專利名稱：：無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別涉及一種無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)，可使用在波段從紫外到紅外的寬光譜成像系統(tǒng)，特別適用于光譜成像儀前置物鏡，屬光學
技術領域：
。
背景技術：
：目前，在光學系統(tǒng)設計領域，無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，一般都采用二次曲面或加偶次非球面來設計。在"一種成像光譜儀前置物鏡的設計"(J1.光子學報，2003，29(4):498-499)—文中，公開了一種光學系統(tǒng)，參見附圖1,它由主鏡M1、次鏡M2和三鏡M3組成，該系統(tǒng)中，母鏡尺寸遠遠大于有效利用尺寸，采用這種面型設計的光學系統(tǒng)像質也不是很理想，由于元件的旋轉對稱性和離軸使用的原因，往往使像面上剩余像差的分布很不均勻，某一帶的剩余像差很大，滿足不了使用要求。此外，由于各個元件的偏心和離軸造成零視場主光線不能沿著各個元件的定點行進，給系統(tǒng)裝調帶來很大的麻煩。近年來，光學自由曲面的加工檢測技術得到了較快的發(fā)展，光學設計者在光學系統(tǒng)設計中采用自由曲面成為可能。國內外已有不少利用自由曲面設計光學照明投影系統(tǒng)的報道，"利用CODEV設計含有自由曲面的光學系統(tǒng)"([J].應用光學.2006,27(2)，120123)—文中，介紹了自由曲面的光學系統(tǒng)設計。Zernike多項式是非旋轉對稱方程，"ThemumbersofOpticalResearchAssociates.EenteringSurfaceShapeandPositionlA.(CodeVelectronicDocumentlibrary[C.2004，Vol(I),4-994-101).—文中，應用Zernike多項式來描述自由曲面，公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中Z為平行z軸方向上的矢髙，c為頂點曲率，k為二次曲面系數，Zj為第j項澤尼克多項式表達式(從1到66)Cw為Zj項的系數，一=12+/為元件上任意點到z軸的距離。由于Zernike多項式某些項的系數與光學系統(tǒng)的Seide(賽得)系數具有對應關系，為系統(tǒng)像差的校正提供了更多的自由變量，在系統(tǒng)優(yōu)化的時，可以有針對性地進行像差控制，達到像面上像差均勻分布；表面的非對稱性可以對系統(tǒng)的偏心傾斜進行補償校正，使系統(tǒng)避開遮攔時，不會出現采用二次曲面設計該系統(tǒng)母鏡過大不利于加工裝調的情況，能夠在滿足像差要求的情況下，實現大相對孔徑，無遮攔系統(tǒng)的設計。該多項式對應有極坐標(R和0)下的表達式，具體關系如表l。表l:Zernike多項式與賽得像差對應關系<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表中R為極坐標下極徑，0為極坐標下極角，x為直角坐標系下元件表面任意點的橫坐標y為直角坐標系下元件表面任意點的的縱坐標。然而，將自由曲面應用于光譜成像儀前置物鏡的光學系統(tǒng)中，還未見報道。
發(fā)明內容為了克服現有技術存在的不足，本發(fā)明提供一種結構緊湊，成像質量髙，裝調方便的離軸三反射鏡光學系統(tǒng)。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術方案是一種無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，由主鏡(Ml)、次鏡(M2)和三鏡(M3)組成，相對孔徑(D/f)為l/0.5l/3:系統(tǒng)光焦度在主鏡、次鏡和三鏡的光焦度分配分別為正-負-正；主光線沿三個反射鏡的頂點連線傳播；所述的三個反射鏡的面型為Zernike多項式自由曲面，它們的頂點曲率半徑近似滿足匹茲萬條件丄+丄=丄，其中，n、^Gr2r2和r3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑。上文中，所述頂點曲率半徑近似滿足匹茲萬條件是光學中的術語，由于條件限制，在實際制作中不能實現完全滿足匹茲萬條件，這并不影響上述系統(tǒng)的實現。通常，近似的誤差范圍為土10"(l/mm)。系統(tǒng)的光闌放在次鏡上，次鏡位于三鏡的焦平面上；像面距離次鏡的距離大于焦距的六分之一；它的使用波長范圍為紫外到紅外的寬光譜波段；系統(tǒng)的像差平衡控制系數與Zernike多項式自由曲面的多項式系數對應。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下明顯的優(yōu)點1.傳統(tǒng)的二次曲面或偶次非球面，具有旋轉對稱性，減少了系統(tǒng)的自由變量，特別是對于離軸反射系統(tǒng)，由于避開遮攔，系統(tǒng)失去了旋轉對稱性而使像面上的剩余像差不能夠合理的分布，可用視場大大減小。本發(fā)明由于元件面型采用Zernike自由曲面，為非旋轉對稱曲面，自由度多于二次曲面和偶次非球面，當元件傾斜避開遮攔時，通過適當的視場選擇控制，可以得到比較合理的剩余像差分布，此外像質也比使用前面的兩種面型有了大大提髙。2.可利用Zernike多項式與光學系統(tǒng)像差的對應關系進行像差控制。研究表明，Zernike多項式的前四項與光學系統(tǒng)的像差無關，從第五項開始到第九項，它們分別對應著光學系統(tǒng)的三種初級像差。極坐標下的Zernike多項式各個項之間具有正交性，可以歸一化描述為光學系統(tǒng)的波前差，故可以單獨的通過控制Zernike多項式對應的項的系數來平衡球差、彗差、像散，利用其他項如第十、十一項來平衡剩余高級像差。3.光學系統(tǒng)的相對孔徑增大。在相對孔徑增大的條件下，光學系統(tǒng)的高級像差越大，系統(tǒng)地設計難度也就會大大增加，使用二次曲面和偶次非球面系統(tǒng)的相對孔徑一般在1/3左右，不利于加工和裝調。4.系統(tǒng)可以很容易的避開遮攔，只要各個元件發(fā)生一定的傾斜就可以實現。每個鏡面的有效使用面積和母鏡相當，不存在母鏡遠遠大于有效使用鏡面的情況，進行像差補償。5.在對應大相對孔徑下的視場為大視場。由于采用了Zernike多項式定義自由曲面，可以擴大系統(tǒng)的視場角。光學系統(tǒng)的各種像差與視場角的大小又直接關系，視場角增大，設計難度上升，在相對孔徑在1/3左右時，如果采用二次曲面或偶次非球面來設計，視場一般不會超過3度，而且像差在像面上分布不是很均勻，使用Zernike自由曲面來定義光學元件的表面，可以擴大系統(tǒng)的視場角，在設計時可以有針對性地約束限制各個視場的像差情況，使其達到合理分配。6.系統(tǒng)很容易實現像方遠心，近似滿足匹茲萬條件。當系統(tǒng)為像方遠心光路時，與非遠心光路相比，減少了系統(tǒng)的自由變量，增加系統(tǒng)設計難度。像方遠心光路實現方法是光闌放在次鏡上，次鏡處在三鏡的焦平面上。7.零視場主光線沿各個元件頂點連線傳播有利于加工裝調。由于采用了Zernike多項式定義自由曲面，增加系統(tǒng)的自由變量，當元件發(fā)生傾斜的時候，主光線不會偏離系統(tǒng)光軸，有利于后續(xù)的加工裝調。8.后工作距離大于50mm，工作距離大，有利于接收器件和濾光片的放置。9.結構更加緊湊，距離L1、L2、L3在7mm50mm之間。圖1是采用二次曲面設計的離軸三反射鏡光學系統(tǒng)的結構示意圖；圖2是按本發(fā)明實施例1技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)的結構示意圖3是按本發(fā)明實施例1技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖圖4是按本發(fā)明實施例1技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖5是按本發(fā)明實施例1技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列圖6是按本發(fā)明實施例2技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)的結構示意圖7是按本發(fā)明實施例2技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖8是按本發(fā)明實施例2技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖9是按本發(fā)明實施例2技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列圖10是按本發(fā)明實施例3技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)的結構示意圖11是按本發(fā)明實施例3技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖12是按本發(fā)明實施例3技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖13是按本發(fā)明實施例3技術方案提供的無遮攔大相對孔徑三反射鏡光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列其中，Ml為主鏡，M2為次鏡，M3為三鏡，I為像面。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例1:參見附圖2,它是本實施例光學系統(tǒng)的結構示意圖；其中，Ml為主鏡，M2為次鏡，M3為三鏡，I為像面，Ll為避開遮攔時，M1的最下邊緣光線與M2的最上邊緣光線在垂直于光軸方向的距離，L2為避開遮攔時，Ml的最下邊緣光線與M3的最上邊緣光線在垂直于光軸方向的距離，L3為避開遮攔時，M2的最下邊緣光線與M3的最上邊緣光線在垂直于光軸方向的距離。系統(tǒng)的相對孔徑D/f為1，焦距360mm，視場角3°X0.02°。系統(tǒng)離軸避開遮攔；系統(tǒng)的光路為像方遠心，主光線沿各個元件頂點連線傳播，光闌放在次鏡上，次鏡處在三鏡的焦平面上，主鏡、次鏡和三鏡的光焦度分別為凹、凸和凹，三個反射鏡的光焦度近視滿足匹斯萬條件丄+丄=丄，其中，n、r2和G5Gr3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑；三個反射鏡的面型為Zernike自由曲面，通過光學設計軟件優(yōu)化設計，得到的系統(tǒng)具體結構參數和Zernike多項式系數列于表2。表2:系統(tǒng)結構參數與Zernike系數<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>C127.24X10-128.21X10113.42X10"1像面I到次鏡M2的距離(后工作距離)為130mm，系統(tǒng)結構尺寸約為410mm(z)x650mm(y)x420mm(x)。Ll、L2、L3分別為40mm，50mm,7mm。表3給出了系統(tǒng)在像平面上的畸變值，由表3可以看出，系統(tǒng)畸變具有非對稱性，一半視場為桶形負畸變，另一半視場則為枕形正畸變。沿x方向最大使用視場處最大畸變絕對值為2.4m，遠小于系統(tǒng)像元尺寸。此外，系統(tǒng)存在的畸變也可以通過后續(xù)的圖像處理來完成校正。表3:像平面上的畸變值視場(°)1.5,0.010.75,0.01O，O隱0.75，陽0.01-1.50,-0.01畸變(um)-2.4-1.4201.422.4圖1是采用二次曲面設計的離軸三反射鏡光學系統(tǒng)的結構示意圖；圖2是本實施例光學系統(tǒng)的結構示意圖；參見附圖1和附圖2，由圖l可以看出，零視場主光線偏離的各個元件的幾何中心，給系統(tǒng)的裝調合加工都帶來了很大的不便，各個元件無法實現定位，沒有基準來對光路進行調整。在圖2中，零視場主光線沿著各個面的頂點連線行進，給系統(tǒng)的加工和裝調都帶來了很大的方便。圖3是本實施例光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖，由于元件為自由曲面，故要選取多個視場點來評價。參見附圖3，圖中曲線al、bl、cl分別表示(0，0)、(1.5，-0.01)、(-1.5，0.01)處傳遞函數情況，可見成像質量接近衍射極限，在焦平面等效像元尺寸對應的奈奎斯特頻率351p/mm處MTF值大于0.75。圖4是本實施例光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖。隨著物方視場角變化，線的長度和方向表示該視場點像散的大小和方位。從圖4中可以看出，在像平面上像散不存在什么規(guī)律變化，像散分布比較均勾，這是和旋轉對稱元件之間最大區(qū)別。像散最小值1.4m,最大值為6.6m，全視場平均3.9m。圖5是本實施例光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列圖，圖中的正方形表示探測器像元大小7.5m，全視場點列圖均方根值最大為4.3m,遠小于一個像元的大小，系統(tǒng)成像質量接近衍射極限。實施例2:參見附圖6，它是本實施例光學系統(tǒng)的結構示意圖；其中M1是主鏡，M2為次鏡，M3為三鏡。焦距為360mm,系統(tǒng)的相對孔徑為1/2.4,視場角為3°X0.02'。系統(tǒng)的光闌在次鏡上，次鏡M2在三鏡M3的焦面上，像方遠心，后工作距離像面I到次鏡M2的距離為80mm，系統(tǒng)結構尺寸約為280mm(z)x240mm(y)xl50mm(x)。Ll、L2、L3分別為10mm，10mm,lOmm。各個鏡面半徑近似滿足匹茲萬條件。三個鏡面均為Zernike自由曲面，通過光學設計軟件優(yōu)化設計，得到的系統(tǒng)具體結構參數和Zernike多項式系數列于表4。表4:系統(tǒng)結構參數與Zernike多項式系數<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5給出了系統(tǒng)存在的畸變，可以看出系統(tǒng)畸變具有非對稱性，一半視場為桶形負畸變，另一半視場則不存在畸變。沿x方向最大使用視場處最大畸變絕對值為1.3m,遠小于系統(tǒng)像元尺寸。此外，系統(tǒng)存在的畸變也可以通過后續(xù)的圖像處理來完成校正。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>圖7是本實施例光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖，由于元件為自由曲面，故要選取多個視場點來評價。曲線a2、b2、c2分別表示(0，0)、(1.5，-0.01)、(-1.5,0.01)處傳遞函數情況，d為系統(tǒng)的衍射極限曲線，可見成像質量接近衍射極限，在焦平面等效像元尺寸對應的奈奎斯特頻率351p/mm處MTF值大于0.8。圖8是本實施例光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖，隨著物方視場角變化，線的長度和方向表示該視場點像散的大小和方位。從圖8中可以看出在像平面上像散不存在什么規(guī)律變化，像散分布比較均勻，這是和旋轉對稱元件之間最大區(qū)別。像散最小值1，3m,最大值為4.5m,全視場平均2.4m。圖9是本實施例光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列圖，圖中的圓表示系統(tǒng)衍射艾里斑，直徑為1.7m，全視場點列圖均方根值最大為1.5m,遠小于一個像元的大小，系統(tǒng)成像質量接近衍射極限。實施例3:參見附圖IO,它是本實施例光學系統(tǒng)的結構示意圖。其中M1是主鏡，M2為次鏡，M3為三鏡。焦距360mm，相對孔徑D/f為1/2.4,視場角3°X2。。次鏡M2在三鏡M3的焦面上，像方遠心，后工作距離為像面I到次鏡M2的距離為80mm，系統(tǒng)結構尺寸約為800mm(z)x240mm(y)x150mm(x)。Ll、L2、L3分別為20mm，30mm，10mm。各個面半徑近似滿足匹茲萬條件。三個鏡面均為Zeriiike自由曲面，光闌在次鏡上，通過光學設計軟件優(yōu)化設計，得到的系統(tǒng)具體結構參數和Zernike多項式系數列于表6。表6:系統(tǒng)結構參數與Zernike多項式系數<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表7給出了系統(tǒng)存在的畸變，可以看出系統(tǒng)畸變具有非對稱性，一半視場為桶形負畸變，另一半視場則為枕形正畸變。沿x方向最大使用視場處最大畸變絕對值為2.4m，遠小于系統(tǒng)像元尺寸。此外，系統(tǒng)存在的畸變也可以通過后續(xù)的圖像處理來完成校正。表7:像平面上的畸變<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>圖11是本實施例光學系統(tǒng)在像平面處的調制傳遞函數(MTF)曲線圖，由于元件為自由曲面，故要選取多個視場點來評價。曲線a3、b3、c3分別表示(0，0)、(1.5,-0.01)、(-1.5，0.01)處傳遞函數情況，d為系統(tǒng)的衍射極限曲線，可見成像質量接近衍射極限，在焦平面等效像元尺寸對應的奈奎斯特頻率35lp/mm處MTF值大于0.75。圖12是本實施例光學系統(tǒng)全視場像平面處像散圖，隨著物方視場角變化，線的長度和方向表示該視場點像散的大小和方位。從圖12中可以看出在像平面上像散不存在什么規(guī)律變化，像散分布比較均勻，這是和旋轉對稱元件之間最大區(qū)別。像散最小值1.4m,最大值為6.6m，全視場平均3.9m。圖13是本實施例光學系統(tǒng)各個視場在像平面上的點列圖，圖中的圓表示系統(tǒng)衍射艾里斑，直徑為1.7m,全視場點列圖均方根值最大為1.5m，遠小于一個像元的大小，系統(tǒng)成像質量接近衍射極限。權利要求1.一種無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，由主鏡(M1)、次鏡(M2)和三鏡(M3)組成，其特征在于相對孔徑(D/f)為1/0.5～1/3；系統(tǒng)光焦度在主鏡、次鏡和三鏡的光焦度分配分別為正-負-正；主光線沿三個反射鏡的頂點連線傳播；所述的三個反射鏡的面型為Zernike多項式自由曲面，它們的頂點曲率半徑近似滿足匹茲萬條件其中，r1、r2和r3分別為主鏡、次鏡和三鏡的半徑。2.根據權利要求l所述的無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的光闌放在次鏡上，次鏡位于三鏡的焦平面上。3.根據權利要求l所述的無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，其特征在于像面距離次鏡的距離大于焦距的六分之一。4.根據權利要求1所述的無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，其特征在于它的使用波長范圍為紫外到紅外的寬光譜波段。5.根據權利要求l所述的無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的像差平衡控制系數與Zernike多項式自由曲面的多項式系數對應。全文摘要本發(fā)明公開了一種無遮攔的三反射鏡光學系統(tǒng)，可使用在波段從紫外到紅外的寬光譜成像系統(tǒng)，特別適用于光譜成像儀前置物鏡。它由主鏡、次鏡和三鏡組成，相對孔徑為1/0.5～1/3；系統(tǒng)通過元件傾斜避開遮攔；系統(tǒng)的光路為像方遠心，零視場主光線沿各個元件頂點連線傳播，光闌放在次鏡上，次鏡處在三鏡的焦平面上，主鏡、次鏡和三鏡的光焦度分別為正-負-正，三個反射鏡的頂點曲率半徑近似滿足匹茲萬條件，其面型為Zernike自由曲面。本發(fā)明的系統(tǒng)具有合理的剩余像差分布，像質有了很大的提高；同時，系統(tǒng)可以很容易的避開遮攔，并使每個鏡面的有效使用面積和母鏡相當；系統(tǒng)的零視場主光線沿著各個面的頂點連線行進，加工裝調方便。文檔編號G02B27/00GK101435913SQ200810189938公開日2009年5月20日申請日期2008年12月26日優(yōu)先權日2008年12月26日發(fā)明者宮廣彪,沈為民申請人:蘇州大學