CN105334606B - 自由曲面离轴三反光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，位于光线的光路上，以该主反射镜顶点为原点定义一第一三维直角坐标系；一次反射镜，位于所述主反射镜光路上，该次反射镜为光阑面，以该次反射镜顶点为原点定义一第二三维直角坐标系，该第二三维直角坐标系为所述第一三维直角坐标系沿Z轴反方向平移得到；一第三反射镜，位于所述次反射镜的光路上，以该第三反射镜顶点为原点定义一第三三维直角坐标系，该第三三维直角坐标系为所述第二三维直角坐标系沿Z轴方向平移得到；以及一探测器，位于所述第三反射镜光路上。所述主反射镜以及第三反射镜的反射面均为一5次的多项式自由曲面；所述次反射镜的反射面为一平面。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统的设计领域，尤其涉及一种自由曲面离轴三反光学系统。
背景技术
自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统的体积、重量与镜片数量，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前景。由于自由曲面有非对称面并提供了更多的设计自由度，他们常被用在离轴非对称系统中。
然而，现有的自由曲面离轴三反光学系统主要针对线视场，成像范围较小，而且三个曲面均为自由曲面，且主反射镜与第三反射镜分离，加工与装调难度相当大，不易于实现。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以实现成像范围较大，且易于加工装调的的自由曲面离轴三反光学系统。
一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X,Y,Z)；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，以所述次反射镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），且该第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系(X,Y,Z)沿Z轴反方向平移得到；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，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''），且该第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）为所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）沿Z轴方向平移得到；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；所述主反射镜的反射面以及所述第三反射镜的反射面分别为一5次的xy多项式、x''y''多项式的自由曲面；所述次反射镜的反射面为一平面。
与现有技术比较，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有较大矩形视场，成像范围较大；该自由曲面离轴三反光学系统的主反射镜与第三反射镜空间位置近似连续相切，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；该自由曲面离轴三反光学系统的次反射镜采用一个平面镜转折光路，大大降低装调难度，使系统易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。
图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统在长波红外波段下部分视场角的调制传递函数MTF曲线。
主要元件符号说明
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，对本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统做进一步的详细说明。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种自由曲面离轴三反光学系统100，包括：一主反射镜102、一次反射镜104、一第三反射镜106以及一探测器108。所述次反射镜104位于主反射镜102的反射光路上，所述第三反射镜106位于次反射镜104的反射光路上，所述探测器108位于第三反射镜106的反射光路上。所述主反射镜102以及第三反射镜106的反射面均为自由曲面，且所述次反射镜104的反射面为一光阑面。所述次反射镜104的反射面为一平面。
所述自由曲面离轴三反光学系统100工作时的光路如下：光线首先入射到所述主反射镜102的反射面上，经该主反射镜102的反射面反射后形成一第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜104的反射面上，经该次反射镜104的反射面反射后形成一第二反射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜106的反射面上，经该第三反射镜106的反射面反射后形成一第三反射光被所述探测器108接收到并成像。
为了描述方便，将所述主反射镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z）、次反射镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）、第三反射镜106所处的空间定义一第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）。
所述主反射镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的原点，通过主反射镜102顶点的一条水平方向的直线为Z轴，向左为负向右为正，Y轴在图1所示的平面内，垂直于Z轴向上为正向下为负，X轴垂直于YZ平面，垂直YZ平面向里为正向外为负。
在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）中，所述主反射镜102的反射面为xy的多项式自由曲面，该xy多项式曲面的一般表达式为：
，
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100关于YZ平面对称，因此，可以仅保留X的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述主反射镜102的反射面采用最高次为5次的x的偶次项的xy多项式自由曲面，该xy多项式的方程式可表达为：
。
本实施例中，所述主反射镜102反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值请参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
| 曲率c | 5.4581228779E-03 |
| 二次曲面系数Conic Constant (k) | -2.9351122500E-02 |
| A2 | -6.4880997149E-01 |
| A3 | -8.4098683492E-04 |
| A5 | -1.3333293560E-03 |
| A7 | 9.2509319707E-06 |
| A9 | 8.1672537673E-07 |
| A10 | -1.6110371752E-08 |
| A12 | -1.4598293890E-07 |
| A14 | -1.3753088937E-08 |
| A16 | 5.4117613510E-10 |
| A18 | 6.3061780739E-10 |
| A20 | -2.3734235891E-11 |
所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Z轴反方向平移约127.722mm，所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点为所述次反射镜的顶点。即本实施例中所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点到所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点的距离约为127.722mm。
所述次反射镜104为一平面镜。在所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）中，所述次反射镜104与X'Y'平面沿逆时针方向的角度约为24.780°。
所述第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）为所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Z'轴方向平移约121.183mm，且所述第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）的原点为所述第三反射镜的顶点。即本实施例中所述第二三维直角坐标系(X'，Y'，Z')的原点到所述第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）的原点的距离约为121.183mm。
在所述第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）中，所述第三反射镜106的反射面为x''y''的多项式自由曲面，该x''y''多项式曲面的一般表达式为：
，
其中，z''为曲面矢高，c''为曲面曲率，k''为二次曲面系数，Ai''是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100关于Y''Z''平面对称，因此，可以仅保留x''的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述次反射镜104的反射面也采用最高次为5次的x''的偶次项的x''y''多项式自由曲面，该x''y''多项式的方程式可表达为：
。
本实施例中，所述第三反射镜106反射面面形的x''y''多项式中曲率c''、二次曲面系数k''以及各项系数Ai''的值请参见表2。可以理解，曲率c''、二次曲面系数k''以及各项系数Ai''的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表2第三反射镜的反射面的x''y''多项式中的各系数的值
| 曲率c'' | -3.4476797177E-03 |
| 二次曲面系数Conic Constant (k'') | -2.8724623175E+00 |
| A2'' | -3.6959918412E-01 |
| A3'' | -8.2111490156E-05 |
| A5'' | -1.1026138669E-04 |
| A7'' | -2.1257440194E-06 |
| A9'' | -2.1580606917E-06 |
| A10'' | -1.5819620150E-08 |
| A12'' | -3.4614018946E-08 |
| A14'' | -1.8856063917E-08 |
| A16'' | -2.4395788322E-11 |
| A18'' | -5.2376958965E-11 |
| A20'' | -2.8843154276E-11 |
所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜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反射镜102、次反射镜104和第三反射镜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。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的尺寸不限。
所述探测器108的中心与所述第三反射镜106的顶点沿Z轴反方向的距离约为206.455mm。所述探测器108的中心沿Y轴负方向偏离Z轴，偏离量约为180.163mm。所述探测器108与XY平面沿逆时针方向的角度约为18.320°。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效入瞳直径为33毫米。
系统在子午方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角为6.4°×8°，其中，在弧矢方向的角度为-3.2°至3.2°，在子午方向的角度为-18°至-10°。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为8微米到12微米。当然，所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长并不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效焦距为90mm。
请参阅图3，为自由曲面离轴三反光学系统100在长波红外波段下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都达到了衍射极限，表明该自由曲面离轴三反光学系统100具有很高的成像质量。
本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100采用离轴三反系统，视场角可以达到6.4°×8°，相比于同轴反射系统有更大的视场角；具有较大矩形视场，成像范围较大；该自由曲面离轴三反光学系统的主反射镜与第三反射镜空间位置近似连续相切，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；该自由曲面离轴三反光学系统的次反射镜采用一个平面镜转折光路，大大降低装调难度，使系统易于实现。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，包括：
一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)；
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，以所述次反射镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)，且该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)为所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Z轴反方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)中，所述次反射镜与X′Y′平面沿逆时针方向的角度为24.780°；
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，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)，且该第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)为所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)沿Z轴方向平移得到；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；
所述主反射镜的反射面以及所述第三反射镜的反射面分别为一5次的xy、x″y″多项式自由曲面；所述次反射镜的反射面为一平面。
2.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述主反射镜的反射面为含有x偶次项的5次xy多项式曲面，该xy多项式曲面的方程式为：
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，
其中，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值分别为：
3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第三反射镜的反射面为含有x″偶次项的5次x″y″多项式曲面，该x″y″多项式曲面的方程式为：
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，
其中，曲率c″、二次曲面系数k″以及各项系数Ai″的值分别为：
4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的第二原点到所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的第一原点的距离为127.722mm。
5.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的第二原点到所述第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)的第三原点的距离为121.183mm。
6.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述探测器与XY平面沿逆时针方向的角度为18.320°。
7.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述探测器的中心与所述第三反射镜的顶点沿Z轴反方向的距离为206.455mm，所述探测器的中心沿Y轴负方向偏离Z轴，偏离量为180.163mm。
8.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反光学系统的视场角为6.4°×8°。
9.如权利要求8所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反光学系统的视场角在弧矢方向为-3.2°到3.2°，在子午方向为-18°到-10°。
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