无遮拦的三反射镜光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无遮拦的三反射镜光学系统，可使用在波段从紫外到红外的宽光谱成像系统，特别适用于光谱成像仪前置物镜。它由主镜、次镜和三镜组成，相对孔径为１／０．５～１／３；系统通过元件倾斜避开遮拦；系统的光路为像方远心，零视场主光线沿各个元件顶点连线传播，光阑放在次镜上，次镜处在三镜的焦平面上，主镜、次镜和三镜的光焦度分别为正－负－正，三个反射镜的顶点曲率半径近似满足匹兹万条件，其面型为Ｚｅｒｎｉｋｅ自由曲面。本发明专利技术的系统具有合理的剩余像差分布，像质有了很大的提高；同时，系统可以很容易的避开遮拦，并使每个镜面的有效使用面积和母镜相当；系统的零视场主光线沿着各个面的顶点连线行进，加工装调方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学系统，特别涉及一种无遮拦大相对孔径三反射镜光学 系统，可使用在波段从紫外到红外的宽光谱成像系统，特别适用于光谱成像仪 前置物镜，属光学

技术介绍
目前，在光学系统设计领域，无遮拦的三反射镜光学系统， 一般都采用二 次曲面或加偶次非球面来设计。在"一种成像光谱仪前置物镜的设计"(J1.光 子学报，2003， 29(4):498-499) —文中，公开了一种光学系统，参见附图1, 它由主镜M1、次镜M2和三镜M3组成，该系统中，母镜尺寸远远大于有效利 用尺寸，采用这种面型设计的光学系统像质也不是很理想，由于元件的旋转对 称性和离轴使用的原因，往往使像面上剩余像差的分布很不均匀，某一带的剩 余像差很大，满足不了使用要求。此外，由于各个元件的偏心和离轴造成零视 场主光线不能沿着各个元件的定点行进，给系统装调带来很大的麻烦。近年来，光学自由曲面的加工检测技术得到了较快的发展，光学设计者在 光学系统设计中采用自由曲面成为可能。国内外已有不少利用自由曲面设计光 学照明投影系统的报道，"利用CODE V设计含有自由曲面的光学系统"(. 应用光学.2006, 27 (2) ， 120 123) —文中，介绍了自由曲面的光学系统设 计。Zernike多项式是非旋转对称方程， "The mumbers of Optical Research Associates. Eentering Surface Shape and PositionlA.(Code V electronic Document library[C.2004， Vol(I), 4-99 4-101).—文中，应用Zernike多项 式来描述自由曲面，公式如下<formula>formula see original document page 3</formula> 其中Z为平行z轴方向上的矢髙， c为顶点曲率， k为二次曲面系数，Zj为第j项泽尼克多项式表达式(从1到66) Cw为Zj项的系数，一=12+/为元件上任意点到z轴的距离。由于Zernike多项式某些项的系数与光学系统的Seide (赛得)系数具有对 应关系，为系统像差的校正提供了更多的自由变量，在系统优化的时，可以有 针对性地进行像差控制，达到像面上像差均匀分布；表面的非对称性可以对系 统的偏心倾斜进行补偿校正，使系统避开遮拦时，不会出现采用二次曲面设计 该系统母镜过大不利于加工装调的情况，能够在满足像差要求的情况下，实现 大相对孔径，无遮拦系统的设计。该多项式对应有极坐标(R和0)下的表达式，具体关系如表l。表l : Zernike多项式与赛得像差对应关系<table>table see original document page 4</column></row><table>表中R为极坐标下极径， 0为极坐标下极角，x为直角坐标系下元件表面任意点的横坐标 y为直角坐标系下元件表面任意点的的纵坐标。然而，将自由曲面应用于光谱成像仪前置物镜的光学系统中，还未见报道。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种结构紧凑，成像质量髙， 装调方便的离轴三反射镜光学系统。为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是 一种无遮拦的三反射 镜光学系统，由主镜(Ml)、次镜(M2)和三镜(M3)组成，相对孔径(D/f) 为l/0.5 l/3:系统光焦度在主镜、次镜和三镜的光焦度分配分别为正-负-正； 主光线沿三个反射镜的顶点连线传播；所述的三个反射镜的面型为Zernike多项式自由曲面，它们的顶点曲率半径近似满足匹兹万条件丄+丄=丄，其中，n 、^ G r2r2和r3分别为主镜、次镜和三镜的半径。上文中，所述顶点曲率半径近似满足匹兹万条件是光学中的术语，由于条 件限制，在实际制作中不能实现完全满足匹兹万条件，这并不影响上述系统的 实现。通常，近似的误差范围为土10"(l/mm)。系统的光阑放在次镜上，次镜位于三镜的焦平面上；像面距离次镜的距离 大于焦距的六分之一；它的使用波长范围为紫外到红外的宽光谱波段；系统的 像差平衡控制系数与Zernike多项式自由曲面的多项式系数对应。与现有技术相比，本专利技术具有如下明显的优点1. 传统的二次曲面或偶次非球面，具有旋转对称性，减少了系统的自由变 量，特别是对于离轴反射系统，由于避开遮拦，系统失去了旋转对称性而使像 面上的剩余像差不能够合理的分布，可用视场大大减小。本专利技术由于元件面型 采用Zernike自由曲面，为非旋转对称曲面，自由度多于二次曲面和偶次非球 面，当元件倾斜避开遮拦时，通过适当的视场选择控制，可以得到比较合理的 剩余像差分布，此外像质也比使用前面的两种面型有了大大提髙。2. 可利用Zernike多项式与光学系统像差的对应关系进行像差控制。研究表明，Zernike多项式的前四项与光学系统的像差无关，从第五项开始到第九 项，它们分别对应着光学系统的三种初级像差。极坐标下的Zernike多项式各 个项之间具有正交性，可以归一化描述为光学系统的波前差，故可以单独的通 过控制Zernike多项式对应的项的系数来平衡球差、彗差、像散，利用其他项 如第十、十一项来平衡剩余高级像差。3. 光学系统的相对孔径增大。在相对孔径增大的条件下，光学系统的高级 像差越大，系统地设计难度也就会大大增加，使用二次曲面和偶次非球面系统 的相对孔径一般在1/3左右，不利于加工和装调。4. 系统可以很容易的避开遮拦，只要各个元件发生一定的倾斜就可以实现。 每个镜面的有效使用面积和母镜相当，不存在母镜远远大于有效使用镜面的情 况，进行像差补偿。5. 在对应大相对孔径下的视场为大视场。由于采用了 Zernike多项式定义 自由曲面，可以扩大系统的视场角。光学系统的各种像差与视场角的大小又直 接关系，视场角增大，设计难度上升，在相对孔径在1/3左右时，如果采用二 次曲面或偶次非球面来设计，视场一般不会超过3度，而且像差在像面上分布 不是很均匀，使用Zernike自由曲面来定义光学元件的表面，可以扩大系统的 视场角，在设计时可以有针对性地约束限制各个视场的像差情况，使其达到合 理分配。6. 系统很容易实现像方远心，近似满足匹兹万条件。当系统为像方远心光 路时，与非远心光路相比，减少了系统的自由变量，增加系统设计难度。像方 远心光路实现方法是光阑放在次镜上，次镜处在三镜的焦平面上。7. 零视场主光线沿各个元件顶点连线传播有利于加工装调。由于采用了 Zernike多项式定义自由曲面，增加系统的自由变量，当元件发生倾斜的时候， 主光线不会偏离系统光轴，有利于后续的加工装调。8. 后工作距离大于50mm，工作距离大，有利于接收器件和滤光片的放置。9. 结构更加紧凑，距离L1、 L2、 L3在7mm 50mm之间。附图说明图1是采用二次曲面设计的离轴三反射镜光学系统的结构示意图；图2是按本专利技术实施例1技术方案提供的无遮拦大相对孔径三反射镜光学 系统的结构示意图3是按本专利技术实施例1技术方案提供的无遮拦大相对孔径三反射镜光 学系统在像平面处的调制传递函数(MTF)曲线图图4是按本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无遮拦的三反射镜光学系统，由主镜（Ｍ１）、次镜（Ｍ２）和三镜（Ｍ３）组成，其特征在于：相对孔径（Ｄ／ｆ）为１／０．５～１／３；系统光焦度在主镜、次镜和三镜的光焦度分配分别为正－负－正；主光线沿三个反射镜的顶点连线传播；所述的三个反射镜的面型为Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式自由曲面，它们的顶点曲率半径近似满足匹兹万条件１／ｒ↓［１］＋１／ｒ↓［３］＝１／ｒ↓［２］，其中，ｒ↓［１］、ｒ↓［２］和ｒ↓［３］分别为主镜、次镜和三镜的半径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈为民，宫广彪，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]