偏振像差指的是光线通过光学系统时振幅、相位和偏振的变化[1]。与波像差相比，偏振像差对成像质量的影响非常小，在许多光学系统中可以安全地忽略。然而，对于需要超高质量成像或检测精度的应用（如光刻成像[2]、偏振计测量[3,4]、天文遥感[5],[6],[7],[8]以及日冕仪[9],[10],[11]），偏振像差就成为重要的误差来源。
为了减少光学系统中偏振像差的不良影响，一种关键方法是通过偏振校准来获取系统的偏振特性[12]。然而，由于高精度偏振元件的尺寸有限以及自然场景校准源的不稳定性，获取大口径、高精度光学系统的偏振像差仍然具有挑战性。因此，减轻光学系统的偏振像差是非常必要的。
目前，低偏振设计[13]和偏振补偿[14]是两种主要的偏振像差缓解策略。低偏振设计通过优化结构或涂层参数来抑制偏振像差。其主要实现方法包括通过光学结构优化减小入射角和优化涂层的偏振特性[15]。然而，对入射角的额外限制限制了光学设计的灵活性，而且涂层中额外的偏振控制要求导致了部分光学效率的损失[16]。对于偏振补偿，主要是通过引入具有互补偏振特性的额外光学元件来减轻系统引起的偏振像差。一个典型的例子是基于液晶聚合物的空间变化延迟板[17]，这种板已被开发用于补偿大口径天文望远镜中的偏振像差。然而，这种板的均匀性仅限于λ/50，无法满足天文望远镜的严格波前质量要求。
显然，传统的偏振像差校正方法通常会影响其他关键性能指标。这是因为偏振像差由光学系统的结构参数和涂层参数共同决定，缓解它们通常涉及与其他关键指标（如由结构主导的波像差和由涂层主导的光学效率）之间的复杂权衡，如图1所示。鉴于这种复杂性，我们在之前的论文中首次提出了一种基于多目标优化的方法来设计低偏振像差的光学系统[18,19]。通过将波像差和偏振像差作为目标函数，获得了具有高成像质量和低偏振像差的三镜系统。然而，虽然这种方法考虑了多个性能指标，但偏振像差的约束减少了可用的设计自由度，从而限制了满足其他工程要求（如结构尺寸）的能力。因此，偏振像差缓解的核心挑战是在确保其他指标（如波像差和光学效率）符合严格规格的同时，最小化偏振像差。
由于平面镜的非焦性质，它们在各种光学元件中非常独特，能够解决这一核心挑战。当满足表面精度和高反射率涂层的要求时，可以忽略平面镜引起的波像差和光学效率的下降。更重要的是，我们的研究表明，在非平行光路中，平面镜引入的偏振像差具有以低阶分量为主的空间分布，其频率与大多数光学系统中的频率相匹配。这一关键优势使得平面镜能够将偏振像差与波像差解耦。因此，本文提出了一种基于平面镜的光学系统偏振像差补偿方法，旨在独立优化偏振像差。此外，由于平面镜在光学系统中的广泛应用和操作简便性[20,21]，所提出的方法具有显著的工程可行性。需要强调的是，以往的研究主要集中在平面镜之间的相互补偿[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28]，而不是使用平面镜来补偿整个光学系统。
在本文中，我们致力于通过结合和精确控制平面镜的空间方向来补偿光学系统的偏振像差。本文的其余部分安排如下：第2节介绍了使用平面镜进行偏振补偿的基本原理。第3节介绍了实现补偿的方法。第4节提供了代表性的补偿示例和结果。第5节讨论了补偿的机制。最后，第6节总结了一些结论。
