CN203799127U - 可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，包括第一反射镜以及第二反射镜，第二反射镜设置在经第一反射镜反射后的反射光光路上；第一反射镜设置在入射光光路上；第一反射镜以及第二反射镜均是抛物面反射镜。本实用新型提供了一种可用于扩束系统、缩束系统或者望远系统，并可以同时消除六种光学像差的可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统。

Description

可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种平行光系统，尤其涉及一种可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统。

背景技术

平行光系统在光学领域有着广泛的应用，例如光学扩束系统、光学缩束系统或者望远系统等，从透射、反射两方面来分类，可以分为透射式平行光系统和反射式平行光系统。

（1）透射式平行光系统

透射式平行光系统虽然理论上可以同时消除七种光学像差（球差、彗差、象散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差），若是使用各波段跨度大（例如在紫外波段、可见波段和红外波段同时使用的系统），透射式平行光系统受限于在各波段使用的光学材料，是难以做到消色差的。

（2）反射式平行光系统

反射式平行光系统虽然可以消除色差，但旋转对称系统存在中心遮拦，这在某些测量系统中也是无法使用的。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可用于扩束系统、缩束系统或者望远系统，并可以同时消除六种光学像差的可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，包括第一反射镜以及第二反射镜，所述第二反射镜设置在经第一反射镜反射后的反射光光路上；所述第一反射镜设置在入射光光路上；其特殊之处在于：所述第一反射镜以及第二反射镜均是抛物面反射镜。

上述第一反射镜和第二反射镜均是离轴凹抛物面反射镜。

上述第一反射镜是离轴凹抛物面反射镜；所述第二反射镜是离轴凸抛物面反射镜。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，该系统依靠两件抛物面反射镜（离轴凹抛物面以及离轴凸抛物面）消除了平行光系统中的六种像差（场曲除外），解决了系统的六种像差包括两种色差问题，同时也解决了遮拦问题，拓宽了系统的使用领域，几乎消除了全部像差，成像质量更好。

附图说明

图1是现有技术中反射式平行光平行光系统光路示意图；

图2是本实用新型所提供的有实焦点的离轴反射式平行光系统光路示意图；

图3是本实用新型所提供的无实焦点的离轴反射式平行光系统光路示意图；

图4是对本实用新型所采用的离轴凹抛物面进行光学检测的光路示意图；

图5是对本实用新型所采用的离轴凸抛物面进行光学检测的光路示意图；

图6是对本实用新型所提供的有实焦点的离轴反射式平行光系统进行光学检测的光路示意图；

图7是对本实用新型所提供的无实焦点的离轴反射式平行光系统进行光学检测的光路示意图；

其中：

M1-第一反射镜；M2-第二反射镜；1-干涉仪；2-平面镜。

具体实施方式

光学像差有七种，其中单色象差有五种，球差、彗差、象散、场曲和畸变，三级象差系数分别表示为S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，色差有两种，三级象差系数分别表示为C1和C2，由三级象差理论给出各系数的表达式为：

S₁=∑hP+∑h⁴K

S₂=∑yP-J∑W+∑h²yK

$\begin{array}{c}{S}_3=\mathrm{\Σ}\frac{y^2}{h}P-2\mathrm{J\Σ}\frac{y}{h}W+J^2\mathrm{\Σ\φ}\\ +\mathrm{\Σ}{h}^2{y}^{2}K\end{array}$

$S_4=\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\Π}}{h}$

$\begin{array}{c}{S}_5=\mathrm{\Σ}\frac{y^3}{h^2}-3\mathrm{J\Σ}\frac{y^2}{h^2}W\\ +J^2\mathrm{\Σ}\frac{y}{h}(3\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\Π}}{h})\\ -J^3\mathrm{\Σ}\frac{1}{h^2}\mathrm{\Δ}\left(\frac{1}{n^2}\right)+\mathrm{\Σ}{\mathrm{hy}}^{3}K\end{array}$

$C_1=\mathrm{\Σ}\frac{h^2}{v}\mathrm{\φ}$

$C_2=\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{hy}}{v}\mathrm{\φ}$

其中：

$P={\left(\frac{u^{\′}-u}{1/n^{\′}-1/n}\right)}^2\left(\frac{u^{\′}-u}{n^{\′}-n}\right),W=\left(\frac{u^{\′}-u}{1/n^{\′}-1/n}\right)\left(\frac{u^{\′}-u}{n^{\′}-n}\right)$

$\mathrm{\Π}=\frac{n^{\′}{u}^{\′}-\mathrm{nu}}{{\mathrm{nn}}^{\′}},\mathrm{\φ}=\frac{1}{h}(\frac{u^{\′}}{n^{\′}}-\frac{u}{n}),K=-\frac{e^2}{R^3}(n^{\′}-n)$

如图1所示，入射的平行光经过第一反射镜M1和第二反射镜M2反射后仍以平行光出射，反射式平行光系统中各参数为：n₁=n′₂=1，n′₁=n₂=-1，u₁=u′₂=0，u′₁=u₂=h₁/f₁'=h₂/f′₂，J=n'y'u'=0，遮拦比是：

α=h₂/h₁=f′₂/f₁'=R₂/R₁。

将以上各参数带入P、W、Π、φ、K的表达式中得到：

$P_1=-\frac{u_1^{\′3}}{4},P_2=\frac{u_2^3}{4}=\frac{u_1^{\′3}}{4},W_1=\frac{u_1^{\′2}}{2},W_2=-\frac{u_2^2}{2}=-\frac{u_1^{\′2}}{2},$ Π₁=u′₁，Π₂=-u₂=-u′₁，

${\mathrm{\φ}}_1=-\frac{u_1^{\′}}{h_1},{\mathrm{\φ}}_2=\frac{u_2}{h_2}=\frac{u_1^{\′}}{h_2},K_1=\frac{{2e}_1^2}{R_1^3},K_2=-\frac{{2e}_2^2}{R_2^3}$

将以上参数带入S₁～S₅的表达式中，可得到：

$\begin{array}{c}{S}_1=h_1{P}_1+h_2{P}_2+h_1^4{K}_1+h_2^4{K}_2\\ =-\frac{{2h}_1^4}{{R_1}^3}(1-\mathrm{\α}-e_1^2+{\mathrm{\αe}}_2^2)\end{array}$

$S_2=y_1{P}_1+y_2{P}_2+h_1^3{y}_1{K}_1+h_2^3{y}_2{K}_2$

$=\frac{{2h}_{`}^3}{R_1^3}(y_1{e}_1^2-y_2{e}_2^2-y_1+y_2)$

$S_3=\frac{y_1^2}{h_1}{P}_1+\frac{y_2^2}{h_2}{P}_2+h_1^2{y}_1^2{K}_1+h_2^2{y}_2^2{K}_1=-\frac{{2h}_1^2}{R_1}(y_1^2{e}_1^2-\frac{y_2^2{e}_2^2}{\mathrm{\α}}-y_1^2+\frac{y_2^2}{\mathrm{\α}})$

$S_4=\frac{{\mathrm{\Π}}_1}{h_1}+\frac{{\mathrm{\Π}}_2}{h_2}=\frac{u_1^{\′}}{h_1}(1-\frac{1}{\mathrm{\α}})=\frac{2}{R_1}(1-\frac{1}{\mathrm{\α}})$

$\begin{array}{c}{S}_5=\frac{y_1^3}{h_1^2}{P}_1+\frac{y_2^3}{h_2^2}{P}_2+h_1{y}_1^3{K}_1+h_2{y}_2^3{K}_2\\ =-\frac{2h_1}{R_1^3}(y_1^3{e}_1^2-\frac{y_2^3{e}_2^2}{{\mathrm{\α}}^2}-y_1^3+\frac{y_2^3}{{\mathrm{\α}}^2})\end{array}$

通过分析可得出若S₁=S₂=S₃=S₅=0，即第一反射镜以及第二反射镜这两反射镜都为抛物面反射镜时，系统可以消球差、彗差、象散和畸变四种象差。场曲S₄=0时α=1可得到h₁=h₂，系统是不现实的。对反射系统C1=C2=0，因此第一反射镜以及第二反射镜这两个反射镜为抛物面反射镜的平行光系统可以消除场曲外的六种色差。

图1中所示为旋转对称反射式平行光系统，此种系统存在中心遮拦，在图1的基础上给出有实焦点和无实焦点的离轴无遮拦平行光系统，光路如图2、图3所示。

（1）有实焦点的离轴无遮拦平行光系统

如图2所示，入射的平行光经过离轴凹抛物面的反射汇聚后经过实焦点发散到达离轴凹抛物面，出射为平行光。由两个离轴凹抛物面反射镜组成，入射为平行光，出射为平行光的系统即为可消六种像差（场曲除外）的有实焦点的离轴无遮拦平行光系统。

（2）无实焦点的离轴无遮拦平行光系统

如图3所示，入射的平行光经过离轴凹抛物面的反射汇聚后，在汇聚实焦点之前到达离轴凸抛物面，出射为平行光。由一个离轴凹抛物面反射镜和一个离轴凸抛物面反射镜组成，入射为平行光，出射为平行光的系统即为可消六种像差（场曲除外）的无实焦点的离轴无遮拦平行光系统。

可消六种像差（场曲除外）的离轴无遮拦平行光系统依靠两件抛物面反射镜消除了平行光系统中的六种像差，解决了系统的六种像差包括两种色差问题，同时也解决了遮拦问题，拓宽了系统的使用领域，几乎消除了全部像差，成像质量更好。

（1）根据是否需要实焦点选择可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统的类别；

（2）按照技术方案完成系统光学设计；

（3）按照如下方案完成抛物面元件的检测；

若抛物面为凹面，检测光路采用球面干涉仪的平面镜自准直反射检测法，光路如图4所示。

若抛物面为凸面，检测光路采用平面干涉仪的球面自准检测法，光路如图5所示。

对本实用新型所提供的可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统进行检测时，本实用新型还提供了一种检测系统，该检测系统为平行光入射，平行光出射系统，系统检测光路采用干涉仪1（尤其是平面干涉仪）以及平面镜2组成的平面自准检测光路，光路如图6（实焦点系统）、图7（无实焦点系统）。

Claims (3)

1.一种可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，包括第一反射镜以及第二反射镜，所述第二反射镜设置在经第一反射镜反射后的反射光光路上；所述第一反射镜设置在入射光光路上；其特征在于：所述第一反射镜以及第二反射镜均是抛物面反射镜。

2.根据权利要求1所述的可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，其特征在于：所述第一反射镜和第二反射镜均是离轴凹抛物面反射镜。

3.根据权利要求1所述的可消六种像差的离轴无遮拦平行光系统，其特征在于：所述第一反射镜是离轴凹抛物面反射镜；所述第二反射镜是离轴凸抛物面反射镜。