CN219997405U - 一种大视场低畸变全反射式光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大视场低畸变全反射式光学系统。入射光线由主反射镜反射，光束会聚入射到次反射镜上，经次反射镜反射的光束再经过第三反射镜的内表面反射后入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后成像在像面上。主反射镜、次反射镜和第三反射镜组成离轴三反成像系统；主反射镜和第三反射镜的面型为自由曲面，且二者的内表面均为凹面；次反射镜的面型为凸面。本实用新型提供的全反射式光学系统具有视场大、畸变低的成像效果，更好的实现系统的像差的校正和平衡，可用作成像光谱仪的前置物镜。

Description

一种大视场低畸变全反射式光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种全反射式光学系统，尤其涉及一种可用作成像光谱仪前置物镜的大视场低畸变全反射式光学系统。

背景技术

离轴三反成像系统具有无色差、热性能好、工作光谱范围宽等特点，可以广泛应用于光学系统成像技术等领域。目前比较常见的离轴反射系统多为采用传统简单面型的非致冷型系统，由于可设计变量自由度少的原因，整个光学系统很难兼顾视场与成像质量，无法同时满足大视场、低畸变、高灵敏度、高信噪比的要求。

公开号为CN212341587U的中国实用新型专利公开了一种应用自由曲面的离轴三反光学系统，设计了一个视场大小为3.66°×2.93°的光学系统，虽然面型应用了自由曲面，但系统视场较小，且系统的最大畸变值比较大，为3.7％。

文献“Design of a compact spectrometer with large field ofview basedon freeform surface.”(Optics Communications,444,81-86.doi:10.1016/j.optcom.2019.03.064)报道的离轴三反成像系统中应用的是非球面面型，视场大小为27°×1°，系统的最大畸变值比较大为2％。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提出了一种大视场低畸变全反射式光学系统。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供的技术解决方案如下：

一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特殊之处在于：沿光线入射方向依次为主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜和像面。其中主反射镜和第三反射镜的面型均采用XY多项式自由曲面，利用其光学自由度减小畸变，从而达到大视场、低畸变的效果；同时还利用平面反射镜来折叠光路，使光路分布更加合理。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型通过引入平面反射镜，折叠光路，充分利用空间，使所述全反射式光学系统的结构更加紧凑，当用作成像光谱仪的前置物镜时光路更合理。

2.本实用新型通过将主反射镜和第三反射镜的面型设置为自由曲面，为光学系统提供了更多的自由度，因而有利于校正像差，提高光学系统的性能参数。同时，相对于球面或非球面系统的控制变量更多，与现有的其他离轴三反成像系统相比，在相同的波段和视场下，本实用新型能实现更低的畸变，获得更好的像质。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种大视场低畸变全反射式光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的全反射式光学系统的全视场全波段传递函数曲线MTF曲线图；

图3是本实用新型一个实施例提供的全反射式光学系统的全视场全工作波段的点列图；

图4是本实用新型一个实施例提供的全反射式光学系统的全视场全工作波段的场曲/畸变图。

图中，1.主反射镜；2.次反射镜；3.第三反射镜；4.平面反射镜；5.像面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例提供一种大视场低畸变全反射式光学系统，F数为3.18，工作波段为400nm～1000nm，系统总焦距为70.4mm，总长为59.1mm，视场为36°×0.5°，其中，子午方向(-0.25°～0.25°)，弧矢方向(-18°～18°)，最大畸变为0.3％。参见附图1，它是本实施例提供的全反射式光学系统的结构示意图，沿光线入射方向，依次由主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3、反射镜4、像面5构成。其具体结构为：主反射镜和第三反射镜均为凹面反射镜，次反射镜为凸面反射镜，主反射镜和第三反射镜均位于次反射镜的同一侧，主反射镜和第三反射镜的面型均为自由曲面。

所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里。

本实施例提供的全反射式光学系统，自由曲面反射镜为6次XY多项式自由曲面，面型表达式z为：

其中，对于主反射镜，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值分别为：c＝-1.95×10^-2，k＝3.611；系数A_i中，A₂＝0.726，A₃＝-0.972，A₅＝-1.117，A₇＝-9.7×10^-2，A₉＝6.7×10^-2，A₁₀＝-0.124,A₁₂＝-0.665,A₁₄＝6×10^-2，A₁₆＝9.1×10^-2,A₁₈＝-0.42，A₂₀＝0.608，A₂₁＝4.104×10^-3，A₂₃＝0.123，A₂₅＝-0.264，A₂₇＝0.467，其余系数(i＝1,4,6,8,11,13,15,17,19,22,24,26)均为0。

对于第三反射镜，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值分别为：c＝-3.11×10^-2，k＝-0.012；系数A_i中，A₂＝-0.370，A₃＝0.572，A₅＝0.462，A₇＝4.4×10^-2，A₉＝0.931，A₁₀＝4×10^-2,A₁₂＝-0.128,A₁₄＝-1.749，A₁₆＝1.5×10^-2,A₁₈＝0.237，A₂₀＝1.585，A₂₁＝3.1×10^-2，A₂₃＝-6.1×10^-2，A₂₅＝-0.262，A₂₇＝-0.534，其余系数(i＝1,4,6,8,11,13,15,17,19,22,24,26)均为0。

本实施例提供的全反射式光学系统的面型参数满足表1的条件。

表1：

参见附图2，它是本实施例提供的全反射式光学系统的全波段传递函数MTF曲线图；图中，(a)图，(b)图，(c)图是在波长分别为400nm、700nm、1000nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图2可知，在100lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.4，曲线平滑紧凑，说明系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量及分辨率。

参见附图3，它是本实施例提供的全反射式光学系统在全视场全工作波段的点列图。由图3可知，在全视场全工作波段中，子午和弧矢方向光斑均匀，系统的像散得到了较好的校正，能量集中，满足使用要求。

参见附图4，它是本实施例提供的全反射式光学系统在全视场全工作波段的场曲/畸变图。由图4可知，最大视场为18度时，弧矢场曲为0.02mm，子午场曲为0.03mm，此时最大畸变为0.3％，具有较高的成像质量。

Claims (5)

1.一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特征在于：按光线入射方向，依次包括凹面主反射镜(1)、凸面次反射镜(2)、凹面第三反射镜(3)、平面反射镜(4)以及像面(5)；主反射镜(1)和第三反射镜(3)位于次反射镜(2)的同一侧；

所述主反射镜和第三反射镜的面型为XY多项式自由曲面，XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：

其中，z为曲面矢高，c是曲率；k是二次曲面系数；A₁～A₂₇分别是各单项式的系数；

所述主反射镜，XY多项式自由曲面中，c＝-1.95×10^-2；-4≤k≤4；-1≤A₂≤1,-1≤A₃≤1,-2≤A₅≤2,-1≤A₇≤1,-1≤A₉≤1,-2≤A₁₀≤2,-3≤A₁₂≤3,--1≤A₁₄≤1,-1≤A₁₆≤1,-1≤A₁₈≤1,-1≤A₂₀≤1，-1≤A₂₁≤1,-1≤A₂₃≤1,-1≤A₂₅≤1,-1≤A₂₇≤1,其余为0；

所述第三反射镜，XY多项式自由曲面中，c＝-3.11×10^-2；-1≤k≤1；-1≤A₂≤1,-1≤A₃≤1,-2≤A₅≤2,-1≤A₇≤1,-1≤A₉≤1,-1≤A₁₀≤1,-3≤A₁₂≤3,--2≤A₁₄≤2,-1≤A₁₆≤1,-1≤A₁₈≤1,-3≤A₂₀≤3，-1≤A₂₁≤1,-1≤A₂₃≤1,-1≤A₂₅≤1,-1≤A₂₇≤1,其余为0。

2.根据权利要求1所述的一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特征在于：所述系统的F数的取值范围为2≤F≤5。

3.根据权利要求1所述的一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特征在于：所述系统的总长L的取值范围为30mm≤L≤70mm。

4.根据权利要求1所述的一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特征在于：所述系统的最大畸变绝对值δ的取值范围的取值范围为0≤δ≤0.5％。

5.根据权利要求1所述的一种大视场低畸变全反射式光学系统，其特征在于：所述系统的全视场ω的取值范围为30≤ω≤50°。