[发明专利]基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统

说明书

本发明涉及一种结构紧凑的基于自由曲面基底相位元件的离轴成像系统，包括：一主反射镜、一次反射镜、一第三反射镜以及一探测器；所述主反射镜用于将物方光线反射，形成一第一反射光；所述次反射镜用于将第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第三反射镜用于将第二反射光再次反射，形成一第三反射光；所述探测器用于接收所述第三反射光并成像。所述主反射镜、次反射镜、以及第三反射镜均为自由曲面基底相位元件；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠，系统结构紧凑。

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体涉及一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统。

背景技术

与球形和非球形表面相比，自由曲面为光学设计提供了更多的自由度，因此其可以提供更强的像差校正能力。近年来，随着先进制造技术的不断发展，自由曲面已经成功地用于成像和照明领域。随着消费者需求的增长，自由曲面有望用于设计超紧凑的高性能系统。在某些系统需求中，光线必须实现大角度偏转，这将导致面形不符合实际情况。在某些极端的设计任务中，自由曲面提供的变量不足，这将导致在系统设计中使用的元件个数更多，因而增加系统的复杂性，体积和重量。

近年来，相位元件越来越多的被应用于成像系统设计中。此类元件基于衍射原理或者超颖表面的电磁响应，可以用于调控波前，因此也可以用于成像系统设计。而自由曲面基底相位元件是将相位面加工于自由曲面基底上。当自由曲面基底和相位函数集成于一个元件上时，系统的设计自由度得到很好的扩展。此类系统可以有效降低传统的体积和重量，可以实现大角度的光线折转。同时，可以降低系统的装调难度。综上，此类系统具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，该成像系统采用离轴三反结构，系统的三个元件均为反射式的自由曲面基底相位元件。系统的光路之间相互交叠，系统结构非常紧凑。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，包括一主反射镜，该主反射镜将物方发来的光线反射，形成一第一反射光；一次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，该次反射镜为一光阑面；一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及一探测器，该探测器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜均为自由曲面基底相位元件，其几何形状基底均为自由曲面，基底上加载相位结构，即加载相位面。

进一步地，本发明所述相位面可用相位函数表征，且为二元光学衍射面、采用全息方法制备的衍射面或者超颖表面。

与现有基于传统几何曲面的离轴成像系统相比，本发明提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统，主反射镜、次反射镜以及第三反射镜均为自由曲面基底相位元件，由于自由曲面基底相位元件可以提供更多的设计自由度，从而更好地校正系统像差以提升系统的成像质量，并且可以减少系统所需要的总元件个数以使得系统结构十分紧凑、体积更小、更轻便。同时该基于自由曲面基底相位元件的离轴三反光学系统的主反射镜与第三反射镜在Z轴方向的位置非常接近且近似连续，有利于将其加工在一块元件上，从而有利于系统的加工和装调；该自由曲面基底及相位函数使用的XY多项式方程式的次数较低，比较容易加工。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统的光路示意图。

图2为本发明实施例提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统的结构与坐标系示意图。

图3为本发明实施例提供的基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统在不同波长下调制传递函数(MTF)曲线。