CN113741018A - 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

Info

Publication number
CN113741018A
CN113741018A CN202010481757.2A CN202010481757A CN113741018A CN 113741018 A CN113741018 A CN 113741018A CN 202010481757 A CN202010481757 A CN 202010481757A CN 113741018 A CN113741018 A CN 113741018A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axis
free
coordinate system
mirror
optical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010481757.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113741018B (zh
Inventor
张本奇
朱钧
金国藩
范守善
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Original Assignee
Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University, Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd filed Critical Tsinghua University
Priority to CN202010481757.2A priority Critical patent/CN113741018B/zh
Priority to TW109119038A priority patent/TWI754295B/zh
Priority to US16/998,184 priority patent/US11221471B2/en
Publication of CN113741018A publication Critical patent/CN113741018A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113741018B publication Critical patent/CN113741018B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors
    • G02B17/0642—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0668—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror having non-imaging properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/004—Systems comprising a plurality of reflections between two or more surfaces, e.g. cells, resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

本发明涉及自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，从物出发的光线在主反射镜上发生反射形成一第一反射光束；一次反射镜，所述第一反射光束照射到次反射镜上并发生反射形成一第二反射光束；一第三反射镜，该第二反射光束穿过主反射镜的入射光束后，照射到第三反射镜上并发生反射形成一第三反射光束；一孔径光阑，该孔径光阑设置在所述次反射镜上；以及一像面，所述第三反射光束穿过主反射镜的入射光束，且不穿过所述第二反射光束，最终到达像面成像，其中，所述像面和主反射镜分别位于所述第二反射光束的两侧。所述主反射镜，次反射镜以及第三反射镜的反射面均为自由曲面。

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
自由曲面是指一类不具有平移或旋转对称性的非传统曲面，无法用球面或非球面系数来表示，通常应用在离轴系统中。光学自由曲面为光学系统提供了更多的自由度，因而有利于消除系统中的像差，提高光学系统的性能参数，并创造新型功能的光学系统。自由曲面系统可以满足高新性能成像系统的需要，有着广阔的应用前景。
自由曲面系统的结构形式灵活多变，不同的结构形式的紧凑程度和体积大小不相同，一种结构紧凑、体积小自由曲面离轴三反光学系统具有更高的应用价值，也是自由曲面光学设计中的一个重要指标。
因此，如果在一相同指标下，能够设计出体积更小，结构更紧凑的自由曲面离轴三反光学系统将具有重大意义。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种在相同指标下，体积更小、结构更紧凑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，从物出发的光线在主反射镜上发生反射形成一第一反射光束；
一次反射镜，所述第一反射光束照射到次反射镜上并发生反射形成一第二反射光束；
一第三反射镜，该第二反射光束穿过主反射镜的入射光束后，照射到第三反射镜上并发生反射形成一第三反射光束；
一孔径光阑，该孔径光阑设置在所述次反射镜上；以及
一像面，所述第三反射光束穿过主反射镜的入射光束，且不穿过所述第二反射光束，最终到达像面成像，
其中，所述像面和主反射镜分别位于所述第二反射光束的两侧，在空间中定义一全局坐标系(x，y，z)，在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述主反射镜上的一点为原点定义一第一局部坐标系(x1，y1，z1)，所述主反射镜的反射面为x1y1多项式自由曲面，该x1y1多项式为x1的偶次多项式，x1的最高次数为6次；以所述次反射镜上的一点为原点定义一第二局部坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜的反射面为x2y2多项式自由曲面，该x2y2多项式为x2的偶次多项式，x2的最高次数为6次；以所述第三反射镜上的一点为原点定义一第三局部坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜的反射面为x3y3多项式自由曲面，该x3y3多项式为x3的偶次多项式，x3的最高次数为6次。
相较于现有的自由曲面离轴三反光学系统，在相同的系统参数下，例如，焦距、视场和F数等，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有更小的体积，且体积更紧凑。而且，次反射镜和第三反射镜的反射光束的光路与主反射镜的入射光束的光路相互交叠，进而充分利用空间，进一步使所述自由曲面离轴三反光学系统的结构紧凑，体积小。
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部分视场的自由曲面离轴三反光学系统的MTF曲线。
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各视场平均波像的RMS值的视场图。
主要元件符号说明
自由曲面离轴三反光学系统 100
主反射镜 102
次反射镜 104
第三反射镜 106
孔径光阑 108
像面 110
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
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一自由曲面离轴三反光学系统100。该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106，一孔径光阑108以及一像面110。物位于无穷远处，从物出发的光线进入自由曲面离轴三反光学系统100后在主反射镜102上发生发射，将主反射镜102的发射光束定义为第一反射光束，该第一反射光束照射到次反射镜104上并发生反射，将次反射镜104的反射光束定义为第二反射光束；该第二反射光束穿过主反射镜102的入射光束后，照射到第三反射镜106上并发生反射，将第三反射镜106的反射光束定义为第三反射光；该第三反射光穿过主反射镜102的入射光束，并且不穿过次反射镜104的反射光束，最终到达像面110成像。所述像面110和主反射镜102分别位于次反射镜104的反射光束的两侧。所述孔径光阑108设置在所述次反射镜104上。
在所述自由曲面离轴三反光学系统100所处的空间中定义一全局坐标系(x，y，z)。从该全局坐标系(x，y，z)的原点出发，垂直向上的方向为全局坐标系(x，y，z)y轴的正方向，水平向右的方向为全局坐标系(x，y，z)z轴的正方向，垂直于图1所示的平面向里的方向为全局坐标系(x，y，z)x轴的正方向。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角规定在全局坐标系(x，y，z)中。中心视场的光线沿着全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向入射，视场角度为x轴0°，y轴0°。
在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述主反射镜102上的一点为原点定义一第一局部坐标系(x1，y1，z1)，主反射镜102的位置和角度由该第一局部坐标系(x1，y1，z1)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述次反射镜104上的一点为原点定义一第二局部坐标系(x2，y2，z2)，次反射镜104的位置和角度由该第二局部坐标系(x2，y2，z2)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述第三反射镜106上的一点为原点定义一第三局部坐标系(x3，y3，z3)，第三反射镜106的位置和角度由该第三局部坐标系(x3，y3，z3)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，建立一第四局部坐标系(x4，y4，z4)，所述孔径光阑108的位置和角度由该第四局部坐标系(x4，y4，z4)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，定义一第五局部坐标系(x5，y5，z5)，所述像面110的位置和角度由该第五局部坐标系(x5，y5，z5)描述。
所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)、第二局部坐标系(x2，y2，z2)、第三局部坐标系(x3，y3，z3)、第四局部坐标系(x4，y4，z4)以及第五局部坐标系(x5，y5，z5)的原点分别位于所述全局坐标系(x，y，z)中不同的位置。所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)、第二局部坐标系(x2，y2，z2)、第三局部坐标系(x3，y3，z3)、第四局部坐标系(x4，y4，z4)以及第五局部坐标系(x5，y5，z5)中的每个局部坐标系均可以看作是全局坐标系(x，y，z)先平移使得全局坐标系(x，y，z)的原点和局部坐标系的原点重合，然后绕着全局坐标系(x，y，z)的x轴旋转得到的。
所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约1.104毫米，再沿Z轴正方向平移约102.627毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约24.135度得到。所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-1.104，102.627)位置(单位：毫米)，z1轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为24.135度，y1轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为24.135度。本实施例中，所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-1.10381568076787，102.626655002812)位置(单位：毫米)，z1轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为24.1351442674759度，y1轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为24.1351442674759度。
所述第二局部坐标系(x2，y2，z2)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约31.787毫米，再沿z轴正方向平移约75.292毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约75.888度得到。所述第二局部坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-31.787，75.292)位置(单位：毫米)，z2轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为75.888度，y2轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为75.888度。本实施例中，所述第二局部坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-31.7869770853441，75.2924382186538)位置(单位：毫米)，z2轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.8875957179046度，y2轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.8875957179046度。
所述第三局部坐标系(x3，y3，z3)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴正方向平移约37.260毫米，再沿z轴正方向平移约58.716毫米，然后以x轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转约86.745度得到。所述第三局部坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，37.260，58.716)位置(单位：毫米)，z3轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿顺时针方向的夹角约为86.745度，y3轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿顺时针方向的夹角约为86.745度。本实施例中，所述第三局部坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，37.2603949362013，58.7158208567325)位置(单位：毫米)，z3轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿顺时针方向的夹角为86.7448891652535度，y3轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿顺时针方向的夹角为86.7448891652535度。
在所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)中，所述主反射镜102的反射面为x1y1多项式自由曲面，该x1y1多项式自由曲面的方程式可以表示为：
Figure BDA0002516254060000071
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y1z1平面对称，因此，可以仅保留x1的偶次项。优选的，所述主反射镜102的反射面为一x1y1多项式自由曲面，所述x1y1多项式为x1的偶次多项式，x1的最高次数为6次，该x1y1多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002516254060000072
本实施例中，所述主反射镜102的x1y1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102的反射面的x1y1多项式中的各系数的值
Figure BDA0002516254060000073
Figure BDA0002516254060000081
在所述第二局部坐标系(x2，y2，z2)中，所述次反射镜104的反射面为x2y2多项式自由曲面，该x2y2多项式自由曲面的方程式可以表示为：
Figure BDA0002516254060000082
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y2z2平面对称，因此，可以仅保留x2的偶次项。优选的，所述次反射镜104的反射面为x2y2多项式自由曲面，所述x2y2多项式为x2的偶次多项式，x2的最高次数为6次，该x2y2多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002516254060000083
本实施例中，所述次反射镜104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104的反射面的x2y2多项式中的各系数的值
C 1/-203.487132083523
k 1.54294821473842
A<sub>2</sub> -0.000860410928618911
A<sub>3</sub> 0.00012600142707391
A<sub>5</sub> -9.0284705172288e-006
A<sub>7</sub> 1.69369884787012e-006
A<sub>9</sub> 2.19109698809227e-006
A<sub>10</sub> -2.69376207736187e-007
A<sub>12</sub> -3.96076779494982e-007
A<sub>14</sub> -9.33363785361872e-008
A<sub>16</sub> -7.90334832111255e-010
A<sub>18</sub> -3.16024862709822e-009
A<sub>20</sub> -3.57335994276518e-009
A<sub>21</sub> -1.35609770887567e-010
A<sub>23</sub> -3.06369391891789e-010
A<sub>25</sub> -2.68950876008045e-010
A<sub>27</sub> -1.53959261428871e-010
在所述第三局部坐标系(x3，y2，z2)中，所述第三反射镜106的反射面为x3y3多项式自由曲面，该x3y3多项式自由曲面的方程式可以表示为：
Figure BDA0002516254060000091
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y3z3平面对称，因此，可以仅保留x3的偶次项。优选的，所述次反射镜104的反射面为x3y3多项式自由曲面，所述x3y3多项式为x3的偶次多项式，x3的最高次数为6次，该x3y3多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0002516254060000101
本实施例中，所述第三反射镜106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3。可以理解，x3y3多项式中的曲率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106的反射面的x3y3多项式中的各系数的值
c 1/99.5687206310879
k 0.0302902817314741
A<sub>2</sub> 0.00235822336595969
A<sub>3</sub> -2.91314835683736e-005
A<sub>5</sub> -8.24459153262977e-006
A<sub>7</sub> -5.3781059023226e-006
A<sub>9</sub> -5.42849152246573e-006
A<sub>10</sub> 2.4638759094928e-008
A<sub>12</sub> 4.80522560093873e-008
A<sub>14</sub> 1.64260927029146e-008
A<sub>16</sub> -6.87367944383513e-010
A<sub>18</sub> -1.42010522966986e-009
A<sub>20</sub> -8.55535804581902e-010
A<sub>21</sub> 6.95246753539491e-012
A<sub>23</sub> 2.06779515968048e-011
A<sub>25</sub> 2.31301951824047e-011
A<sub>27</sub> 1.4237258016909e-011
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。
所述第四局部坐标系(x4，y4，z4)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约32.247毫米，再沿z轴正方向平移约75.177毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向旋转约75.920度得到。所述第四局部坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-32.247，75.177)位置(单位：毫米)，z4轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.920度，y4轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.920度。本实施例中，所述第四局部坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-32.2468143139100，75.1768294383900)位置(单位：毫米)，z4轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.9204361315113度，y4轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.9204361315113度。
所述孔径光阑108的中心位于所述第四局部坐标系(x4，y4，z4)的原点位置。所述孔径光阑108设置在所述次反射镜104上。所述孔径光阑108的形状不限，本实施例中，所述孔径光阑108是圆形的，该圆形的半径约为13.776毫米，孔径光阑108的外边缘与所述次反射镜104的外边缘重合。
所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约26.621毫米，再沿z轴正方向平移约50.525毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约80.5度得到。所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-26.621，50.525)位置(单位：毫米)，z5轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为80.5度，y5轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为80.5度。本实施例中，所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-26.6209900649064，50.5251773475422)位置(单位：毫米)，z5轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为80.5度，y3轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为80.5度。
所述像面110的中心位于所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述像面110设置于所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的x5z5平面内。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的入瞳直径D为27.78毫米。
所述自由曲面离轴三反光学系统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光学系统100的视场角范围为6°×4°至10°×8°，其中x轴方向为6°至10°，y轴方向为4°至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8°×6°，其中，在x轴方向的角度为-4°至+4°，y轴方向的角度为-3°至+3°。
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14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的焦距f为50毫米。
所述自由曲面离轴三反光学系统100的F数大于等于1.6小于等于8.0。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的F数为1.8，F数为所述相对孔径大小D/f的倒数，相对孔径大小D/f为0.56。
在相同的系统参数下，所述自由曲面离轴三反光学系统100的体积远小于现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积，这对于制作尺寸较小的光学元件具有非常重要的意义。所述系统指标指自由曲面离轴三反光学系统的焦距、视场和F数等系统参数。例如，在一个相同的系统指标下，现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积约为0.1654升，现有的主反射镜为凸镜的自由曲面离轴三反光学系统体积约为0.9842升，而本发明中的自由曲面离轴三反光学系统100的体积仅为约0.0945升，远小于现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积。在视场角为8°×6°，焦距f为50毫米，F数为1.8的系统指标下，本发明中的自由曲面离轴三反光学系统100的体积可以达到0.0828升或者更小。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的体积约为0.0828升。本发明中自由曲面离轴三反光学系统100的体积是指该自由曲面离轴三反光学系统100的外包络体积。
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8到12微米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。
请参阅图4，为所述自由曲面离轴三反光学系统100的波像差，从图中可以看出，所述离轴非球面三反光学系统100的RMS波前误差平均值为0.038869λ，其中λ＝9110.9nm。RMS波前误差比较小。说明该自由曲面离轴三反光学系统100的成像质量很好。
本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100应用领域涉及到对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等。本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100在长波红外波段达到了衍射极限，可以在红外波段下进行使用。该自由曲面离轴三反光学系统100经过优化后也可以在可见光进行使用。
可以理解，以所述自由曲面离轴三反光学系统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
本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有以下优点：与现有的自由曲面离轴三反光学系统相比，在相同的系统指标下，例如，焦距、视场和F数等，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有更小的体积，且体积更紧凑。所述次反射镜和第三反射镜的反射光束的光路与主反射镜的入射光束的光路相互交叠，进而充分利用空间，进一步使所述自由曲面离轴三反光学系统的结构紧凑，体积小。而且本发明的自由曲面离轴三反光学系统具有较大的矩形视场，成像范围较大。所述自由曲面离轴三反光学系统的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。本发明的自由曲面离轴三反光学系统为无遮拦的光学系统，因此该自由曲面离轴三反光学系统的能量利用率更高。
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 (11)

1.一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：
一主反射镜，从物出发的光线在主反射镜上发生反射形成一第一反射光束；
一次反射镜，所述第一反射光束照射到次反射镜上并发生反射形成一第二反射光束；
一第三反射镜，该第二反射光束穿过主反射镜的入射光束后，照射到第三反射镜上并发生反射形成一第三反射光束；
一孔径光阑，该孔径光阑设置在所述次反射镜上；以及
一像面，所述第三反射光束穿过主反射镜的入射光束，且不穿过所述第二反射光束，最终到达像面成像，
其中，所述像面和主反射镜分别位于所述第二反射光束的两侧，在空间中定义一全局坐标系(x，y，z)，在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述主反射镜上的一点为原点定义一第一局部坐标系(x1，y1，z1)，所述主反射镜的反射面为x1y1多项式自由曲面，该x1y1多项式为x1的偶次多项式，x1的最高次数为6次；以所述次反射镜上的一点为原点定义一第二局部坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜的反射面为x2y2多项式自由曲面，该x2y2多项式为x2的偶次多项式，x2的最高次数为6次；以所述第三反射镜上的一点为原点定义一第三局部坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜的反射面为x3y3多项式自由曲面，该x3y3多项式为x3的偶次多项式，x3的最高次数为6次。
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，所述第一局部坐标系(x1，y1，z1)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移1.104毫米，再沿z轴正方向平移102.627毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向旋转24.135度得到。
3.如权利要求2所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述x1y1多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002516254050000021
其中，c＝1/-730.532842005918、k＝24.0422193992546、A2＝0.000246729637671358、A3＝6.97934612035877e-005、A5＝-5.66079200969823e-005、A7＝3.20341847719602e-007、A9＝2.08819090396513e-006、A10＝2.48884490895652e-008、A12＝7.59894215139208e-008、A14＝5.43920792984252e-008、A16＝-8.51381129011639e-011、A18＝-1.04179309196103e-009、A20＝-1.18245322636843e-009、A21＝-2.04448114908392e-011、A23＝-4.14416576500448e-011、A25＝-3.70094661977762e-011、A27＝-2.36924281934794e-011。
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，所述第二局部坐标系(x2，y2，z2)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移31.787毫米，再沿z轴正方向平移75.292毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向旋转75.888度得到。
5.如权利要求4所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述x2y2多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002516254050000031
其中，c＝1/-203.487132083523、k＝1.54294821473842、A2＝-0.000860410928618911、A3＝0.00012600142707391、A5＝-9.0284705172288e-006、A7＝1.69369884787012e-006、A9＝2.19109698809227e-006、A10＝-2.69376207736187e-007、A12＝-3.96076779494982e-007、A14＝-9.33363785361872e-008、A16＝-7.90334832111255e-010、A18＝-3.16024862709822e-009、A20＝-3.57335994276518e-009、A21＝-1.35609770887567e-010、A23＝-3.06369391891789e-010、A25＝-2.68950876008045e-010、A27＝-1.53959261428871e-010。
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，所述第三局部坐标系(x3，y3，z3)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴正方向平移37.260毫米，再沿z轴正方向平移58.716毫米，然后以x轴为旋转轴沿逆时针方向旋转86.745度得到。
7.如权利要求6所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述x3y3多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002516254050000041
其中，c＝1/99.5687206310879、k＝0.0302902817314741、A2＝0.00235822336595969、A3＝-2.91314835683736e-005、A5＝-8.24459153262977e-006、A7＝-5.3781059023226e-006、A9＝-5.42849152246573e-006、A10＝2.4638759094928e-008、A12＝4.80522560093873e-008、A14＝1.64260927029146e-008、A16＝-6.87367944383513e-010、A18＝-1.42010522966986e-009、A20＝-8.55535804581902e-010、A21＝6.95246753539491e-012、A23＝2.06779515968048e-011、A25＝2.31301951824047e-011、A27＝1.4237258016909e-011。
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范围为6°×4°至10°×8°，其中x轴方向为6°至10°，y轴方向为4°至8°。
9.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数大于等于1.6小于等于8.0。
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视场角为8°×6°，焦距f为50毫米，F数为1.8，所述自由曲面离轴三反光学系统的体积小于等于0.0828升。
11.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，在所述全局坐标系(x，y，z)中，定义一第五局部坐标系(x5，y5，z5)，该第五局部坐标系(x5，y5，z5)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移26.621毫米，再沿z轴正方向平移50.525毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向旋转80.5度得到；所述像面的中心位于所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述像面设置于所述第五局部坐标系(x5，y5，z5)的x5z5平面内。
CN202010481757.2A 2020-05-29 2020-05-29 自由曲面离轴三反光学系统 Active CN113741018B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010481757.2A CN113741018B (zh) 2020-05-29 2020-05-29 自由曲面离轴三反光学系统
TW109119038A TWI754295B (zh) 2020-05-29 2020-06-05 自由曲面離軸三反光學系統
US16/998,184 US11221471B2 (en) 2020-05-29 2020-08-20 Freeform surface off-axis three-mirror optical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010481757.2A CN113741018B (zh) 2020-05-29 2020-05-29 自由曲面离轴三反光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113741018A true CN113741018A (zh) 2021-12-03
CN113741018B CN113741018B (zh) 2022-09-13

Family

ID=78705990

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010481757.2A Active CN113741018B (zh) 2020-05-29 2020-05-29 自由曲面离轴三反光学系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11221471B2 (zh)
CN (1) CN113741018B (zh)
TW (1) TWI754295B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114488497A (zh) * 2021-12-31 2022-05-13 清华大学 实出瞳离轴反射光学系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114077045A (zh) * 2020-08-14 2022-02-22 清华大学 离轴两反红外成像系统
CN114764194B (zh) * 2021-01-15 2023-06-06 清华大学 成像光学系统的设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105334607A (zh) * 2015-12-05 2016-02-17 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种无遮拦纯反射光学系统
US20170285312A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Tsinghua University Off-axis three-mirror optical system with freeform surfaces
CN110132411A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 清华大学 自由曲面成像光谱仪系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5144496A (en) * 1989-07-19 1992-09-01 Olympus Optical Co., Ltd. Reflecting objective system including a negative optical power second mirror with increasing negative optical power off-axis
JP2000100694A (ja) * 1998-09-22 2000-04-07 Nikon Corp 反射縮小投影光学系、該光学系を備えた投影露光装置および該装置を用いた露光方法
CN104898261B (zh) * 2014-03-05 2017-10-24 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN105445918B (zh) * 2014-06-03 2018-05-22 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN105739089B (zh) * 2014-12-11 2018-04-03 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统的设计方法
WO2016200816A1 (en) * 2015-06-07 2016-12-15 University Of Rochester Imaging spectrometer with freeform surfaces
CN108152948B (zh) * 2016-12-05 2020-02-07 清华大学 离轴非球面光学系统的设计方法
CN110031957B (zh) * 2018-01-12 2021-01-05 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105334607A (zh) * 2015-12-05 2016-02-17 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种无遮拦纯反射光学系统
US20170285312A1 (en) * 2016-04-01 2017-10-05 Tsinghua University Off-axis three-mirror optical system with freeform surfaces
CN110132411A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 清华大学 自由曲面成像光谱仪系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114488497A (zh) * 2021-12-31 2022-05-13 清华大学 实出瞳离轴反射光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
US11221471B2 (en) 2022-01-11
CN113741018B (zh) 2022-09-13
US20210373303A1 (en) 2021-12-02
TW202144854A (zh) 2021-12-01
TWI754295B (zh) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113741018B (zh) 自由曲面离轴三反光学系统
CN105445918B (zh) 自由曲面离轴三反光学系统
TWI724275B (zh) 自由曲面離軸三反成像系統
CN110031969B (zh) 自由曲面离轴成像系统的设计方法
TWI774979B (zh) 自由曲面反射式紅外成像系統
CN109188665B (zh) 基于平板相位元件的离轴三反成像系统
CN109239897A (zh) 一种离轴三反无焦光学系统
CN113311573B (zh) 包含一个非球面折反射全景成像光学系统
TWI748353B (zh) 自由曲面光學望遠系統
CN113126270B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
CN113671680B (zh) 一种离轴两反多光合一光学主系统
CN111487754B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
CN112083562B (zh) 具有实出瞳的离轴两反成像系统
CN111025613B (zh) 基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统
CN209028289U (zh) 一种离轴三反无焦光学系统
CN113311577A (zh) 一种结构紧凑的自由曲面离轴两反射望远物镜系统
CN114488497B (zh) 实出瞳离轴反射光学系统
CN111487755B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
TWI761923B (zh) 離軸兩反紅外成像系統
CN111487753B (zh) 自由曲面离轴三反成像系统
CN114077044A (zh) 离轴两反成像系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant