CN105445918A - 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：一光阑，位于光线的入射光路上；一主反射镜，位于光线的入射光路上，所述光线依次经过所述光阑和主反射镜；一次反射镜，位于所述主反射镜的反射光路上；一第三反射镜，位于所述次反射镜的反射光路上；以及一探测器，位于所述第三反射镜的反射光路上；所述次反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系，所述次反射镜的顶点为第一三维直角坐标系的原点；所述主反射镜和第三反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系；所述主反射镜和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，且该自由曲面方程为一6次多项式；所述次反射镜的反射面为一10次多项式非球面。

Description

自由曲面离轴三反光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统设计领域，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，F数较大，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大视场角，小F数且加工与装调难度小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：一光阑，该光阑设置在光线的入射光路上；一主反射镜，该主反射镜设置在光线的入射光路，所述光线依次经过所述光阑和主反射镜，所述主反射镜用于将所述光线反射，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；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；所述次反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z），所述次反射镜的顶点为该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点；所述主反射镜以及第三反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），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轴方向平移得到；所述主反射镜的反射面和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，且该自由曲面方程为关于x'y'的6次多项式；所述次反射镜的反射面为关于xy的10次多项式非球面。
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可以实现较小F数、较大视场角的矩形视场成像，且成像质量良好，其中，F数可达2.13，视场角可达到6.4°×8°；系统的主反射镜的反射面和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，加工时不需要变换坐标系与加工方程，降低加工难度，同时有利于将其加工在一块元件上；另外，系统的次反射镜采用非球面，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100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：一光阑102、一主反射镜104、一次反射镜106、一第三反射镜108以及一探测器110。所述光阑102设置在光线的入射光路上，用于控制入射光线的直径；所述主反射镜104也位于光线的入射光路上，所述光线依次经过所述光阑和所述主反射镜；所述次反射镜106位于所述主反射镜104的反射光路上；所述第三反射镜108位于次反射镜106的反射光路上；所述探测器110位于第三反射镜108的反射光路上。所述主反射镜104以及第三反射镜108的反射面均为自由曲面，所述次反射镜106的反射面为一非球面。
所述自由曲面离轴三反光学系统100工作时的光路如下：入射光线通过光阑102后入射到所述主反射镜104的反射面上，经该主反射镜104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106的反射面上，经该次反射镜106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108的反射面上，经该第三反射镜108的反射面反射后形成一第三反射光被所述探测器110接收并成像。
为了描述方便，将所述次反射镜106所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z），所述次反射镜106的顶点为该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点，通过次反射镜106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。所述主反射镜以及第三反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），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轴方向平移得到，所述主反射镜的顶点以及第三反射镜的顶点均在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的Z轴上。
所述光阑102相对于所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中的Z轴向上平移约23.814mm，所述光阑102的中心与主反射镜104的顶点沿Z轴方向的距离约为190.391mm；所述主反射镜104的顶点与次反射镜106的顶点沿Z轴反方向的距离约为127.370mm；所述次反射镜106的顶点与第三反射镜108的顶点沿Z轴方向的距离约为127.370mm；所述第三反射镜108的顶点与所述探测器110的中心沿Z轴反方向的距离约为192.740mm；所述探测器110的中心沿Y轴负方向偏离Z轴，偏离量约为15.252mm，所述探测器110与XY平面沿顺时针方向的夹角约为4.905°。
在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）中，所述次反射镜106的反射面为一10次的xy多项式非球面，该xy多项式非球面的表达式为：
，
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，A、B、C、D分别是多项式中4次项系数、6次项系数、8次项系数以及10次项系数。
本实施例中，所述次反射镜106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A、B、C、D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A、B、C、D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次反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
曲率c -0.00895443984561459
二次曲面系数Conic Constant (k) -3.57767945275968
A -3.84499074982746e-007
B 4.67083454491926e-010
C -9.69906595912574e-013
D 6.21290835861807e-016
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轴方向平移约127.370mm，。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127.370mm。
在所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）中，所述主反射镜104以及第三反射镜108的反射面均为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，所述主反射镜104的反射面采用最高次为6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，所述主反射镜104以及第三反射镜108的反射面的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主反射镜以及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' -6.52148121213E-03
二次曲面系数Conic Constant (k') -1.90703433664E-01
A2' -1.25188922628E-02
A3' 3.13950783971E-04
A5' 2.80905244675E-04
A7' 4.11370882829E-07
A9' -1.74715301561E-07
A10' 8.14056569005E-09
A12' 2.16121266846E-08
A14' 1.02733388844E-08
A16' 1.49405505239E-10
A18' 1.89803505851E-10
A20' 8.85940481886E-11
A21' 9.46110042538E-14
A23' 1.08096280577E-12
A25' 9.42814683556E-13
A27' 3.88927816143E-13
所述主反射镜104、次反射镜106和第三反射镜108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104、次反射镜106和第三反射镜108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104、次反射镜106和第三反射镜108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104、次反射镜106和第三反射镜108的尺寸不限。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的入瞳直径为30毫米。
所述主反射镜104、次反射镜106和第三反射镜108本身均没有旋转角度，而是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，在弧氏方向的角度为-3.2°至3.2°，在子午方向的角度为8°至16°。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为3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64mm。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的相对孔径大小D/f为0.469，F数为所述相对孔径大小D/f的倒数，即F数为2.13。
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曲线都接近衍射极限，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。
本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100采用离轴三反光学系统，该系统相比于同轴反射光学系统具有更大的视场角，进而使该系统有较大的矩形视场，成像范围较大；主反射镜和第三反射镜的反射面的面形均采用自由曲面，相对于球面或非球面系统具有更多的可控制变量，更有利于校正像差，获得更好的像质；所述自由曲面离轴三反光学系统100的F数较小，相对孔径较大，可以使更多的光进入系统，使该系统具有更高的输入能量与极限分辨率；系统的主反射镜的反射面和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，加工时不需要变换坐标系与加工方程，降低加工难度，同时有利于将其加工在一块元件上；对于主反射镜和第三反射镜的检测可以只采用一个计算全息（CGH）元件，大大简化了曲面检测过程并降低成本；另外，系统的次反射镜采用非球面，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做其他变化，当然，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之内。

Claims (10)

1.一种自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，包括：
一光阑，该光阑设置在光线的入射光路上；
一主反射镜，该主反射镜设置在光线的入射光路，所述光线依次经过所述光阑和主反射镜，所述主反射镜用于将所述光线反射，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；
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；
所述次反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z），所述次反射镜的顶点为该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点；所述主反射镜以及第三反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），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轴方向平移得到；所述主反射镜的反射面和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，且该自由曲面方程为关于x'y'的6次多项式；所述次反射镜的反射面为关于xy的10次多项式非球面。
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以及第三反射镜的反射面为含有x'偶次项的6次x'y'多项式曲面，该xy多项式曲面的方程式为：
，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，所述次反射镜的反射面为关于xy的10次多项式非球面，该10次多项式的方程式为：
，其中，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A、B、C、D的值分别为：
曲率c -0.00895443984561459 二次曲面系数Conic Constant (k) -3.57767945275968 A -3.84499074982746e-007 B 4.67083454491926e-010 C -9.69906595912574e-013 D 6.21290835861807e-016
。
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，所述光阑相对于所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中的Z轴向上平移23.814mm，所述光阑的中心与主反射镜的顶点沿Z轴方向的距离为190.391mm。
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，所述主反射镜的顶点与次反射镜的顶点沿Z轴反方向的距离为127.370mm；所述次反射镜的顶点与第三反射镜的顶点沿Z轴方向的距离为127.370mm。
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，所述第三反射镜的顶点与所述探测器的中心沿Z轴反方向的距离为192.740mm。
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，所述探测器的中心沿Y轴负方向偏离Z轴，偏离量为15.252mm，所述探测器与XY平面沿顺时针方向的夹角为4.905°。
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8°到16°。
10.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相对孔径为0.469，F数为2.13。
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