'的偶次项。优选的，所述主镜102的反射面一x'y'多项式自由曲面，所述x'y'多项式为x'的偶次多项式，x'的最高次数为4次，该x'y'多项式自由曲面的方程式可表达为：

需要注意地是，所述x'y'多项式自由曲面的最高次的次数并非仅限于4次，还可以为6次、8次或10次等，本领域技术人员可以根据实际情况优化设计得到。

本实施例中，所述主镜102反射面的x'y'多项式中曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数A_i'的值请参见表1。可以理解，曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数A_i'的值也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表1主镜的反射面的x'y'多项式中的各系数的值

曲率c'	-7.18272501195E-03
		二次曲面系数Conic Constant(k')	-1.0795061520E+01
<![CDATA[A<sub>3</sub>']]>	-1.06871931813E+01
		<![CDATA[A<sub>4</sub>']]>	8.54782390386E-04
<![CDATA[A<sub>6</sub>']]>	-3.73863066554E-03
		<![CDATA[A<sub>8</sub>']]>	2.369969108726E-06
<![CDATA[A<sub>10</sub>']]>	-1.240291794828E-05
		<![CDATA[A<sub>11</sub>']]>	5.131247176238E-08
<![CDATA[A<sub>13</sub>']]>	1.116839235187E-07
		<![CDATA[A<sub>15</sub>']]>	4.048227406768E-08

在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴负方向和Z轴负方向平移得到，且平移的距离可依实际需要选择设置。本实施例中，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)由所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴负方向平移约68mm，再沿Z轴负方向平移约10mm，然后以X轴为旋转轴顺时针旋转约为31°得到；所述第二局部三维直角坐标系的原点在所述全局三维直角坐标系中的坐标为(0，-19，124)。

在所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述次镜104的反射面为x”y”的多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式可以表达为：

其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，A_i”是多项式中第i项的系数。由于所述实出瞳离轴反射光学系统100关于Y”Z”平面对称，因此，可以仅保留X”的偶次项。优选的，所述次镜104的反射面为一次数为4次的X”的偶次项的x”y”多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式可表达为：

需要注意地是，所述x”y”多项式自由曲面的最高次的次数并非仅限于4次，还可以为6次、8次或10次等，本领域技术人员可以根据实际情况优化设计得到。

本实施例中，所述次镜104反射面的x”y”多项式中曲率c”、二次曲面系数k”以及各项系数A_i”的值请参见表2。可以理解，曲率c”、二次曲面系数k”以及各项系数A_i”的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表2次镜的反射面的x”y”多项式中的各系数的值

曲率c”	-7.34131964615E-03
		二次曲面系数Conic Constant(k”)	2.12186151613E+00
<![CDATA[A<sub>3</sub>”]]>	-3.58827673973E-01
		<![CDATA[A<sub>4</sub>”]]>	-1.24328200930E-03
<![CDATA[A<sub>6</sub>”]]>	-1.30216644508E-03
		<![CDATA[A<sub>8</sub>”]]>	7.667888248223E-05
<![CDATA[A<sub>10</sub>”]]>	-2.771866257869E-04
		<![CDATA[A<sub>11</sub>”]]>	3.580589045025E-08
<![CDATA[A<sub>13</sub>”]]>	8.087138924118E-07
		<![CDATA[A<sub>15</sub>”]]>	3.053015278620E-06

在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')为所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)沿Y轴正方向和Z轴负方向平移得到，且平移的距离可依实际需要选择设置。本实施例中，所述第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')由所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)沿Y轴正方向平移约181mm，再沿Z轴负方向平移约148mm，然后以X轴为旋转轴顺时针旋转约为28°得到；所述第三局部三维直角坐标系的原点在所述全局三维直角坐标系中的坐标为(0，162，-24)。

在所述第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')中，所述三镜106的反射面为x”'y”'的多项式自由曲面，该x”'y”'多项式自由曲面的方程式可以表达为：

其中，z”'为曲面矢高，c”'为曲面曲率，k”'为二次曲面系数，A_i”'是多项式中第i项的系数。由于所述实出瞳离轴反射光学系统100关于Y”'Z”'平面对称，因此，可以仅保留X”'的偶次项。优选的，所述三镜106的反射面为一次数为4次的X”'的偶次项的x”'y”'多项式自由曲面，该x”'y”'多项式自由曲面的方程式可表达为：

需要注意地是，所述x”'y”'多项式自由曲面的最高次的次数并非仅限于4次，还可以为6次、8次或10次等，本领域技术人员可以根据实际情况优化设计得到。

本实施例中，所述三镜106反射面的x”'y”'多项式中曲率c”'、二次曲面系数k”'以及各项系数A_i”'的值请参见表3。可以理解，曲率c”'、二次曲面系数k”'以及各项系数A_i”'的值也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表3三镜的反射面的x”'y”'多项式中的各系数的值

所述实出瞳110和所述像面108位于所述第三反射光束的光路上，所述第三反射光束穿过所述实出瞳110到达所述像面108后被接收成像。本实施例中，所述实出瞳110的位置由所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴负方向平移约32mm，再沿Z轴正方向平移约119mm，最后以X轴为顺转轴逆时针旋转约12°得到。所述实出瞳110可以显著抑制杂散光、散热光和衍射光，从而可以提高该实出瞳离轴反射光学系统100的信噪比，使该光学系统100具有更高的灵敏度。本实施例中，所述实出瞳110的半径为21mm。

光线入射后，经主镜102反射后到达次镜104，并经过所述次镜104的反射后，再经三镜106反射后，经过所述实出瞳110被像面108接收到并成像。所述像面108与所述实出瞳110平行且相对设置。所述像面108与所述实出瞳110之间的距离不限，可依实际需要选择设置。本实施例中，所述实出瞳110到像面108的距离为40mm。所述像面108的位置可以放置任意的光学成像元件，也可以作为另一个光学系统的入瞳。本实施例中，所述像面108的位置放置一光探测器。

此外，该实出瞳离轴反射光学系统100还可以进一步包括一孔径光阑，所述孔径光阑位于所述实出瞳108上。所述孔径光阑的孔径和形状不限，具体可以根据实际需要选择设置。

所述实出瞳离轴反射光学系统100的视场角、等效焦距、入瞳直径及F数等参数可以依实际情况而设定得到。所述实出瞳离轴反射光学系统100的视场角范围为1°×1°～7°×7°，F数范围为1.5-3。本实施例中，所述实出瞳离轴反射光学系统100的等效焦距为73mm，入瞳直径为37mm，F数为1.5-3，视场角范围为3.04°×3.04°。当然，可以理解地，所述实出瞳离轴反射光学系统100的参数的数值并不限于本实施例所列举的数值，依据本发明而得到的参数的其他数值，也应在本发明保护的范围内。

所述实出瞳离轴反射光学系统100的工作波段不限，可以为可见光波段或红外波段。本实施例中，所述实出瞳离轴反射光学系统100的工作波长范围为3微米到5微米。当然，所述实出瞳离轴反射光学系统100的工作波长并不限于本实施例，可以根据实际需要调整。

请参阅图2，为所述实出瞳离轴反射光学系统100在红外光波段下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场调制度在60lp/mm处最低为0.40以下，各视场MTF曲线都基本达到了衍射极限，表明该实出瞳离轴反射光学系统100具有很高的成像质量。

请参阅图3，为所述实出瞳离轴反射光学系统100的各视场的平均RMS波像差图，平均值为0.022λ，其中λ＝3459.1nm，说明该实出瞳离轴反射光学系统100的成像质量很好。

本发明提供的实出瞳离轴反射光学系统，由于所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚为像点，不会产生中间像，从而使得自由曲面的像差小，图像畸变小能够减少该成像系统的F数，提高该成像系统的视场，从而获得更高的成像分辨率和更宽的观测范围；此外，该成像系统由于包括一实出瞳，系统的灵敏度可相应提高。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种实出瞳离轴反射光学系统，包括：一主镜、一次镜、一三镜以及一实出瞳，所述主镜、次镜和三镜均为自由曲面，所述主镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次镜位于主镜的反射光路上，反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述三镜位于次镜的反射光路上，反射所述第二反射光束，形成一第三反射光束，其特征在于，所述第一反射光束和第二反射光束均没有会聚像点，所述第三反射光束穿过所述实出瞳到达一像面，以所述实出瞳离轴反射光学系统的入瞳位置的中心为原点定义一全局三维直角坐标系(X，Y，Z)，在所述全局三维直角坐标系中，以所述主镜上的一点为原点定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，以所述次镜上的一点为原点定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，以所述三镜上的一点为原点定义一第三局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')为所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向和Z轴正方向平移得到，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴负方向和Z轴负方向平移得到，所述次镜的反射面为一次数为4次的x”的偶次项的x”y”多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式表达为：

其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，A_i”是多项式中第i项的系数。

2.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述主镜的反射面为一次数为4次的x'的偶次项的x'y'多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式表达为：

其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A_i'是多项式中第i项的系数。

3.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述三镜的反射面为一次数为4次的x”'的偶次项的x”'y”'多项式自由曲面，该x”'y”'多项式自由曲面的方程式表达为：

其中，z”'为曲面矢高，c”'为曲面曲率，k”'为二次曲面系数，A_i”'是多项式中第i项的系数。

4.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向平移约49mm，再沿Z轴正方向平移约135mm，最后以X轴为旋转轴逆时针旋转约10°得到。

5.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)由所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴负方向平移约68mm，再沿Z轴负方向平移约10mm，然后以X轴为旋转轴顺时针旋转约为31°得到。

6.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述第三局部三维直角坐标系(X”'，Y”'，Z”')由所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)沿Y轴正方向平移约181mm，再沿Z轴负方向平移约148mm，然后以X轴为旋转轴顺时针旋转约为28°得到。

7.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述实出瞳离轴反射光学系统的视场角范围为1°×1°～7°×7°，F数范围为1.5-3。

8.如权利要求1所述的实出瞳离轴反射光学系统，其特征在于，所述实出瞳离轴反射光学系统进一步包括一孔径光阑，所述孔径光阑位于所述实出瞳上。