[发明专利]一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统

说明书

本发明公开了一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统，包括主镜和次镜，主镜为凹面反射镜，次镜为凸面反射镜。该系统的光学结构相对紧凑，无中心遮拦和能量损失，且系统无实焦点，更适合基于空气介质的扩束系统。该系统采用自由曲面进行设计，有三种结构形式，第一种是主镜为自由曲面、次镜为离轴非球面，第二种是主镜为离轴非球面、次镜为自由曲面，第三种是主镜和次镜都为自由曲面，可以根据具体的使用要求进行选择。采用自由曲面可以很好地校正非对称像差，提高扩束系统的光束质量，增大视场，应用于光通信系统，提高通信捕获概率。

技术领域

本发明涉及到光通信领域，光学系统设计技术领域，具体涉及一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统。

背景技术

扩束系统是光通信系统的重要组成部分，其主要作用是压缩光束的空间发散角，提高光束准直性，扩大发射范围等。扩束系统一般分为折射式、反射式和折返式三种结构形式。相较于折射式扩束系统，反射式扩束系统更适合于大口径系统的应用，且系统中不存在色差，可以实现结构紧凑和轻量化的要求。相较于同轴扩束系统，离轴扩束系统存在无中心遮拦和光能利用率高的优势。因此，当要求发射口径较大，且对体积和质量有限制时，多采用反射式扩束系统。然而，现有的离轴反射式扩束系统还存在诸多不足之处，例如有效视场很小、结构不够简化、非对称像差难以校正等等。在不降低系统的相对孔径、不增加光学元件数量的前提下，使用传统的球面以及旋转对称非球面越来越难以满足设计要求。近年来，随着加工及检测技术的不断提升，新兴的自由曲面加工精度越来越高，使其能应用于实际光学系统。自由曲面由于具有非旋转对称性、自由度丰富，校正非对称像差能力强等一系列优点也开始用于离轴成像系统设计。由于现有的离轴扩束系统存在诸多不足，例如有效视场很小，彗差、像散等非对称像差难以校正，光束质量不高等，使用传统的球面以及旋转对称非球面越来越难以满足设计要求。

发明内容

本发明针对现有扩束系统存在的不足，提供了一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统，其目的在于提高扩束系统的光束质量，增大工作视场，进而提高光通信系统的能量利用率和捕获概率，极大地简化系统结构。

本发明所采用的技术方案是：一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统，该系统包括主镜和次镜：

所述主镜为凹面反射镜，所述次镜为凸面反射镜，所述扩束系统采用离轴、无实焦点设计，无中心遮拦和能量损失；与光轴平行的光束入射到凸面次镜上，由次镜反射到凹面主镜上，经主镜反射输出与入射光束平行的扩束后的光束；该扩束系统采用自由曲面进行设计，所述设计包括三种结构形式，第一种是主镜为自由曲面、次镜为离轴非球面；第二种结构形式是主镜为离轴非球面、次镜为自由曲面；第三种结构形式是主镜和次镜都为自由曲面。可以根据具体的使用要求进行选择。

该扩束系统的扩束倍率M为主镜与次镜的焦距之比。

进一步的，其扩束倍率为固定式，能根据具体使用要求设定扩束倍率。

进一步的，所述扩束系统适用波段范围0.4μm～12μm。

进一步的，所述扩束系统中两反射镜表面需要镀高反膜。

进一步的，高斯光束通过望远系统的变换矩阵为：

其中，f₁，f₂分别表示两镜的焦距，两镜间距d＝f₁+f₂+Δ，Δ表示失调量，M_t＝-f₂/f₁为望远系统的放大倍率。

进一步的，

设入射光束束腰为ω₀，波长为λ，焦参量为物距为s，经望远系统后变为束腰为ω′₀、像距为s′的高斯光束；

设Δ＝0，有：