阅读说明：本技术 一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统 (Off-axis reflection type two-mirror beam expanding system based on free-form surface ) 是由 谷茜茜 崔占刚 亓波 马浩统 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses an off-axis reflection type two-mirror beam expanding system based on a free-form surface. The system has a relatively compact optical structure, no central blocking and no energy loss, has no real focus, and is more suitable for the beam expanding system based on the air medium. The system is designed by adopting a free-form surface, and has three structural forms, wherein the first form is that a primary mirror is the free-form surface and a secondary mirror is an off-axis aspheric surface, the second form is that the primary mirror is the off-axis aspheric surface and the secondary mirror is the free-form surface, and the third form is that the primary mirror and the secondary mirror are both free-form surfaces and can be selected according to specific use requirements. The adoption of the free-form surface can well correct asymmetric aberration, improve the beam quality of a beam expanding system, increase the field of view, be applied to an optical communication system and improve the communication capture probability.)

一种基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统

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：

ω′₀＝|M_t|ω₀

设初始发散角为θ₀₁，经过系统后发散角为θ₀₂，远场发散角θ₀与束腰ω₀间有反比关系，即：

远场发散角被压缩|M_t|倍，且与物距和像距均无关，当s＝f₁时，s′＝f₂，即像方束腰位于第二透镜L₂的后焦面上；当s＞＞f₁+f₂时，

该望远系统的扩束比：

进一步的，

该扩束系统的放大倍率M_t，即扩束倍率M为主镜与次镜的焦距之比，在选择好主镜的相对口径之后，主镜和次镜的焦距就能得到；设失调量Δ＝0，两镜间距d为主镜焦距与次镜的焦距之差，反射镜顶点的曲率半径为两倍的焦距，得到主镜和次镜顶点的曲率半径。

自由曲面描述方法一般分为两大类，多项式描述方法和参数化描述方法。多项式描述方法是采用一系列的多项式组合表示光学自由曲面面形的方法，包括变形非球面、XY多项式面、Zemike多项式面、径向基函数曲面、Q型多项式面等。参数化描述方法是基于离散点拟合得到光学自由曲面面形的方法，包括B样条曲面、非均匀有理B样条(NURBS)曲面等。

该扩束系统两反射镜表面需要镀高反膜，它的适用波段宽。

该扩束系统的扩束倍率为固定式，可以根据具体使用要求来设定扩束倍率。

有益效果

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。

本发明创新性地将自由曲面应用于离轴反射式扩束系统，提出了基于自由曲面的离轴反射式两镜扩束系统。该系统具有结构简单、光束质量较好等优点，采用自由曲面，相比于传统二次曲面，在不改变系统的相对孔径，不增加光学元件数量的前提下，可以有效地校正系统离轴带来的非对称像差，提高光束质量，更有效地增大了视场，能够提高光通信系统的非卸载工作范围。另外，采用无焦系统，无需再使用准直透镜元件，可以直接加快速反射镜、分光镜等后续光路，极大地简化系统结构，能够实现粗、精跟踪系统光学元件共用。相对于现有离轴扩束系统，其优点十分明显，在光通信系统中有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种离轴两反扩束系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种离轴两反扩束系统主镜为自由曲面的结构示意图；

图3为本发明提供的又一种离轴两反扩束系统次镜为自由曲面的结构示意图；

图4为本发明提供的又一种离轴两反扩束系统主次镜均为自由曲面的结构示意图；

图5为高斯光束经过望远系统的原理图；

图6为本发明实施例提供的一种次镜为自由曲面的离轴两反扩束系统的结构图；

具体实施方式

本发明提供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。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。参见附图1。图中1为主镜，2为次镜。

由仪器的总体设计要求提出光学系统的通光口径以及放大倍率等要求。然后选择主镜的相对口径。主镜的相对口径的选择与多方面因素有关，从缩短镜筒长度来说，当然主镜相对口径越大越有利，加工难度和相对口径的立方成正比，所以这个数值是要综合几方面的因素来定的，一般取1∶3或1∶4，大望远镜越来越多采用1∶2甚至更大的主镜相对口径。

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。

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：

ω′₀＝|M_t|ω₀

设初始发散角为θ₀₁，经过系统后发散角为θ₀₂，远场发散角θ₀与束腰ω₀间有反比关系，即：

远场发散角被压缩|M_t|倍，且与物距和像距均无关，当s＝f₁时，s′＝f₂，即像方束腰位于第二透镜L₂的后焦面上；当s＞＞f₁+f₂时，

该望远系统的扩束比：

请参见附图5。

该扩束系统的放大倍率M_t(扩束倍率M)为主镜与次镜的焦距之比。在选择好主镜的相对口径之后，主镜和次镜的焦距就可以得到。一般设失调量Δ＝0，两镜间距d为主镜焦距与次镜的焦距之差。根据高斯光学可知，反射镜顶点的曲率半径为两倍的焦距，可以得到主镜和次镜顶点的曲率半径。

该扩束系统的扩束倍率为固定式，适用波段宽，两个反射镜需要镀高反膜。

该扩束系统的离轴方式有两种：(1)孔径离轴或偏移视场(2)将曲面倾斜。

该扩束系统采用自由曲面进行设计，可以校正系统非对称像差，增大视场，提高光束质量。自由曲面描述方法一般分为两大类，多项式描述方法和参数化描述方法。自由曲面在该系统中的位置可以有三种，主镜为自由曲面、次镜为自由曲面、主次镜都为自由曲面，分别见附图2、附图3和附图4。图2中1为自由曲面主镜，2为离非球面次镜；图3中1为离轴非球面主镜，2为自由曲面次镜；，图4中1为自由曲面主镜，2为自由曲面次镜；

在光学设计软件ZEMAX或CODEV中将主镜或次镜的曲面面形设置为变形非球面、XY多项式面、Zernike多项式面、径向基函数曲面、Q型多项式面等自由曲面面形，或者也可以使用宏语言编写自定义的自由曲面面形。

无焦系统是指对光束没有发散或聚焦的光学系统，即平行光进，平行光出，光学系统的等效焦距为无限大。

例如，根据以上过程，我们设计了一个扩束系统，其相关参数如下：

入射光波长为1550nm，视场为1°，主镜口径D₁＝100mm，主镜(即主镜的相对口径为1∶4)，因此

主镜焦距f₁＝400mm，扩束倍率M_t＝6，次镜焦距f₂＝66.666mm，次镜口径D₂＝16.666mm，两镜间距d＝333.333mm，主镜顶点曲率半径R₁＝800mm，次镜顶点曲率半径R₂＝133.333mm，主、次镜的二次曲面系数均为-1，采用第一种离轴方式，将主镜像+Y方向离轴83.333mm。主镜为凹抛物面的一部分，次镜为采用10项zernike多项式表示的自由曲面。Zernike多项式如下：

这里，c表示基底曲率，k表示非球面系数，N为级数中泽尼克系数的个数，A_i为第i项泽尼克多项式的系数，r为径向光线坐标，单位为透镜单位，ρ为归一化径向光线坐标，

为光线角度坐标。次镜的zernike多项式系数如下表所示：

该扩束系统的结构参见附图6，图6中1为主镜，2为次镜，3为光阑面，4为像面。

该扩束系统像质不能用一般的MTF或者点列图进行评价，而是采用波像差和斯托列尔比来分析。入射光波长为1550nm时，全视场内波像差最大值为0.0604λ，满足波像差小于λ/14的要求，全视场内斯托列尔比SR最小为0.880，满足斯托列尔比SR大于0.8的要求，并且视场达到1°。若采用传统二次曲面进行设计，全视场内波像差最大值为0.0708λ，全视场内斯托列尔比SR最小为0.837，视场只能达到0.8°。所以该系统采用自由曲面可以有效地增大视场，相对于传统二次曲面，光学视场提高了约25％。