CN105739073B - 自由曲面离轴三反光学系统 - Google Patents

自由曲面离轴三反光学系统 Download PDF

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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，设置在物方光线的出射光路上，用于将所述物方光线反射，形成一第一反射光；一次反射镜，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，该次反射镜的反射面为一光阑面；一第三反射镜，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；以及一图像传感器，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，所述主反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次的xy多项式自由曲面，所述次反射镜为一球面，所述自由曲面离轴三反光学系统在y轴方向的视场角大于等于65°，在x轴方向的视场角大于等于0.8°。

Description

自由曲面离轴三反光学系统
技术领域
本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，尤其涉及一种可以实现大视场角的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中，三个反射镜均采用自由曲面的较多，由于自由曲面的变量较多，自由度太大，系统的体积、重量与镜片数量等考虑因素很多，很难设计出结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的自由曲面光学系统。而现有的采用球面或非球面的离轴三反光学系统通常难以实现视场角超过60度的多视场成像。
发明内容
本发明提供一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在物方光线的出射光路上，用于将所述物方光线反射，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，该次反射镜的反射面为一光阑面；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；以及一图像传感器，该图像传感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，所述主反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次的xy多项式自由曲面，所述次反射镜为一球面，所述自由曲面离轴三反光学系统的视场角在y轴方向的角度大于等于65°，在x轴方向的角度大于等于0.8°。
与现有技术相比，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有以下优点：第一，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统的次反射镜的反射面为球面，相比三个反射镜均为自由曲面的自由曲面离轴三反光学系统，控制因素较少，比较容易设计。第二，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统，可以实现多视场成像，且具有较大的视场角，成像范围较大。
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光路示意图。
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结构示意图。
图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的传递函数图。
图4为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的RMS波前误差图。
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，以及一图像传感器108（图未示）。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，所述图像传感器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，所述次反射镜104的反射面为一球面。所述次反射镜104的反射面为一光阑面。
所述自由曲面离轴三反光学系统100工作时的光路如下：物方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图像传感器108接收到。
所述自由曲面离轴三反光学系统100中，所述主反射镜102的反射面整体呈凸形，所述第三反射镜106的反射面整体呈凹形，更有利于使所述自由曲面离轴三反光学系统100具有大视场。
为了描述方便，本实施例中，规定通过次反射镜(光阑)中心的一条水平方向的直线为参考轴，并将其定义为z轴。向左为负，向右为正。y轴在图2所示的平面内，垂直z轴向上为正，向下为负。x轴垂直于yz平面，垂直平面向里为正，向外为负。
优选地，本发明实施例中，所述主反射镜102和第三反射镜106的反射面面形均为xy多项式自由曲面，一般的，xy多项式自由曲面比非球面或奇异非球面更易得到较好的成像质量。该xy多项式曲面的方程式为：
其中，z为曲面矢量高，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。由于系统关于yz平面对称，自由曲面可以只保留关于x的偶次项。同时，由于高次项会增加加工难度，而次数太低会增加系统的设计难度。优选的，所述主反射镜102以及第三反射镜106的反射面均采用最高次为6次的，只保留x的偶次项的xy多项式曲面，该6次的xy多项式方程式可表达为：
，
其中，所述主反射镜102以及第三反射镜106反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数的值请分别参见表1和表2。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数的值也不限于表1和表2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102的反射面的xy多项式中的各系数的值
曲率c 0.015829510111472
二次曲面系数Conic Constant (k) -0.978764953150227
A<sub>2</sub> 0.261749508385724
A<sub>3</sub> -0.00743406713869455
A<sub>5</sub> -0.00714947619951034
A<sub>7</sub> 3.82046116028421e-007
A<sub>9</sub> 5.74086859477607e-007
A<sub>10</sub> -4.171364353099e-009
A<sub>12</sub> -1.95250755447043e-008
A<sub>14</sub> -9.48643555405167e-009
A<sub>16</sub> 5.17345962568814e-012
A<sub>18</sub> -1.13479031660653e-011
A<sub>20</sub> 3.22403620147984e-012
A<sub>21</sub> -2.50988689628815e-011
A<sub>23</sub> -6.81980140588623e-014
A<sub>25</sub> -2.48345139372518e-014
A<sub>27</sub> -3.02262720110543e-014
表2 第三反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
曲率c 0
二次曲面系数Conic Constant (k) 0
A<sub>2</sub> 0.186647862869921
A<sub>3</sub> -0.000927550473784139
A<sub>5</sub> -0.00104468913329609
A<sub>7</sub> 4.98166333526883e-007
A<sub>9</sub> 6.04945962435827e-007
A<sub>10</sub> -5.80629680465291e-010
A<sub>12</sub> -2.37336382560754e-009
A<sub>14</sub> -1.60605187051182e-009
A<sub>16</sub> 1.16034788758175e-012
A<sub>18</sub> 3.36714985922726e-012
A<sub>20</sub> 1.88376694788092e-012
A<sub>21</sub> -2.90094084284381e-013
A<sub>23</sub> -5.30679733169097e-015
A<sub>25</sub> -7.94068964082e-015
A<sub>27</sub> -2.50478751471803e-015
所述次反射镜104的反射面面形为球面，球面与非球面相比更容易加工。本发明实施例中，所述球面的方程式可表达为：
，
其中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率。本实施例中，所述次反射镜104的球面的方程式中，c=-8.246528177e-5。可以理解，曲率c的值也不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
所述主反射镜102与第三反射镜106在z轴方向的位置非常接近且近似连续，有利于将所述主反射镜102和第三反射镜106加工在一个元件上。本实施例中，所述主反射镜102和第三反射镜106一体成型，可通过一次加工完成。因此，可降低所述主反射镜102和第三反射镜106的装调难度。
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、铍等金属材料，也可选用碳化硅、石英等无机非金属材料。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。本实施例中，所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106均以铝为基材，并在其反射面镀一单层金膜。
所述主反射镜102到次反射镜104沿z轴方向的距离在370毫米到371毫米之间；所述次反射镜104到第三反射镜106沿z轴方向的距离在319毫米到320毫米之间；所述第三反射镜106到图像传感器108沿z轴方向的距离在315毫米到316毫米之间。本实施例中，所述主反射镜102到次反射镜104沿z轴方向的距离为370.031129986231毫米；所述次反射镜104到第三反射镜106沿z轴方向的距离为319.234487146867毫米；所述第三反射镜106到图像传感器108沿z轴方向的距离为315.729369518285毫米。
所述图像传感器108可为一CCD或一CMOS。本实施例中，所述图像传感器108为一面阵CCD。所述面阵CCD的像元尺寸为5μm×5μm。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效入瞳直径为13毫米。
所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106在y轴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在y轴方向的视场角大于等于65°，在x轴方向的的视场角大于等于0.8°。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角为70°×1°，即在x轴方向的视场角为1°，在y轴方向的视场角为70°。其中，所述自由曲面离轴三反光学系统100在x轴方向的视场角范围为-0.5°到0.5°，在y轴方向的视场角范围为-5°到-75°。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效焦距f为75毫米。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波段范围为可见光波段。当然，所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波段并不限于本实施例，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F数为5.8，相对孔径大小D/f为所述F数的倒数，即，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0.1724。
请参阅图3，图3为在可见光波段部分视场角的调制传递函数MTF，从图3可见，所述自由曲面离轴三反光学系统100中各视场的传递函数均大于0.3，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。
请参阅图4，图4为自由曲面离轴三反光学系统100的RMS波前误差，从图中可以看出，RMS波前误差的最大值大约为λ/32，平均值大约为λ/55，说明自由曲面离轴三反光学系统100的成像误差较小，品质较高。
本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统至少具有以下优点：第一，本实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统，其主反射镜和第三反射镜的反射面均为自由曲面，因此可引入更多的自由度，更有利于校正像差，获得更好的像质；第二，本实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100，次反射镜的反射面为球面，相比三个反射镜均为自由曲面的自由曲面离轴三反光学系统，控制因素较少，比较容易设计；第三，本实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100，其主反射镜和第三反射镜相切且近似连续，可以加工在一块元件上，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；第四，本实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100，其视场角可达到70°×1°，可以实现多视场成像，具有较大的视场，成像范围较大。
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 (8)

1.一种自由曲面离轴三反光学系统，包括
一主反射镜，该主反射镜设置在物方光线的出射光路上，用于将所述物方光线反射，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，该次反射镜的反射面为一光阑面；
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
一图像传感器，该图像传感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，
所述主反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次的xy多项式自由曲面，且该6次的xy多项式的方程式为：
其中，z为曲面矢量高，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，主反射镜的反射面的6次的xy多项式的方程式中，c＝0.015829510111472、k＝-0.978764953150227、A2＝0.261749508385724、A3＝-0.00743406713869455、A5＝-0.00714947619951034、A7＝3.82046116028421e-007、A9＝5.74086859477607e-007、A1o＝-4.171364353099e-009、A12＝-1.95250755447043e-008、A14＝-9.48643555405167e-009、A16＝5.17345962568814e-012、A18＝-1.13479031660653e-011、A20＝3.22403620147984e-012、A21＝-2.50988689628815e-011、A23＝-6.81980140588623e-014、A25＝-2.48345139372518e-014、A27＝-3.02262720110543e-014，所述次反射镜为一球面，所述自由曲面离轴三反光学系统在y轴方向的视场角大于等于65°，在x轴方向的视场角大于等于0.8°。
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，所述第三反射镜的反射面的6次的xy多项式的方程式中，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球面，该球面的方程式为
4.如权利要求3所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述球面的方程式中，c＝-8.246528177e-5。
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，所述自由曲面离轴三反光学系统在x轴方向的视场角为1°，在y轴方向的视场角为70°。
6.如权利要求5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在x轴方向的视场角范围为-0.5°到0.5°，在y轴方向的视场角范围为-5°到一75°。
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，将通过次反射镜中心的一条水平方向的直线定义为z轴，所述主反射镜到次反射镜沿z轴方向的距离在370毫米到371毫米之间；所述次反射镜到第三反射镜沿z轴方向的距离在319毫米到320毫米之间；所述第三反射镜到图像传感器沿z轴方向的距离在315毫米到316毫米之间。
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F数为5.8。
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