CN217112865U - 一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，解决现有离轴四反系统存在系统体积较大、装调困难，及宽视场像散和场曲难以校正、像差平衡能力受到限制的问题。该系统包括主反射镜、次反射镜和第三反射镜；光源发出的光线依次经由主反射镜反射、次反射镜反射、第三反射镜反射、次反射镜再次反射后汇聚到焦平面上；主反射镜为扩展多项式面镜，次反射镜为偶次非球面镜，第三反射镜为二次曲面镜；主反射镜、次反射镜和第三反射镜中的至少1片面镜采用最高9次的XY多项式自由曲面，其方程式为：

式中：z为曲面矢高，c为曲面顶点处曲率，k为二次曲面系数，r为径向高度；

C_j为x^myⁿ项系数；上标m和n为非负整数，分别代表x和y的阶数。

Description

一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统

技术领域

本实用新型属于空间光学技术领域，具体涉及一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统。

背景技术

近年来，随着空间遥感应用的不断深入，对高光谱遥感的幅宽、空间分辨率、光谱范围、光谱分辨率、时间分辨率与定标精度等指标的要求越来越高。仪器的视场覆盖范围越大，使得回访周期越短，时间分辨率也就越高，因此，大视场小型化高分辨率成像光学系统逐渐成为空间遥感的迫切需求。对于空间光学前置镜设计中，光学系统主要有透射式、同轴反射式和离轴反射式等几种类型，其中离轴反射式兼具大视场和长焦距的特性，而被广泛的应用。

随着非球面加工技术的进步，离轴四反系统的应用也较为广泛，离轴四反系统所采用的光学元件通常为非球面。如公开号为CN107300759A，专利名称为一种大视场离轴四反镜头装置的中国专利，其四片反射镜的面型均为非球面。以及如公开号为CN106646839A，专利名称为深紫外谱段离轴四反光学成像系统的中国专利，也采用了非球面设计。离轴四反系统通常采用四片反射镜设计，存在整个系统体积较大、装调困难的问题。

传统球面的反射镜，对于大视场设计，会使整个光学系统结构复杂，难于降低体积、质量，并且像差难以校正，相应的系统结构较为复杂。相比传统球面系统，非球面系统使初级球差、彗差和像散可得到校正。但非球面的面形具有旋转对称性(轴对称)，子午和弧矢方向的曲率半径并不相互独立，使得在宽视场像散和场曲难以校正，并且像差平衡能力受到限制，难以满足成像质量要求。

实用新型内容

为了解决现有离轴四反系统的光学元件采用四片反射镜设计，存在整个系统体积较大、装调困难；以及采用轴对称非球面，存在宽视场像散和场曲难以校正，其像差平衡能力受到限制，难以满足成像质量要求的技术问题，本实用新型提供了一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，其特殊之处在于：包括主反射镜、次反射镜和第三反射镜；光源发出的光线依次经由主反射镜反射、次反射镜反射、第三反射镜反射、次反射镜再次反射后汇聚到焦平面上；

所述主反射镜为扩展多项式面镜，次反射镜为偶次非球面镜，第三反射镜为二次曲面镜；

所述主反射镜、次反射镜和第三反射镜中的至少1片面镜采用最高9次的XY多项式自由曲面，该最高9次的XY多项式自由曲面方程式为：

式中：z为曲面矢高，c为曲面顶点处曲率，k为二次曲面系数，r为径向高度；

C_j为x^myⁿ项系数；上标m和n为非负整数，分别代表x和y的阶数。

进一步地，所述主反射镜采用最高9次的XY多项式自由曲面；

所述主反射镜、次反射镜和第三反射镜的曲率半径分别采用正、正、负结构。

进一步地，所述主反射镜的曲率半径为182.05mm；

所述次反射镜的曲率半径为256.9mm；

所述第三反射镜的曲率半径为-153.01mm。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型光学系统仅采用三片反射镜即实现大视场小体积成像的需求，三片反射镜实现四反设计，降低装调难度，并且可减少系统体积，降低成本；以及主反射镜为扩展多项式面镜，次反射镜为偶次非球面镜，第三反射镜为二次曲面镜，三片反射镜中的至少1片面镜采用最高9次的XY多项式自由曲面，可矫正子午面和弧矢面不对称产生的轴外像差，提高成像质量。

2、本实用新型第三反射镜可作为光阑，限制轴上光束的大小，系统焦距为45mm，F数为4，系统总长小于75mm；以及系统视场角达到60°×30°，体积为74mm×93mm×62mm。

附图说明

图1是本实用新型基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统的成像MTF图；

图3是本实用新型基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统的点列图；

其中，附图标记如下：

1-主反射镜，2-次反射镜，3-第三反射镜，4-焦平面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。

与传统的旋转对称球面和非球面相比，自由曲面具有极大的设计自由度，光学面型可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成，不仅能最大程度的简化系统结构，实现集成化，还能最大限度的提高和改善系统性能，因此，本实用新型设计更高性能的自由曲面成像系统，实现宽视场成像系统的小型化、轻量化。

针对目前大视场高分辨率空间光学发展需求，如图1所示，本实用新型一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，包括主反射镜1、次反射镜2和第三反射镜3；光源发出的光线依次经由主反射镜1反射、次反射镜2反射、第三反射镜3反射、次反射镜2再次反射后汇聚到焦平面4上；第三反射镜3可作为光阑。该系统仅采用三片反射镜即实现大视场小体积成像的需求；三片反射镜采用同轴设计，无偏心和倾斜。

主反射镜1为扩展多项式面镜，次反射镜2为偶次非球面镜，第三反射镜3为二次曲面镜，并将二次曲面镜设置为光阑，采用视场离轴、三片镜片共轴设计，形成离轴四反光学系统。

本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图1中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴。主反射镜1、次反射镜2和第三反射镜3中的至少1片面镜采用最高9次的XY多项式自由曲面，优选仅主反射镜1采用最高9次的XY多项式自由曲面。

本实施例所设计的离轴四反光学系统在X方向是对称的，主反射镜1只选取X项参数的偶次幂项进行优化，奇次项参数为0。同时，多项式中Y的一次项对曲面的偏心和倾斜产生影响，设计中Y一次项值设为0，则主反射镜1采用最高9次的XY多项式自由曲面方程式为：

式中：z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，r为径向高度；

C_j为x^myⁿ项系数；上标m和n为非负整数，分别代表x和y的阶数。

本实施例离轴四反光学系统中各镜片的曲率半径采用正、正、负结构，具体参数如下表1所示；

表1本实施例离轴四反光学系统各镜片的曲率半径具体参数

镜片	曲率半径/mm
		1	182.05
2	256.9
		3	-153.01

本实施例光学系统将二次曲面镜设置为光阑，限制轴上光束的大小；采用视场离轴方式使光线斜入射到主反射镜1，在偶次非球面镜上经过两次反射，使系统形成四次反射；系统焦距为45mm，F数为4，系统总长小于75mm；以及系统视场角达到60°×30°，体积为74mm×93mm×62mm。

图2是本实施例光学系统的成像MTF图，在截止频率34lp/mm处，中心视场MTF>0.85，边缘视场MTF>0.73，成像对比度良好。

图3是本实施例光学系统的成像点列图，系统探测器像元尺寸为15μm，RMS半径小于4μm，像差校正良好。

本实施例光学系统可适用于需要宽视场、小型化、轻量化设计的前置望远物镜中，可覆盖0.4-0.95μm可见到近红外工作波段。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。

Claims (3)

1.一种基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，其特征在于：包括主反射镜(1)、次反射镜(2)和第三反射镜(3)；光源发出的光线依次经主反射镜(1)反射、次反射镜(2)反射、第三反射镜(3)反射、次反射镜(2)再次反射后汇聚到焦平面(4)上；

所述主反射镜(1)为扩展多项式面镜，次反射镜(2)为偶次非球面镜，第三反射镜(3)为二次曲面镜；

所述主反射镜(1)、次反射镜(2)和第三反射镜(3)中的至少1片面镜采用最高9次的XY多项式自由曲面，该最高9次的XY多项式自由曲面方程式为：

式中：z为曲面矢高，c为曲面顶点处曲率，k为二次曲面系数，r为径向高度；

C_j为x^myⁿ项系数；上标m和n为非负整数，分别代表x和y的阶数。

2.根据权利要求1所述基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，其特征在于：所述主反射镜(1)采用最高9次的XY多项式自由曲面；

所述主反射镜(1)、次反射镜(2)和第三反射镜(3)的曲率半径分别采用正、正、负结构。

3.根据权利要求2所述基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统，其特征在于：所述主反射镜(1)的曲率半径为182.05mm；

所述次反射镜(2)的曲率半径为256.9mm；

所述第三反射镜(3)的曲率半径为-153.01mm。

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