CN114077044A

CN114077044A - 离轴两反成像系统

Info

Publication number: CN114077044A
Application number: CN202010817882.6A
Authority: CN
Inventors: 朱钧; 吴玮琛; 金国藩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-22

Abstract

本发明涉及一种离轴两反成像系统，其具体包括：一主反射镜、一次反射镜及一透镜，其中，该主反射镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次反射镜位于所述主反射镜的反射光路上，用于反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿过所述入射光束后，经过所述透镜，最终到达一像面，所述次反射镜和所述透镜分别位于所述入射光束的两侧。

Description

离轴两反成像系统

技术领域

本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种离轴两反成像系统。

背景技术

离轴反射式的光学光学系统具有透过率高，成像波段范围广，无色差等优势，在成像领域有着诸多应用。为了避免光束遮拦而减小成像效率，离轴系统的对称性遭到破坏，会引入一些非常规的和有视场依赖性的像差，具有回转对称性的球面和非球面校正这类像差的能力较弱。光学自由曲面是一种不具有回转对称性、设计自由度高的光学曲面，可以用于校正离轴像差和提升光学性能。近年来，自由曲面越来越多的用于离轴反射式光学系统，实现了许多具有高性能的光学系统。

目前，离轴反射式系统也越来越多地应用于红外成像，且在车载避障系统和监控安防系统中有着重要的应用。但是，离轴反射式光学系统为了避免光束遮拦存在系统体积过大的问题。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种结构紧凑、体积小的离轴反射式系统。

一种离轴两反成像系统，包括一主反射镜、一次反射镜及一透镜，其中，该主反射镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次反射镜位于所述主反射镜的反射光路上，用于反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿过所述入射光束后，经过所述透镜，最终到达一像面，所述次反射镜和所述透镜分别位于所述入射光束的两侧。

相比于现有技术，本发明提供的离轴两反成像系统具有以下优点：其一，该光学系统仅使用两个反射镜，结构紧凑简单、成本低廉，可以减少系统的体积、重量等；其二，第二反射光束穿过入射光束，可以充分利用空间，进一步使该光学系统的结构紧凑、体积小；其三，该光学系统在像面前加入一片透镜，可以减少反射镜部分光束的宽度，从而有利于自由曲面矫正像差，能够进一步减少该光学系统的F数，提高该光学系统的视场，从而获得更高的成像分辨率和更宽的观测范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的离轴两反成像系统的光路图。

图2为本发明实施例提供的离轴两反成像系统的各视场的MTF曲线。

图3为本发明实施例提供的离轴两反成像系统的各视场的平均RMS波像差图。

主要元件符号说明

离轴两反成像系统 100

主反射镜 102

次反射镜 104

透镜 106

透镜的第一表面 1061

透镜的第二表面 1062

像面 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，本发明提供一种离轴两反成像系统100。其中，该离轴两反成像系统100包括相邻且间隔设置的一主反射镜102、一次反射镜104以及一透镜106。其中，该主反射镜102位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束形成一第一反射光束。该次反射镜104位于主反射镜102的反射光路上，用于反射所述第一反射光束形成一第二反射光束。所述第二反射光束穿过所述入射光束后，照射到所述透镜106上，并经过所述透镜106到达像面108。所述次反射镜104和所述透镜106分别位于入射光束的两侧。所述入瞳和所述主反射镜102分别位于所述第二反射光束的两侧。

所述离轴两反成像系统100工作时的光路如下：物位于无穷远处，从物发出的光束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束，该第一反射光束照射到所述次反射镜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束，最终该第二反射光束经过所述透镜106到达像面108。该第二反射光束的光路与入射光束的光路交叉且部分重叠，这样可以充分利用空间，减少系统的体积。

所述主反射镜102和所述次反射镜104的反射面可以为球面、非球面或自由曲面，本实施例中，所述主反射镜102和所述次反射镜104的反射面均为自由曲面。所述主反射镜102和次反射镜104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和次反射镜104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和次反射镜104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和次反射镜104的尺寸不限。

为了描述方便，将所述离轴两反成像系统100所处的空间定义一全局三维直角坐标系(X，Y，Z)，将所述主反射镜102所处的空间定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，将次反射镜104所处的空间定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)。本实施例中，所述离轴两反成像系统100的入瞳位置的中心为所述全局三维直角坐标系的原点，请参阅图1所示，通过入瞳中心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。

在所述全局三维直角坐标系(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三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，主反射镜102的反射面及其位置由该第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')描述。在所述全局三维直角坐标系(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三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，次反射镜104的反射面及其位置由该第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)描述。

所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')及第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)的原点分别位于所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中不同的位置。所述第一局部坐标系(X'，Y'，Z')及第二局部坐标系(X”，Y”，Z”)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。

所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')为所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向和Z轴正方向平移得到，且平移的距离可依实际需要选择设置。本实施例中，所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向平移约11mm，再沿Z轴正方向平移约56mm，最后以X轴为旋转轴逆时针旋转170°；所述第一局部三维直角坐标系的原点在所述全局三维直角坐标系中的坐标为(0，11，56)。

在所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')中，所述主反射镜102的反射面为x'y'的多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式可表达为：

其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A_i'是多项式中第i项的系数。由于所述离轴两反红外光学系统100关于Y'Z'平面对称，因此，可以仅保留X'的偶次项。优选的，所述主反射镜102的反射面为一次数为6次的x'的偶次项的x'y'多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式可表达为：

需要注意地是，所述x'y'多项式自由曲面的最高次的次数并非仅限于6次，还可以为4次、8次或10次等，本领域技术人员可以根据实际情况优化设计得到。

本实施例中，所述主反射镜102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A_i'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_i'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x'y'多项式中的各系数的值

c'	-5.159E-03
		k'	10.378
A<sub>3</sub>'	0.791
		A<sub>4</sub>'	5.688E-03
A<sub>6</sub>'	6.935E-03
		A<sub>8</sub>'	1.681E-07
A<sub>10</sub>'	-1.494E-06
		A<sub>11</sub>'	2.956E-07
A<sub>13</sub>'	7.261E-07
		A<sub>15</sub>'	4.861E-07
A<sub>17</sub>'	-0.763E-09
		A<sub>19</sub>'	-9.136E-09
A<sub>21</sub>'	-4.497E-09
		A<sub>22</sub>'	8.745E-11
A<sub>24</sub>'	0.753E-10
		A<sub>26</sub>'	3.451E-10
A<sub>28</sub>'	0.832E-10

在所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴正方向和Z轴负方向平移得到，且平移的距离可依实际需要选择设置。本实施例中，所述第二局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')由所述第一局部三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向平移约28mm，再沿Z轴负方向平移约37mm，然后以X'轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度约为78°得到；所述第二局部三维直角坐标系的原点在所述全局三维直角坐标系中的坐标为(0，39，19)。

在所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述次反射镜104的反射面为x”y”的多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式可以表达为：

其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，A_i”是多项式中第i项的系数。由于所述离轴两反红外光学系统100关于Y”Z”平面对称，因此，可以仅保留X”的偶次项。优选的，所述次反射镜104的反射面为一次数为8次的X”的偶次项的x”y”多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式可表达为：

需要注意地是，所述x”y”多项式自由曲面的最高次的次数并非仅限于8次，还可以为4次、6次或10次等，本领域技术人员可以根据实际情况优化设计得到。

本实施例中，所述次反射镜104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A_i”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A_i”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x”y”多项式中的各系数的值

c”	-2.694E-03
		k”	6.048E-02
A<sub>3</sub>”	-1.277
		A<sub>4</sub>”	3.207E-03
A<sub>6</sub>”	0.371E-03
		A<sub>8</sub>”	-5.189E-06
A<sub>10</sub>”	-3.493E-06
		A<sub>11</sub>”	-5.198E-08
A<sub>13</sub>”	-2.854E-07
		A<sub>15</sub>”	-5.869E-08
A<sub>17</sub>”	1.787E-09
		A<sub>19</sub>”	3.848E-09
A<sub>21</sub>”	6.246E-09
		A<sub>22</sub>”	-0.671E-11
A<sub>24</sub>”	-4.180E-11
		A<sub>26</sub>”	-8.444E-11
A<sub>28</sub>”	-3.182E-11
		A<sub>30</sub>”	-0.075E-13
A<sub>32</sub>”	-8.501E-13
		A<sub>34</sub>”	2.921E-13
A<sub>36</sub>”	-1.634E-13
		A<sub>37</sub>”	5.528E-16
A<sub>39</sub>”	-5.333E-15
		A<sub>41</sub>”	-4.815E-14
A<sub>43</sub>”	-0.551E-14
		A<sub>45</sub>”	3.792E-15

所述透镜106设置于所述第二反射光束的光路上，用于将所述第二反射光束汇聚到所述像面108上。所述透镜106包括一第一表面1061和一第二表面1062，所述第一表面1061和第二表面1062相对设置，所述透镜的第一表面1061为所述第二反射光的入射面，所述透镜的第二表面1062为所述第二反射光的出射面。在全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述透镜106沿所述Y轴负方向偏离所述次反射镜104，且偏离量可依实际需要选择设置。本实施例中，在全局三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述透镜106沿所述Y轴负方向偏离所述次反射镜104，偏离量约为63mm，即所述透镜106的第一表面1061的中心与所述次反射镜104所在的第二局部三维直角坐标系的原点沿Y轴负方向的距离约为63mm；所述透镜106沿所述Z轴负方向偏离所述次反射镜104，偏离量约为12mm，即所述透镜106的第一表面1061的中心与所述次反射镜104所在的第二局部三维直角坐标系的原点沿Z轴负方向的距离约为12mm；所述透镜106的第一表面1061的中心在所述全局坐标系中的坐标为(0，-24，7)。

所述第一表面1061和所述第二表面1062的形状不限，可以为球面、非球面或自由曲面，可以理解，相比于自由曲面，球面和非球面更容易加工。优选地，所述第一表面1061和所述第二表面1062的形状均为球面。本实施例中，所述球面的方程式可表示为：

其中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率。本实施例中，所述所述透镜106的第一表面1061的曲率半径为-44.35mm，所述第一表面1061的球面方程式中，c＝-5.662E-2；所述所述透镜106的第二表面1062的曲率半径为-62.76mm，所述第二表面1062的球面方程式中，c＝-0.958E-2。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。

所述透镜106的材料、规格不限，可依实际需要选择设置。当所述离轴两反成像系统100的工作波长位于可见光范围时，所述透镜106的材料可以为玻璃、塑料等；当所述离轴两反成像系统100的工作波长位于红外光范围时，所述透镜106的材料可以为锗、硫化锌、硒化锌等。所述透镜106的厚度在设计时可以尽可能减小，从而能降低降低色差对成像质量的影响。本实施例中，所述透镜的中心厚度为1.5mm，所述透镜的直径为27mm，所述透镜的材料采用锗。

光线入射后，经主反射镜102反射后到达次反射镜104，并经过所述次反射镜104的反射后，经过所述透镜106，最终到达所述像面108。所述像面108与所述透镜106平行且相对设置。所述像面108与所述透镜106之间的距离不限，可依实际需要选择设置；本实施例中，所述透镜106到像面的距离为7mm。所述像面108的位置可以放置任意的光学成像元件，也可以作为另一个光学系统的入瞳。本实施例中，所述像面108的位置放置一光探测器。

此外，该离轴两反成像系统100还可以进一步包括一孔径光阑，该孔径光阑的位置不限，可以位于入瞳处、主反射镜102上、次反射镜104上、透镜106上或像面108处，也可以设置于入射光束的入射光路、主反射镜102的反射光路、次反射镜104的反射光路或透镜106与像面108之间。该孔径光阑的孔径和形状不限，具体可以根据实际需要选择设置。本实施例中，所述孔经光阑设置于所述次反射镜104上，所述孔经光阑为一圆形，其外边缘与所述次反射镜的外边缘重合。

所述离轴两反成像系统100的视场角、等效焦距、入瞳直径及F数等参数可以依实际情况而设定得到。本实施例中，所述离轴两反成像系统100的视场角为8°×6°，等效焦距为60mm，所述离轴两反成像系统100的F数为1.13。当然，可以理解地，所述离轴两反成像系统的参数的数值并不限于本实施例所列举的数值，依据本发明而得到的参数的其它数值，也应在本发明所保护的范围内。

所述离轴两反成像系统100的工作波段不限，可以为可见光波段或红外波段。本实施例中，所述离轴两反成像系统的工作波长范围为8微米到16微米。当然，所述离轴两反成像系统100的工作波长并不限于本实施例，可以根据实际需要调整。

请参阅图2，为所述离轴两反成像系统100在红外光波段下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场调制度在40lp/mm处最低为0.30，各视场MTF曲线都基本达到了衍射极限，表明该离轴两反成像系统100具有很高的成像质量。

请参阅图3，为所述离轴两反成像系统100的各视场的平均RMS波像差图，平均值为0.047λ，其中λ＝9110.9nm，说明该离轴两反成像系统100的成像质量很好。

本发明提供的离轴两反成像系统采用离轴两反系统，仅使用两个反射镜，结构紧凑，可以减少系统的体积、重量；该光学系统结构简单，容易设计加工，易于批量生产；该光学系统中存在光路交叉重叠的现象，可以充分利用空间，进一步使该离轴两反成像系统的结构紧凑、体积减小；该光学系统在红外光探测器前加入一片较薄的普通球面透镜，可以减小反射镜部分光束的宽度，从而有利于自由曲面矫正像差，可以进一步减少该光学系统的F数，并提高该系统的视场。

本发明提供的离轴两反成像系统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、航空航天、无人驾驶等。本发明提供的离轴两反成像系统100在红外波段达到了衍射极限，可以在可见光下使用，也可以在红外波段使用。

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

1.一种离轴两反成像系统，包括：一主反射镜、一次反射镜及一透镜，其中，该主反射镜位于入射光束的入射光路上，并反射入射光束，形成一第一反射光束，所述次反射镜位于所述主反射镜的反射光路上，用于反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿过所述入射光束后，经过所述透镜，最终到达一像面，所述次反射镜和所述透镜分别位于所述入射光束的两侧。

2.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，所述主反射镜和入瞳分别位于所述第二反射光束的两侧。

3.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，所述第二反射光束的光路与所述入射光束的光路交叉且部分重叠。

4.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，所述主反射镜和所述次反射镜的反射面均为自由曲面。

5.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，所述透镜包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面均为球面。

6.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，以所述离轴两反成像系统的入瞳位置的中心为原点定义一全局三维直角坐标系，在所述全局三维直角坐标系中，以所述主反射镜上的一点为原点定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，以次反射镜上的一点为原点定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')为所述全局三维直角坐标系(X，Y，Z)沿Y轴正方向和Z轴正方向平移得到，所述第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')沿Y轴正方向和Z轴负方向平移得到。

7.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，以所述主反射镜上的一点为原点定义一第一局部三维直角坐标系(X'，Y'，Z')，所述主反射镜的反射面为一次数为6次的x'的偶次项的x'y'多项式自由曲面，该x'y'多项式自由曲面的方程式表达为：

其中，z'为曲面矢高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A_i'是多项式中第i项的系数。

8.如权利要求7所述的离轴两反成像系统，其特征在于，c'＝-5.159E-03，k'＝10.378，A₃'＝0.791，A₄'＝5.688E-03，A₆'＝6.935E-03，A₈'＝1.681E-07，A₁₀'＝-1.494E-06，A₁₁'＝2.956E-07，A₁₃'＝7.261E-07，A₁₅'＝4.861E-07，A₁₇'＝-0.763E-09，A₁₉'＝-9.136E-09，A₂₁'＝-4.497E-09，A₂₂'＝8.745E-11，A₂₄'＝0.753E-10，A₂₆'＝3.451E-10，A₂₈'＝0.832E-10。

9.如权利要求1所述的离轴两反成像系统，其特征在于，以所述次反射镜上的一点为原点定义一第二局部三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，所述次反射镜的反射面为一次数为8次的X'的偶次项的x”y”多项式自由曲面，该x”y”多项式自由曲面的方程式表达为：

其中，z”为曲面矢高，c”为曲面曲率，k”为二次曲面系数，A_i”是多项式中第i项的系数。

10.如权利要求9所述的离轴两反成像系统，其特征在于，c”＝-2.694E-03，k”＝6.048E-02，A₃”＝-1.277，A₄”＝3.207E-03，A₆”＝0.371E-03，A₈”＝-5.189E-06，A₁₀”＝-3.493E-06，A₁₁”＝-5.198E-08，A₁₃”＝-2.854E-07，A₁₅”＝-5.869E-08，A₁₇”＝1.787E-09，A₁₉”＝3.848E-09，A₂₁”＝6.246E-09，A₂₂”＝-0.671E-11，A₂₄”＝-4.180E-11，A₂₆”＝-8.444E-11，A₂₈”＝-3.182E-11，A₃₀”＝-0.075E-13，A₃₂”＝-8.501E-13，A₃₄”＝2.921E-13，A₃₆”＝-1.634E-13，A₃₇”＝5.528E-16，A₃₉”＝-5.333E-15，A₄₁”＝-4.815E-14，A₄₃”＝-0.551E-14，A₄₅”＝3.792E-15。