[发明专利]一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法

说明书

一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法，其中该结构包括主镜及与主镜间隔设置的次镜；所述主镜为谐衍射镜片且包括主入射面及与主入射面相背的主衍射面，所述主入射面为平面，所述主衍射面形成多个主衍射台阶；所述次镜的数量为至少一个且每个次镜包括次入射面及与次入射面相背的次衍射面；所述次入射面为平面，所述次衍射面形成多个次衍射台阶；光线经所述主入射面进入主镜、由所述主衍射面衍射后进入到所述次衍射面、再经所述次衍射面后进行聚焦。本发明解决了平行光管结构口径、焦距与体积、质量、拆装之间的矛盾。

技术领域

本发明涉及平行光管技术领域，特别是涉及一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法。

背景技术

平行光管是光电检测、光学系统检校的重要设备，也是光学度量仪器中的重要成员。平行光管的作用是产生平行光，模拟无穷远的目标，在平行光管物镜的焦面上放置分划板、星点板等焦平面所用光学元件，以满足不同光学系统不同参数的校验要求。

随着航天技术的发展，各个国家对于空间相机的分辨率、焦距等方面的要求越来越高。于此同时，空间相机的制作难度、系统复杂程度增大。外场检测作为航空、航天相机的最后一道保障关卡尤为重要。利用平行光管模拟无穷远物体对系统进行检测是最实用可靠的检测方式。然而随着系统口径的增大，系统焦距的增长，对大口径长焦距平行光管的需求十分迫切。由于外场环境复杂，远离城区，平行光管还需要具有质量轻、体积小、便于运输、性能稳定、成像质量好等特点。

平行光管根据结构可分为透射式和反射式。透视式平行光管受材料口径不能做的很大，并且重量大，系统光路长。多用于可见光系统检测。反射式平行光管的主镜口径可以做到很大，并且利用多块反射镜缩短光路。但是当被检测光学系统的口径不断增大时，配套平行光管的制作难度、体积重量和成本急剧上升，同时，由于结构复杂，运输过程中容易导致平行光管内部镜体发生位姿变化，影响检测精度。

衍射元件虽然具备轻、薄的特点，可以通过在一块很薄的基底材料上(玻璃、薄膜等)制作台阶结构来实现光线汇聚，成像等功能，但是衍射元件面临色差大的问题，在宽波段的应用中有诸多限制。

发明内容

基于此，本发明提供一种既可实现大口径又能保证系统轻量化、便于运输的平行光管结构设计方案。

一种基于衍射原理的平行光管结构，包括主镜及与主镜间隔设置的次镜；所述主镜为谐衍射镜片且包括主入射面及与主入射面相背的主衍射面，所述主入射面为平面，所述主衍射面形成多个主衍射台阶；所述次镜的数量为至少一个且每个次镜包括次入射面及与次入射面相背的次衍射面；所述次入射面为平面，所述次衍射面形成多个次衍射台阶；光线经所述主入射面进入主镜、由所述主衍射面衍射后进入到所述次衍射面、再经所述次衍射面后进行聚焦。

一种基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定入射主镜的主设计波长、主镜的谐振波长、入射次镜的次设计波长、次镜的次谐振波长、平行光管的焦距及口径；

步骤2：根据主设计波长、次设计波长和平行光管结构的口径，搭建初始光路；主镜的主衍射面及次镜的次衍射面的面型表达式为：

M为衍射级次，N为阶数，A_i为系数，r为归一化半径；

步骤3：保持主镜与次镜位相参数不变，对主镜及次镜的谐振波长处的成像质量进行验证，根据谐振波长，确定对应的衍射级次，完成谐振波长处的设计；

步骤4：保持主镜位相参数不变，以次镜的位相系数及主镜与次镜之间的距离为优化变量，同时保持平行光管结构的总长不变，完成次设计波长处的设计，次设计波长与主设计波长共用一个主镜，次镜尺寸与主设计波长的次镜相近，通过改变位相函数与距离参数，完成次设计波长对应的优化工作；