CN103809277A - 离轴三反镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离轴三反镜，其包括一主镜、一次镜、一三镜和一图像传感器。所述次镜位于主镜的反射光路上，所述三镜位于次镜的反射光路上，所述图像传感器位于三镜的反射光路上。所述主镜和三镜一体成型，且该主镜和三镜的反射面均为自由曲面。

Description

离轴三反镜
技术领域
本发明涉及一种离轴三反镜。
背景技术
离轴三反镜具有结构简单、无遮拦、无色差、结构紧凑等特点，可实现高分辨率和高能量利用率，被越来越多地应用于空间相机、成像光谱仪等空间对地成像观测系统及民用监控系统，取得了快速的发展。
然而，目前的离轴三反镜中，所用反射镜镜面多为椭球面、抛物面、双曲面等二次曲面或球面。由于这些二次曲面或球面反射镜的自由度都较少，因此，不利于提高离轴三反镜的性能，改善整体成像质量。
另外，目前的离轴三反镜，由于其主镜、次镜和三镜都是相互分离的，因此，其反射镜的装调是一个复杂而繁琐的问题。
有鉴于此，确有必要提供一种离轴三反镜，该离轴三反镜具有较多的自由度，且该离轴三反镜的装调较为简单方便。
发明内容
本发明提供一种离轴三反镜，其包括一主镜、一次镜、一三镜和一图像传感器，所述次镜位于主镜的反射光路上，所述三镜位于次镜的反射光路上，所述图像传感器位于三镜的反射光路上，所述主镜和三镜一体成型，且所述主镜和三镜的反射面均为自由曲面。
进一步地，所述主镜和三镜的反射面面形均为XY多项式，所述XY多项式的方程式为
Figure 148037DEST_PATH_IMAGE001
。
更进一步地，所述离轴三反镜的入瞳直径大于等于60毫米。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：第一，本发明提供的离轴三反镜，其主镜和三镜的反射面均为自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利于提高整体性能，改善整体成像质量；第二，本发明提供的离轴三反镜，其主镜和三镜通过一次加工一体成型，因此，该离轴三反镜的装调较为简单方便，且有利于提高装调的精度；第三，本发明提供的离轴三反镜，其入瞳直径可达到60毫米以上；第四，本发明提供的离轴三反镜不包括冷光阑，因此可在非制冷条件下使用。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的离轴三反镜的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的离轴三反镜的立体结构示意图。
图3为本发明实施例一提供的离轴三反镜的传递函数图。
图4为本发明实施例二提供的离轴三反镜的结构示意图。
图5为本发明实施例二提供的离轴三反镜的立体结构示意图。
图6为本发明实施例二提供的离轴三反镜的传递函数图。
主要元件符号说明
离轴三反镜 10，20
镜面块体结构 100，200
主镜 102，202
次镜 104，204
三镜 106，206
图像传感器 108，208
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的离轴三反镜做进一步的详细说明。
实施例一
请一并参见图1和图2，本发明实施例一提供一种离轴三反镜10，其包括一主镜102、一次镜104、一三镜106和一图像传感器108。所述次镜104位于主镜102的反射光路上，所述三镜106位于次镜104的反射光路上，所述图像传感器108位于三镜106的反射光路上。所述主镜102和三镜106一体成型，且所述主镜102和三镜106的反射面均为自由曲面。
所述离轴三反镜10工作时的光路如下：光线首先入射到所述主镜102的反射面上，经该主镜102的反射面反射后入射到所述次镜104的反射面上，经该次镜104的反射面反射后入射到所述三镜106的反射面上，经该三镜106的反射面反射后被所述图像传感器108接收到。
所述离轴三反镜10中，所述主镜102的反射面整体呈凹形，所述三镜106的反射面整体也呈凹形。
优选地，本发明实施例一中，所述主镜102和三镜106的反射面面形均为XY多项式，该XY多项式的方程式可表达为：
Figure 252128DEST_PATH_IMAGE001
。
式中，R为主镜102和三镜106的曲率半径，C1~C15为方程式各项中的系数。优选地，所述主镜102和三镜106的反射面面形的XY多项式中的各系数的值请分别参见表1和表2。
表1 主镜的反射面面形的XY多项式中的各系数的值
表2 三镜的反射面面形的XY多项式中的各系数的值
Figure 427075DEST_PATH_IMAGE005
本发明实施例一中，所述次镜104的反射面面形不限，优选地，所述次镜104的反射面面形为非球面，该非球面的方程式可表达为：
。
式中，R为次镜104的曲率半径，C1和A为方程式中的系数。优选地，所述非球面的方程式中，R=-166.561，C1=3.424，A=1.956×10-8。
所述主镜102和三镜106一体成型，形成一镜面块体结构100。该镜面块体结构100可通过一次加工完成。另外，当该镜面块体结构100加工完成时，也就意味着所述主镜102和三镜106的装调同时完成了，因此，可降低所述主镜102和三镜106的装调难度，并可利用机械加工工艺保证主镜102和三镜106的空间位置关系，实现装调主镜102和三镜106的效果，并能提高其装调精度。优选地，所述主镜102的反射面和三镜106的反射面在镜面块体结构100的一表面连续延伸。
所述主镜102、次镜104和三镜106的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜102、次镜104和三镜106可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主镜102、次镜104和三镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。本实施例中，所述主镜102、次镜104和三镜106均以铝为基材，并在其反射面镀一单层金膜。所述主镜102、次镜104和三镜106的形状和尺寸不限，本实施例中，所述主镜102的反射面呈一长方形，其尺寸大于等于140毫米×140毫米；所述次镜104的反射面呈一圆形，其直径大于等于55毫米；所述三镜106的反射面呈一长方形，其尺寸大于等于140毫米×120毫米。
所述主镜102到次镜104的距离在133毫米至134毫米之间；所述次镜104到三镜106的距离与所述主镜102到次镜104的距离相同，也为133毫米至134毫米之间；所述三镜106到图像传感器108的距离与所述主镜102到次镜104的距离也相同，为133毫米至134毫米之间。优选地，本实施例一中所述主镜102到次镜104的距离、次镜104到三镜106的距离以及三镜106到图像传感器108的距离均为133.7毫米。
在图1中设定一XYZ空间坐标系，其中，所述离轴三反镜10的光轴L平行于该坐标系中的Z轴。在该坐标系中，所述主镜102和次镜104均无离轴和偏心。在该坐标系中定义一α方向，该α方向的正向为Z轴正向向Y轴正向旋转的方向。在该坐标系中，所述三镜106和图像传感器108均无偏心，且在α方向具有一倾斜角度，所述三镜106在α方向的倾斜角度为10°，所述图像传感器108在α方向的倾斜角度为-5.291°。
所述图像传感器108可为一CCD或一CMOS，优选地，本实施例中，所述图像传感器108为一面阵CCD。所述面阵CCD的尺寸为7.20毫米×9.60毫米。
本发明实施例一中所述的离轴三反镜10，其入瞳直径可大于等于60毫米，优选地，所述离轴三反镜10的入瞳直径可达100毫米。即，本发明实施例一提供的离轴三反镜10为一大孔径的离轴三反镜。
所述离轴三反镜10的视场角为3°×4°，其中，在X方向的角度为-1.5°至1.5°，在Y方向的角度为-10°至-14°。
所述离轴三反镜10的等效焦距为-35.322毫米。
图3为本发明实施例一提供的离轴三反镜10的传递函数图，从图3可见，所述离轴三反镜10中各视场的传递函数均接近衍射极限，表明该离轴三反镜10具有很高的成像质量。
本发明实施例一提供的离轴三反镜10至少具有以下优点：第一，本实施例一提供的离轴三反镜，其主镜和三镜的反射面均为自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利于提高整体性能，改善整体成像质量；第二，本实施例一提供的离轴三反镜，其主镜和三镜通过一次加工一体成型，因此，该系统的装调较为简单方便，且有利于提高装调的精度；第三，本实施例一提供的离轴三反镜，其入瞳直径可达到60毫米以上；第四，本实施例一提供的离轴三反镜不包括冷光阑，因此可在非制冷条件下使用。
实施例二
请一并参见图4和图5，本发明实施例二提供一种离轴三反镜20，其包括一主镜202、一次镜204、一三镜206和一图像传感器208。所述次镜204位于主镜202的反射光路上，所述三镜206位于次镜204的反射光路上，所述图像传感器208位于三镜206的反射光路上。所述主镜202和三镜206一体成型，且所述主镜202和三镜206的反射面均为自由曲面。
所述离轴三反镜20工作时的光路如下：光线首先入射到所述主镜202的反射面上，经该主镜202的反射面反射后入射到所述次镜204的反射面上，经该次镜204的反射面反射后入射到所述三镜206的反射面上，经该三镜206的反射面反射后被所述图像传感器208接收到。
所述离轴三反镜20中，所述主镜202的反射面整体呈凸形，所述三镜206的反射面整体呈凹形。
优选地，本发明实施例二中，所述主镜202和三镜206的反射面面形均为XY多项式，该XY多项式的方程式可表达为：
Figure 1593DEST_PATH_IMAGE007
。
式中，R为主镜202和三镜206的曲率半径，C1~C15为方程式各项中的系数。优选地，所述主镜202和三镜206的反射面面形的XY多项式中的各系数的值请分别参见表3和表4。
表3 主镜的反射面面形的XY多项式中的各系数的值
Figure 268626DEST_PATH_IMAGE009
表4 三镜的反射面面形的XY多项式中的各系数的值
Figure DEST_PATH_IMAGE011
所述次镜204的反射面面形不限，优选地，所述次镜204的反射面面形为非球面，该非球面的方程式可表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，R为次镜204的曲率半径，K、A~D为方程式各项中的系数。优选地，所述次镜204的反射面面形的非球面方程式中，各系数的值请参见表5。
表5 次镜的反射面面形的非球面方程式中的各系数的值
R K A B C D
-478.425 143.657 9.263×10-8 5.907×10-10 -7.450×10-12 3.036×10-14
所述主镜2102和三镜206一体成型，形成一镜面块体结构200。该镜面块体结构200可通过一次加工完成。另外，当该镜面块体结构200加工完成时，也就意味着所述主镜202和三镜206的装调同时完成了，因此，可降低所述主镜202和三镜206的装调难度，并可利用机械加工工艺保证主镜202和三镜206的空间位置关系，实现装调主镜202和三镜206的效果，并能提高其装调精度。优选地，所述主镜202的反射面和三镜206的反射面在镜面块体结构200的一表面连续延伸。
所述主镜202、次镜204和三镜206的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜202、次镜204和三镜206可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主镜202、次镜204和三镜206的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。本实施例中，所述主镜202、次镜204和三镜206均以铝为基材，并在其反射面镀一单层金膜。所述主镜202、次镜204和三镜206的形状和尺寸不限，本实施例中，所述主镜202的反射面呈一长方形，其尺寸大于等于140毫米×140毫米；所述次镜204的反射面呈一圆形，其直径大于等于55毫米；所述三镜206的反射面呈一长方形，其尺寸大于等于140毫米×120毫米。
所述主镜202到次镜204的距离在185.5毫米至186.5毫米之间；所述次镜204到三镜206的距离与所述主镜102到次镜104的距离相同，也为185.5毫米至186.5毫米之间；所述三镜206到图像传感器208的距离在181.0毫米至182.0毫米之间。优选地，所述主镜202到次镜204的距离、次镜204到三镜206的距离均为186.078毫米，所述三镜206到图像传感器208的距离为181.604毫米。
在图4中设定一XYZ空间坐标系，其中，所述离轴三反镜20的光轴L平行于该坐标系中的Z轴。在该坐标系中，所述主镜202和次镜204均无离轴和偏心。在该坐标系中定义一α方向，该α方向的正向为Z轴正向向Y轴正向旋转的方向。在该坐标系中，所述三镜206和图像传感器208均无偏心，且在α方向具有一倾斜角度，所述三镜206在α方向的倾斜角度为4°，所述图像传感器208在α方向的倾斜角度为2.35°。
所述离轴三反镜20的入瞳直径在5毫米至10毫米之间，优选地，所述离轴三反镜20的入瞳直径为8毫米。
所述图像传感器208可为一CCD或一CMOS，优选地，本实施例中，所述图像传感器208为一线阵CCD。
所述离轴三反镜20的视场角可大于等于45°，优选地，本实施例中，所述离轴三反镜20的视场角为64°，即其在Y方向的角度为-10°至-74°。即本发明实施例二提供的离轴三反镜20为一大视场角的离轴三反镜。
本发明实施例二中所述的离轴三反镜20的等效焦距为-40.844毫米。
图6为本发明实施例二提供的离轴三反镜20的传递函数图，从图6可见，所述离轴三反镜20中各视场的传递函数均接近衍射极限，表明该离轴三反镜20具有很高的成像质量。
本发明实施例二提供的离轴三反镜20至少具有以下优点：第一，本实施例二提供的离轴三反镜，其主镜和三镜的反射面均为自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利于提高整体性能，改善整体成像质量；第二，本实施例二提供的离轴三反镜，其主镜和三镜通过一次加工一体成型，因此，该系统的装调较为简单方便，且有利于提高装调的精度；第三，本实施例二提供的离轴三反镜，其视场角可达到45°以上，因此非常适合用于民用大视场角监控系统。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (19)

1.一种离轴三反镜，其包括一主镜、一次镜、一三镜和一图像传感器，所述次镜位于主镜的反射光路上，所述三镜位于次镜的反射光路上，所述图像传感器位于三镜的反射光路上，其特征在于，所述主镜和三镜一体成型，且所述主镜和三镜的反射面均为自由曲面。
2.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜和三镜的反射面整体均呈凹形。
3.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜和三镜的反射面面形均为XY多项式。
4.如权利要求3所述的离轴三反镜，其特征在于，所述XY多项式的方程式为
Figure 2012104372292100001DEST_PATH_IMAGE001
。
5.如权利要求4所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜的反射面面形的XY多项式的方程式中，R=361.890，C1=-0.481，C2=-4.476×10-7，C3=-4.904×10-2，C4=-2.247×10-3，C5=1.690×10-9，C6=-2.348×10-3，C7=-1.374×10-12，C8=5.312×10-7，C9=-3.204×10-12，C10=4.731×10-7，C11=-1.724×10-9，C12=1.327×10-14，C13=-3.698×10-9，C14=2.308×10-14，C15=-2.122×10-9。
6.如权利要求4所述的离轴三反镜，其特征在于，所述三镜的反射面面形的XY多项式的方程式中，R=-188.938，C1=0.305，C2=-3.908×10-7，C3=7.408×10-2，C4=2.620×10-5，C5=-1.176×10-9，C6=1.272×10-4，C7=-1.707×10-12，C8=7.241×10-7，C9=-6.562×10-12，C10=6.047×10-7，C11=1.591×10-9，C12=3.267×10-14，C13=2.011×10-9，C14=-6.012×10-14，C15=1.207×10-9。
7.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述次镜的反射面为非球面，该非球面的方程式为
Figure 2012104372292100001DEST_PATH_IMAGE002
。
8.如权利要求7所述的离轴三反镜，其特征在于，所述非球面的方程式中，R=-166.561，C1=3.424，A=1.956×10-8。
9.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜、次镜和三镜均以铝材制成，且该主镜、次镜和三镜的反射面上均镀有一单层金膜。
10.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜到次镜的距离、次镜到三镜的距离以及三镜到图像传感器的距离均在133毫米至134毫米之间。
11.如权利要求10所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜到次镜的距离、次镜到三镜的距离以及三镜到图像传感器的距离均为133.7毫米。
12.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜具有一光轴，所述主镜和次镜相对于该光轴无离轴，所述三镜在逆时针方向偏离该光轴10°，所述图像传感器在顺时针方向偏离该光轴5.291°。
13.如权利要求4所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜的入瞳直径大于等于60毫米。
14.如权利要求5或6所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜的入瞳直径为100毫米。
15.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述图像传感器为一面阵CCD，所述面阵CCD的尺寸为7.20毫米×9.60毫米。
16.如权利要求15所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜的视场角为3°×4°。
17.如权利要求15所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜的等效焦距为-35.322毫米。
18.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述主镜的反射面和三镜的反射面连续延伸。
19.如权利要求1所述的离轴三反镜，其特征在于，所述离轴三反镜的光路为光线首先入射到所述主镜的反射面，经反射后入射到所述次镜的反射面，经反射后入射到所述三镜的反射面，经反射后最终被所述图像传感器接收。
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