[发明专利]一种离轴反射成像光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及工作于紫外波段至红外波段的成像光学系统技术领域，尤其涉及一种离轴反射成像光学系统。

背景技术

离轴三反消像散(TMA：Three-Mirror-Anastigmat)光学系统由于具有元件数量少、结构紧凑、成像质量好、视场大等优点，在空间光学、对地观测、天文光学等多方面得到应用，很多国家都在研究。

这种光学系统同时也存在比较大的缺点，就是对于加工、检测和装调的要求较高。在加工方面，这种光学系统的三个反射面都是高次非球面，加工和检测都比较难。在装调方面的难度更大，需要研究计算机辅助装调技术。

通过几十年的研究，这种光学系统衍化出很多种形式，如增加了反射镜数量，或者改变光学元件的面形结构等。近年来光学自由曲面加工检测技术的发展，使光学设计者在进行光学系统设计时可以采用自由曲面，从而获得较好的成像质量，同时降低对加工、检测和装调的要求。

国内外已有利用自由曲面设计的报道。申请号为CN200810189938.7，名称为“无遮拦的三反射镜光学系统”的中国发明专利申请公开了一种使用Zernike多项式自由曲面作为反射镜的无遮拦三反射镜光学系统。该系统三块反射镜全部为自由曲面，得到了很好的成像质量。但由于三块反射镜均使用自由曲面，使系统自由曲面的加工难度、加工成本、装调检测难度急剧增加。申请号为CN201310498453.7，名称为“自由曲面成像光学系统”的中国专利申请公开了一种含有四个反射镜的无遮拦反射光学系统。该系统采用四个反射镜，获得了很大的视场，成像质量也比较高。但和上一个专利一样，该系统的四个反射镜中，有三个采用了自由曲面的形式，对系统加工、检测和装调的要求较高。申请号为CN201310119864.0，名称为“使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统”的中国发明专利申请公开了一种宽幅离轴三反光学系统，该系统中包含三个反射镜，其中第一个反射镜是关于子午面对称的自由曲面，第二个反射镜是球面，第三个反射镜是高偶次非球面。该系统相对前面两个系统使用自由曲面数量少，次镜为球面，使系统检测和装调难度相对降低。但由于主镜是自由曲面，三镜是高偶次非球面，且这两个反射镜的口径都比较大，使得加工难度比较大，尤其是在有光焦度的大口径反射镜上加工自由曲面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种包含自由曲面的离轴反射成像光学系统，使用较少的非球面，在很大的视场范围内获得很好的成像质量，且同时使系统的加工、检测和装调难度降低。

本发明采用的技术方案为：一种离轴反射成像光学系统，包括第一主反射镜，第二次反射镜，第三反射镜和第四反射镜；所述第一主反射镜、所述第二次反射镜和所述第三反射镜的顶点均在系统光轴上，但均离轴使用；所述第一主反射镜和所述第三反射镜为球面，所述第二次反射镜和所述第四反射镜为非球面；

所述第一主反射镜用于将入瞳入射至其表面的入射光束会聚，使所述入射光束口径变小；所述第二次反射透用于将所述第一主反射镜会聚的光束折转，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；所述第三反射镜将所述第二次反射镜折转的光束继续折转，同时校正部分由所述第二主反射镜引入的像散和场曲；所述第四反射镜用于对所述第三反射镜折转的光束继续折转，引入像差，以平衡系统像差，并使得光束在像面处成像。

可选地，如上所述的系统中，所述离轴反射成像光学系统的入瞳设置在所述第一主反射镜上或者设置在光束入射方向上所述第一主反射镜之前。

可选地，如上所述的系统中，所述第一主反射镜具有正光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第二次反射透为二次曲面，具有负光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第三反射镜具有正光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述第四反射镜为基于平面上的自由曲面，没有光焦度。

可选地，如上所述的系统中，所述系统用于对紫外光波段到红外光波段的所述入射光束成像。

可选地，如上所述的系统中，所述第一主反射镜、所述第二次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜(104)的材料为微晶玻璃、碳化硅材料或其他金属材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1.由于本发明的离轴反射成像光学系统采用了纯反射结构，使得系统结构紧凑、焦距较长；视场大，像面超大。