一种基于自由曲面的离轴三反光学系统

1.本发明属于红外光学成像系统设计领域，涉及离轴反射光学系统，特别涉及一种基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统。


背景技术：

2.相比于折射式系统和折反射式光学系统，全反射系统具有无色差、宽波段、小体积等优点；离轴三反光学系统相比于同轴三反射式光学系统可以避免中心遮拦，视场更大，成像质量更好，被越来越多地应用于资源普查、灾害预警、气象观测等领域。随着光学检测与加工技术的不断提高，多自由度的自由曲面成为研究热点，自由曲面是非传统曲面，无法用球面或非球面表示，结构灵活，可以很好地校正光学系统的像差，从而使光学系统满足轻量化、小型化、高分辨率的要求。离轴三反光学系统在避免遮拦的同时会产生离轴量，增加系统体积，导致大体积包络问题，小f数可以使分辨率提高，但会增加设计难度。目前，许多设计的离轴三反光学系统f数较大，无法同时满足高分辨率和小体积的要求。


技术实现要素：

3.为了解决目前离轴三反光学系统大体积包络或低分辨率的问题，本发明提供了一种基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统，该系统满足结构紧凑、高分辨率的要求。
4.为解决以上技术问题，该发明基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统包括主反射镜1，次反射镜2和三反射镜3；其特征在于，所述的主反射镜、次反射镜、三反射镜均为泽尼克标准矢高表面，曲面方程满足式1，来自远处目标物反射的平行光线依次经过主反射镜1、次反射镜2和三反射镜3后成像在像面。
[0005][0006]
式(1)中，z为沿z方向的曲面矢高，c为曲面的曲率，k为圆锥曲线常数，r2＝x2+y2，r为表面点的径向坐标，α
i
为偶次项的系数，z
j
为泽尼克多项式第j项，c
j
为第j项的系数，p为泽尼克多项式的项数。
[0007]
所述光阑面与次反射镜2表面重合，为了方便装调，次反射镜2无孔径离轴量。
[0008]
所述光学系统主反射镜1为高次双曲面反射镜，次反射镜2和三反射镜3均为高次椭球面反射镜。
[0009]
所述光学系统通过将主反射镜1，次反射镜2和三反射镜3倾斜，合理的折叠光路以减小整个光学系统的尺寸；调整并优化主反射镜和三反射镜的离轴量，缩小y方向上的距离，使整个光学系统可以在φ200mm的包络圆内。
[0010]
进一步的，离轴三反光学系统参数为：
[0011]
主反射面曲率半径为
‑
567.768mm，表面间隔为
‑
129mm，圆锥曲线常数为
ꢀ‑
1.737，
绕x轴旋转角度为
‑
7.73
°
；
[0012]
次镜反射面曲率半径为
‑
210.278mm，表面间隔为119.478mm，圆锥曲线常数为4.24，绕x轴旋转角度为
‑
8.48
°
；
[0013]
三镜反射面的曲率半径为
‑
169.071mm，距离像面的间隔为
‑
100mm，圆锥曲线常数为0.322，绕x轴旋转角度为
‑
5.19
°
。
[0014]
所述的基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反系统设计，其特征在于反射镜泽尼克标准矢高参数如下表所示：
[0015]
项数主镜次镜三镜z4
‑
3.672
‑
0.3148.351e
‑
003z5
‑
0.0481.424e
‑
0033.802e
‑
003z80.0454.402e
‑
0031.532e
‑
003z91.2490.0910.042
[0016]
本发明中三个反射镜均为泽尼克标准矢高自由曲面，相比于传统离轴三反光学系统，满足结构紧凑、高分辨率的需要；通过调整每个反射镜的倾斜角度，实现系统的无遮拦，采用自由曲面泽尼克标准矢高表面减小系统波像差。本发明涉及基于自由曲面离轴反射式结构，可广泛应用于空间光学检测、天文观测等领域。
附图说明：
[0017]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0018]
图1是该光学系统结构的设计草图；
[0019]
图2是优化后光学系统的结构图；
[0020]
图3是该光学系统的中心视场的波像差图；
[0021]
图中：1.主反射镜；2.次反射镜；3.三反射镜。
具体实施方式：
[0022]
本发明公开了一种基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统设计，初始结构如图1所示，具体实施步骤如下：
[0023]
如图2所示，本发明是基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统设计包括主反射镜1，次反射镜2，三反射镜3；其特征在于，所述的主反射镜、次反射镜、三反射镜均为泽尼克标准矢高表面，曲面方程满足式1；来自远处目标物反射的平行光线依次经过主反射镜1、次反射镜2和三反射镜3后成像在像面。整个光学系统f数小、结构紧凑。
[0024][0025]
式(1)中，z为沿z方向的曲面矢高，c为曲面的曲率，k为圆锥曲线常数， r2＝x2+y2，r为表面点的径向坐标，α
i
为偶次项的系数，z
j
为泽尼克多项式第j项，c
j
为第j项的系数，p为泽尼克多项式的项数。
[0026]
光阑面即孔径光阑，限制了成像光束的立体角，决定了轴上点成像光束中最边缘
光线的倾斜角。所述光学系统的光阑面与次反射镜2表面重合；孔径离轴量指为了防止有遮拦，会将原本尺寸的反射镜缩小，但原本光线位置没有改变，就需要有离轴量将反射镜调整，次反射镜2无孔径离轴量，可以方便后续装调。
[0027]
所述光学系统主反射镜1为高次双曲面反射镜，次反射镜2和三反射镜3均为高次椭球面反射镜。整个系统在φ200mm的包络圆内。
[0028]
下面以基于自由曲面小f数、紧凑型离轴三反光学系统设计为例说明本发明。
[0029]
所述光学系统主要设计要求参见表1：
[0030]
表1设计参数
[0031][0032]
所述各反射镜具体参数参见表2：
[0033]
表2光学系统详细参数
[0034] 主反射镜次反射镜三反射镜曲率半径/mm
‑
567.768
‑
210.278
‑
169.071表面间隔/mm
‑
129119.478100圆锥曲线常数
‑
1.7374.240.322倾斜/
°‑
7.73
‑
8.48
‑
5.19
[0035]
主反射镜、次反射镜和三反射镜均为泽尼克标准矢高表面，参数如表3所示：
[0036]
表3为各反射面泽尼克标准矢高面参数
[0037]
项数主镜次镜三镜z4
‑
3.672
‑
0.3148.351e
‑
003z5
‑
0.0481.424e
‑
0033.802e
‑
003z80.0454.402e
‑
0031.532e
‑
003z91.2490.0910.042
[0038]
取矩形视场进行光学系统的评价，视场点为：(0
°
,0
°
)、(1
°
,1
°
)、(
‑1°
,
‑1°
)、(1
°
,
‑1°
)、(
‑1°
,1
°
)、(0.707
°
,0.707
°
)、(
‑
0.707
°
,
‑
0.707
°
)。
[0039]
光学系统设计的中心视场波像差为0.0442λ如图3所示，其余各视场的波像差分别为：0.0684λ、0.0691λ、0.0734λ、0.0776λ、0.0405λ，0.0607λ，λ为3700nm，波像差均小于0.1。
[0040]
通过实例可以看出与传统非球面离轴三反系统相比，离轴三反系统采用自由曲面面形，可以减小系统的波像差从而提高系统分辨率。同时该光学系统结构紧凑，满足小型化、轻量化需求，具有重要意义和应用前景。
[0041]
上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。