CN108227164A - 自由曲面离轴三反像方远心光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，包括：一主反射镜、一次反射镜、一第三反射镜以及一图像传感器；所述主反射镜用于将物方发来的光线反射，形成一第一反射光；所述次反射镜用于将第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第三反射镜用于将第二反射光再次反射，形成一第三反射光；所述图像传感器用于接收所述第三反射光并成像。所述主反射镜的反射面为一4次多项式自由曲面，次反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次多项式自由曲面。系统采用消遮拦的离轴反射式结构，且近似像方远心。

Description

自由曲面离轴三反像方远心光学系统
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像方远心光学系统。
背景技术
像方远心光学系统是指系统的出瞳位于无穷远，是一类有重要应用的光学系统。(1)系统像方远心可以用来消除由于像面轴向位移引起的系统放大倍率的变化。(2)系统的像方远心可以提升整个视场范围内像面的相对照明。如果系统被倒过来使用来生成平行光，整个视场范围内的相对照明也可以被提升。(3)系统的像方远心可以用来消除RGB三色CCD的色彩不均匀性。(4)对于使用微透镜阵列的CCD或CMOS来说，采用像方远心可以控制各视场入射角在微透镜阵列的接受角之内，从而使传感器正常工作。综上，像方远心光学系统有重要的应用。目前，为了降低色差，同时消除中心遮拦，离轴消遮拦反射系统结构得到了越来越多的应用，如离轴三反光学系统。但系统离轴后会产生一系列非对称像差，难以采用常规回转对称曲面来校正。此外，系统的像方远心也大大增加了系统的设计难度。
近年来，随着加工技术的不断发展，自由曲面在成像领域得到了越来越多的应用。自由曲面没有回转对称性，变量更多，可以很好地消除离轴非对称引起的像差。将自由曲面应用到离轴三反像方远心光学系统中，可以大大降低离轴三反像方远心光学系统的像差，提升离轴三反像方远心光学系统的像质，同时获得更高的系统参数，具有非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统。该自由曲面离轴三反像方远心光学系统的三个反射镜的反射面均采用自由曲面，且该自由曲面离轴三反像方远心光学系统采用离轴三反结构，消除了光线的遮拦并消除了色差；使该自由曲面离轴三反像方远心光学系统近似实现了像方远心。
一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在物方光线的入射光路上，将从物方发来的光线反射，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并成像；在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述三反射镜的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述图像传感器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜的反射面为关于x2y2的4次多项式自由曲面；所述次反射镜的反射面为关于x3y3的6次多项式自由曲面；所述三反射镜的反射面为关于x4y4的6次多项式自由曲面；
与现有技术比较，本发明提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，相对于传统透射式像方远心系统来说消除了色差、体积轻、透过率高、热稳定性好、辐射敏感性低。相对于同轴反射系统消除了中心遮拦，能量利用率更高。同时该自由曲面离轴三反像方远心光学系统在实现较好像质的同时实现了较小的F数。
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像方远心系统的光路示意图。
图2为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学像方远心系统的结构与坐标系示意图。
图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统在可见光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
自由曲面离轴三反像方远心光学系统 100
主反射镜 102
次反射镜 104
第三反射镜 106
图像传感器 108
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像方远心光学系统做进一步的详细说明。
请参阅图1和2，本发明实施例提供一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统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。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、次反射镜104以及第三反射镜106的反射面均为自由曲面。
所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100工作时的光路如下：物方光线入射到所述主反射镜102的反射面上，被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接收到并成像。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100近似为像方远心，即所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的出瞳近似位于无穷远，各视场在像面上的入射角近似为0。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的次反射镜104为孔径光阑。
在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，水平方向的z1轴向左为负向右为正，y1轴在图2所示的平面内，垂直于z1轴向上为正向下为负，x1轴垂直于y1z1平面，且垂直y1z1平面向里为正向外为负。在空间中相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜102所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜104所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜106所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，所述图像传感器108所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)。
所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，49.39999，122.92696)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转17.01294度。
所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，36.69253，-16.46708)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转0.74805度。
所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，-40.20955，110.40654)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.31491度。
所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，6.13399，-29.9344)位置(单位：mm)，z5轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转9.11067度。
在所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)中，所述主反射镜102的反射面为一个4次x2y2多项式自由曲面，该x2y2多项式曲面的表达式为：
其中，z2为曲面矢高，c为曲面曲率，k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像方远心光学系统100关于y2z2平面对称，因此，可以仅保留x2的偶次项。本实施例中，所述主反射镜102的反射面的x2y2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x2y2多项式中的各系数的值
曲率c 2.8642059856E-03
二次曲面系数Conic Constant(k) -3.9274297376E+00
A2 -4.5435688039E-01
A3 -5.3806292422E-04
A5 -4.3722756320E-04
A7 -3.0530404587E-06
A9 2.3737900997E-07
A10 8.5265458822E-09
A12 1.9066201794E-08
A14 5.7547889567E-09
在所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)中，所述次反射镜104的反射面为一个6次x3y3多项式自由曲面，该x3y3多项式曲面的表达式为：
其中，z3为曲面矢高，c为曲面曲率，k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像方远心光学系统100关于y3z3平面对称，因此，可以仅保留x3的偶次项。本实施例中，所述次反射镜104的反射面的x3y3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 次反射镜的反射面的x3y3多项式中的各系数的值
曲率c -1.3509388901E-03
二次曲面系数Conic Constant(k) 8.7720946581E+01
A2 2.9521719735E-02
A3 -3.0546252140E-04
A5 -2.5168419021E-05
A7 -3.9838626726E-06
A9 -9.4441737760E-07
A10 -3.4439768073E-08
A12 -4.6398109825E-08
A14 -1.5721550120E-08
A16 -3.0796040892E-10
A18 -3.4167907065E-10
A20 -8.6127469499E-11
A21 -9.4044204706E-13
A23 -8.7321134718E-13
A25 4.0516919551E-13
A27 5.5914310564E-13
在所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)中，所述第三反射镜106的反射面为一个6次x4y4多项式自由曲面，该x4y4多项式曲面的表达式为：
其中，z4为曲面矢高，c为曲面曲率，k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像方远心光学系统100关于y4z4平面对称，因此，可以仅保留x4的偶次项。本实施例中，所述次反射镜104的反射面的x4y4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3。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3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表3 第三反射镜的反射面的x4y4多项式中的各系数的值
曲率c -6.0303569933E-03
二次曲面系数Conic Constant(k) -2.2371952711E-01
A2 -2.2430352958E-03
A3 5.4714931736E-04
A5 5.6853894214E-04
A7 4.4859214867E-07
A9 8.3542437405E-07
A10 2.7604507475E-09
A12 6.2081241869E-09
A14 2.5484435684E-09
A16 1.4411288365E-11
A18 3.1914780755E-11
A20 1.7498528416E-11
A21 2.0195053704E-14
A23 1.7141602857E-13
A25 2.4828768594E-13
A27 1.1001411984E-13
所述图像传感器108的中心位于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述图像传感器108的平面设置于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的x5y5平面内。
所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的材料不限。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。
所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的入瞳直径D为30毫米。
所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100系统在垂直方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的视场角为3°×4°，其中，在水平方向的角度为-1.5°至1.5°，在垂直方向的角度为-14°至-10°。
所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统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像方远心光学系统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像方远心光学系统100的焦距f为57mm。
所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的相对孔径大小D/f为0.526，F数为所述相对孔径大小D/f的倒数，即F数为1.9。
请参阅图3，为自由曲面离轴三反像方远心光学系统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曲线在100线对/mm处高于0.69，表明该自由曲面离轴三反像方远心光学系统100具有很高的成像质量。
可以理解，以自由曲面离轴三反像方远心光学系统100为初始结构，经过简单优化后可以得到结构类似但面形系数不同的系统。这些变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内
本发明实施例提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统100具有以下优点：自由曲面离轴三反像方远心光学系统100相对于传统透射式像方远心系统来说消除了色差、体积轻、透过率高、热稳定性好、辐射敏感性低。相对于同轴反射系统消除了中心遮拦，自由曲面离轴三反像方远心光学系统100能量利用率更高。同时自由曲面离轴三反像方远心光学系统100在实现较好像质的同时实现了较小的F数，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。
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 (12)

1.一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，包括：
一主反射镜，该主反射镜将物方发来的光线反射，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，该次反射镜为孔径光阑；
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并成像；
在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述三反射镜的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述图像传感器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；
所述主反射镜的反射面为关于x2y2的4次多项式自由曲面，所述次反射镜的反射面为关于x3y3的6次多项式自由曲面，所述第三反射镜的反射面为关于x4y4的6次多项式自由曲面。
2.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，49.39999mm，122.92696mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转17.01294度。
3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，36.69253mm，-16.46708mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转0.74805度。
4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，-40.20955mm，110.40654mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.31491度。
5.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，6.13399mm，-29.9344mm)，z5轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转9.11067度。
6.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述x2y2的4次多项式的方程式为：
其中，c＝2.8642059856E-03、k＝-3.9274297376E+00、A2＝-4.5435688039E-01、A3＝-5.3806292422E-04、A5＝-4.3722756320E-04、A7＝-3.0530404587E-06、A9＝2.3737900997E-07、A10＝8.5265458822E-09、A12＝1.9066201794E-08、A14＝5.7547889567E-09。
7.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述x3y3的6次多项式自由曲面的方程式为：
其中，c＝-1.3509388901E-03、k＝8.7720946581E+01、A2＝2.9521719735E-02、A3＝-3.0546252140E-04、A5＝-2.5168419021E-05、A7＝-3.9838626726E-06、A9＝-9.4441737760E-07、A10＝-3.4439768073E-08、A12＝-4.6398109825E-08、A14＝-1.5721550120E-08、A16＝-3.0796040892E-10、A18＝-3.4167907065E-10、A20＝-8.6127469499E-11、A21＝-9.4044204706E-13、A23＝-8.7321134718E-13、A25＝4.0516919551E-13、A27＝5.5914310564E-13。
8.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述x4y4的6次多项式自由曲面的方程式为：
其中，c＝-6.0303569933E-03、k＝-2.2371952711E-01、A2＝-2.2430352958E-03、A3＝5.4714931736E-04、A5＝5.6853894214E-04、A7＝4.4859214867E-07、A9＝8.3542437405E-07、A10＝2.7604507475E-09、A12＝6.2081241869E-09、A14＝2.5484435684E-09、A16＝1.4411288365E-11、A18＝3.1914780755E-11、A20＝1.7498528416E-11、A21＝2.0195053704E-14、A23＝1.7141602857E-13、A25＝2.4828768594E-13、A27＝1.1001411984E-13。
9.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统的视场角为3°×4°。
10.如权利要求9所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统的视场角在在水平方向的角度为-1.5°至1.5°，在垂直方向的角度为-14°至-10°。
11.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统的相对孔径为0.526，F数为1.9。
12.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述图像传感器的中心位于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述图像传感器的平面设置于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的x5y5平面内。
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