一種離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，其中第一主反射鏡、第二次反射鏡和第三反射鏡的頂點(diǎn)均在系統(tǒng)光軸上，均離軸使用；第一主反射鏡和第三反射鏡為球面，第二次反射鏡和第四反射鏡為非球面；第一主反射鏡將入瞳入射至其表面的入射光束會(huì)聚，使入射光束口徑變??；第二次反射透將第一主反射鏡會(huì)聚的光束折轉(zhuǎn)，校正第一主反射鏡產(chǎn)生的部分球差和彗差；第三反射鏡將第二次反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，校正部分第二主反射鏡引入的像散和場(chǎng)曲；第四反射鏡用對(duì)第三反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，引入像差，以平衡系統(tǒng)像差，并使得光束在像面處成像。本發(fā)明的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)具有焦距長(zhǎng)，像面超大，非球面數(shù)量少，成像質(zhì)量好的特點(diǎn)。該系統(tǒng)的光學(xué)元件加工難度小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工作于紫外波段至紅外波段的成像光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種 離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 離軸三反消像散（TMA :Three-Mirror-Anastigmat)光學(xué)系統(tǒng)由于具有元件數(shù)量 少、結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量好、視場(chǎng)大等優(yōu)點(diǎn)，在空間光學(xué)、對(duì)地觀測(cè)、天文光學(xué)等多方面得到 應(yīng)用，很多國(guó)家都在研究。
[0003] 這種光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)也存在比較大的缺點(diǎn)，就是對(duì)于加工、檢測(cè)和裝調(diào)的要求較高。 在加工方面，這種光學(xué)系統(tǒng)的三個(gè)反射面都是高次非球面，加工和檢測(cè)都比較難。在裝調(diào)方 面的難度更大，需要研究計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)。
[0004] 通過(guò)幾十年的研究，這種光學(xué)系統(tǒng)衍化出很多種形式，如增加了反射鏡數(shù)量，或者 改變光學(xué)元件的面形結(jié)構(gòu)等。近年來(lái)光學(xué)自由曲面加工檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使光學(xué)設(shè)計(jì)者在 進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用自由曲面，從而獲得較好的成像質(zhì)量，同時(shí)降低對(duì)加工、檢測(cè) 和裝調(diào)的要求。
[0005] 國(guó)內(nèi)外已有利用自由曲面設(shè)計(jì)的報(bào)道。申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810189938. 7,名稱(chēng)為"無(wú) 遮攔的三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)"的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種使用Zernike多項(xiàng)式自由曲 面作為反射鏡的無(wú)遮攔三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)三塊反射鏡全部為自由曲面，得到了很 好的成像質(zhì)量。但由于三塊反射鏡均使用自由曲面，使系統(tǒng)自由曲面的加工難度、加工成 本、裝調(diào)檢測(cè)難度急劇增加。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310498453. 7,名稱(chēng)為"自由曲面成像光學(xué)系 統(tǒng)"的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種含有四個(gè)反射鏡的無(wú)遮攔反射光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用四 個(gè)反射鏡，獲得了很大的視場(chǎng)，成像質(zhì)量也比較高。但和上一個(gè)專(zhuān)利一樣，該系統(tǒng)的四個(gè)反 射鏡中，有三個(gè)采用了自由曲面的形式，對(duì)系統(tǒng)加工、檢測(cè)和裝調(diào)的要求較高。申請(qǐng)?zhí)枮?CN201310119864. 0，名稱(chēng)為"使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)"的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) 公開(kāi)了一種寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含三個(gè)反射鏡，其中第一個(gè)反射鏡是關(guān)于 子午面對(duì)稱(chēng)的自由曲面，第二個(gè)反射鏡是球面，第三個(gè)反射鏡是高偶次非球面。該系統(tǒng)相對(duì) 前面兩個(gè)系統(tǒng)使用自由曲面數(shù)量少，次鏡為球面，使系統(tǒng)檢測(cè)和裝調(diào)難度相對(duì)降低。但由于 主鏡是自由曲面，三鏡是高偶次非球面，且這兩個(gè)反射鏡的口徑都比較大，使得加工難度比 較大，尤其是在有光焦度的大口徑反射鏡上加工自由曲面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種包含自由曲面的離 軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，使用較少的非球面，在很大的視場(chǎng)范圍內(nèi)獲得很好的成像質(zhì)量，且同 時(shí)使系統(tǒng)的加工、檢測(cè)和裝調(diào)難度降低。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，包括第一主反射鏡，第二 次反射鏡，第三反射鏡和第四反射鏡；所述第一主反射鏡、所述第二次反射鏡和所述第三反 射鏡的頂點(diǎn)均在系統(tǒng)光軸上，但均離軸使用；所述第一主反射鏡和所述第三反射鏡為球面， 所述第二次反射鏡和所述第四反射鏡為非球面；
[0008] 所述第一主反射鏡用于將入瞳入射至其表面的入射光束會(huì)聚，使所述入射光束口 徑變小；所述第二次反射透用于將所述第一主反射鏡會(huì)聚的光束折轉(zhuǎn)，并校正由所述第一 主反射鏡產(chǎn)生的部分球差和彗差；所述第三反射鏡將所述第二次反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折 轉(zhuǎn)，同時(shí)校正部分由所述第二主反射鏡引入的像散和場(chǎng)曲；所述第四反射鏡用于對(duì)所述第 三反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，引入像差，以平衡系統(tǒng)像差，并使得光束在像面處成像。
[0009] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的入瞳設(shè)置在所述第一 主反射鏡上或者設(shè)置在光束入射方向上所述第一主反射鏡之前。
[0010] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述第一主反射鏡具有正光焦度。
[0011] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述第二次反射透為二次曲面，具有負(fù)光焦度。
[0012] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述第三反射鏡具有正光焦度。
[0013] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述第四反射鏡為基于平面上的自由曲面，沒(méi)有光焦 度。
[0014] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)用于對(duì)紫外光波段到紅外光波段的所述入 射光束成像。
[0015] 可選地，如上所述的系統(tǒng)中，所述第一主反射鏡、所述第二次反射鏡、所述第三反 射鏡和所述第四反射鏡（104)的材料為微晶玻璃、碳化硅材料或其他金屬材料。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：
[0017] 1.由于本發(fā)明的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)采用了純反射結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、 焦距較長(zhǎng)；視場(chǎng)大，像面超大。
[0018] 2.由于本發(fā)明中的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于子午面對(duì)稱(chēng)，且使用自由曲面校 正了子午面和弧矢面內(nèi)的像差，使得系統(tǒng)可以在子午面和弧矢面內(nèi)得到很大的視場(chǎng)，系統(tǒng) 視場(chǎng)可以設(shè)置為圓視場(chǎng)。
[0019] 3.由于本發(fā)明的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)焦距長(zhǎng)，視場(chǎng)大，使得系統(tǒng)像面很大。
[0020] 4.本發(fā)明的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)由于其子午面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和自由曲面的校正能 力，使系統(tǒng)的成像質(zhì)量高，達(dá)到了光學(xué)系統(tǒng)衍射極限。
[0021] 5.本發(fā)明中的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第一主反射鏡和第三反射鏡為球面，且第 四反射鏡為基于平面的自由曲面，所以系統(tǒng)易于加工、檢測(cè)和裝調(diào)，生產(chǎn)成本低。
[0022] 6.由于本發(fā)明的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第二次反射鏡為二次曲面，易于加工， 且檢測(cè)時(shí)不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)補(bǔ)償鏡。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)入瞳在第一主反射鏡前的 示意圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)入瞳在第一主反射鏡上 的示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。
[0028] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖。
[0029] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面面形圖。
[0030] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明：入瞳100、第一主反射鏡一 101、第二次反射鏡一 102、第三反射鏡一 103、第四反射鏡一 104、像面一 105。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0032] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)入瞳在第一主反射鏡前的 示意圖。圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)入瞳在第一主反射鏡上 的示意圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)包括第一主反射鏡 101，第二次反射鏡102,第三反射鏡103和第四反射鏡104 ;第一主反射鏡101、第二次反射 鏡102和第三反射鏡103的頂點(diǎn)均在系統(tǒng)光軸上，但均離軸使用；第一主反射鏡101和第三 反射鏡103為球面，第二次反射鏡102和第四反射鏡104為非球面。
[0033] 第一主反射鏡101用于將入瞳100入射至其表面的入射光束會(huì)聚，使入射光束口 徑變??；第二次反射透102用于將第一主反射鏡101會(huì)聚的光束折轉(zhuǎn)，并校正由第一主反射 鏡101產(chǎn)生的部分球差和彗差；第三反射鏡103將第二次反射鏡102折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)， 同時(shí)校正部分由第二主反射鏡102引入的像散和場(chǎng)曲；第四反射鏡104用于對(duì)第三反射鏡 103折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，引入像差，以平衡系統(tǒng)像差，并使得光束在像面105處成像。
[0034] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的入瞳100設(shè)置在第一主反射鏡101上或者設(shè) 置在光束入射方向上第一主反射鏡101之前。如圖1所示的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，以入 瞳100設(shè)置于第一主反射鏡101前5m距離的為例。圖2所示以離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)中 入瞳100設(shè)置于第一主反射鏡101上為例。當(dāng)該系統(tǒng)需要與前置光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接時(shí)，圖 1所示的系統(tǒng)可以提供比較大的空間用于安排光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)。圖2所示的系統(tǒng)主要用于 直接成像，不需要額外添加孔徑光闌。
[0035] 具體地，本實(shí)施例涉及的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)共使用了四片反射鏡，從光束入 射方向依次是第一主反射鏡101、第二次反射鏡102、第三反射鏡103和第四反射鏡104。
[0036] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第一主反射鏡101、第二次反射鏡102、第三 反射鏡103的頂點(diǎn)共軸，且都在系統(tǒng)光軸上。
[0037] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第一主反射鏡101為球面，實(shí)際工作中離軸 使用，其主要作用在于將入瞳1〇〇入射至其表面的光線(xiàn)會(huì)聚，使光束口徑變小。
[0038] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第二反射鏡102為非球面，其主要作用是將 第一主反射鏡101會(huì)聚的光束折轉(zhuǎn)，校正由第一主反射鏡101產(chǎn)生的部分球差、彗差。
[0039] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第三反射鏡103為球面，其主要作用是將第 二次反射鏡102折轉(zhuǎn)的光線(xiàn)繼續(xù)折轉(zhuǎn)，同時(shí)校正部分由第二主反射鏡102引入的像散、場(chǎng) 曲。
[0040] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的第四反射鏡104為非球面，其主要作用在于 對(duì)第三反射鏡（103)折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，引入像差，以平衡系統(tǒng)像差，提高系統(tǒng)像質(zhì)，并 使得光束在像面105處成像。
[0041] 本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)采用上述結(jié)構(gòu)，采用了純反射結(jié)構(gòu)，使得 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、焦距較長(zhǎng)；視場(chǎng)大，使得系統(tǒng)像面很大；而且系統(tǒng)的成像質(zhì)量高，達(dá)到了光 學(xué)系統(tǒng)衍射極限。
[0042] 可選地，上述實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)中第一主反射鏡101具有正光焦 度。第二次反射透102為二次曲面，具有負(fù)光焦度。第三反射鏡103具有正光焦度。第四 反射鏡104為基于平面上的自由曲面，沒(méi)有光焦度，即光焦度為零。
[0043] 可選地，上述實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)可以用于對(duì)紫外光波段到紅外光波 段的入射光束成像。即本實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的適用于紫外波段到紅外波段。 由于全部光學(xué)元件為反射鏡，系統(tǒng)無(wú)色差。
[0044] 可選地，上述實(shí)施例的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)中第一主反射鏡101、第二次反射鏡 102、第三反射鏡103和第四反射鏡104的材料為微晶玻璃、碳化硅材料或其他金屬材料。
[0045] 表1給出了本發(fā)明實(shí)施例中的離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)。具體參數(shù)請(qǐng)參 考表1。
[0046] 表1光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括第一主反射鏡（101)，第二次反射鏡 (102)，第三反射鏡（103)和第四反射鏡（104);所述第一主反射鏡（101)、所述第二次反射 鏡（102)和所述第三反射鏡（103)的頂點(diǎn)均在系統(tǒng)光軸上，但均離軸使用；所述第一主反 射鏡（101)和所述第三反射鏡（103)為球面，所述第二次反射鏡（102)和所述第四反射鏡 (104)為非球面； 所述第一主反射鏡（101)用于將入瞳（100)入射至其表面的入射光束會(huì)聚，使所述入 射光束口徑變小；所述第二次反射透（102)用于將所述第一主反射鏡（101)會(huì)聚的光束折 轉(zhuǎn)，并校正由所述第一主反射鏡（101)產(chǎn)生的部分球差和彗差；所述第三反射鏡（103)將所 述第二次反射鏡（102)折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)，同時(shí)校正部分由所述第二主反射鏡（102)引 入的像散和場(chǎng)曲；所述第四反射鏡（104)用于對(duì)所述第三反射鏡（103)折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折 轉(zhuǎn)，引入像差，以平衡系統(tǒng)像差，并使得光束在像面（105)處成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述離軸反射成像光學(xué)系統(tǒng)的入瞳（100) 設(shè)置在所述第一主反射鏡（101)上或者設(shè)置在光束入射方向上所述第一主反射鏡（101)之 N / . 刖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一主反射鏡（101)具有正光焦度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二次反射透（102)為二次曲面，具 有負(fù)光焦度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第三反射鏡（103)具有正光焦度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第四反射鏡（104)為基于平面上的自 由曲面，沒(méi)有光焦度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)用于對(duì)紫外光波段到紅 外光波段的所述入射光束成像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一主反射鏡（101)、所述第二次反 射鏡（102)、所述第三反射鏡（103)和所述第四反射鏡（104)的材料為微晶玻璃、碳化硅材 料或其他金屬材料。
【文檔編號(hào)】G02B17/06GK104111520SQ201410341652
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】呂保斌, 邢延文, 林嫵媚, 范真節(jié) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所