CN117406412B - 一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统，可以对被探测面表面图像进行精密化采集。本发明提供的光学系统包含主反射镜，次级反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，反射式光学系统可以完美的消除色差带来的对像质的影响，采用更高性能的Zernike自由曲面作为系统反射镜表面，能够简化系统结构，精细化控制面型，实现集成化，避免照度损失，能够有效补偿以及校正系统的离轴像差，最大限度的提高和改善系统性能，可以实现很好的成像质量。

Description

一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统
技术领域
本发明涉及光学镜头与光学设计领域，特别涉及一种自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统。
背景技术
随着光学科技的蓬勃发展，空间光学系统得到充分的研究与应用，其性能的好坏将会直接影响整个光学系统信息传输效率与图像传输质量。空间光学系统可以分为折射、反射、折反射三类光学系统，其中与折射光学系统相比，反射光学系统具有无色差、镀膜后具有很高的光谱反射率，可以折叠光路减小系统体积等一系列优点。
半导体器件表面量测技术成为半导体器件生产过程中不可或缺的一部分，对如何提高量测精度与最终成像图像质量方向具有着极高的研究意义与价值。当前市面量测系统的CDO(线宽线高量测仪)一般采用同轴或离轴聚焦光学系统或使用电子显微镜技术来对目标进行量测，以上方法可能会产生图像亮度不够或边缘界限收到镜头附近照明光源等影响出现杂散光或光线传输过程产生的色差、虚焦等原因导致最终成像质量差或由于各种波长的光在光学系统中的折射率不同导致通过光学系统产生较大像差，使工程师无法精准对图像信息进行判断导致产品质量不达标或需要反复进行检测浪费时间问题。针对以上问题可以使用反射式光学系统来避免，而目前现有的反射光学系统大部分采用同轴卡塞格林结构，存在中心遮挡，能量利用率低，收发效率不高，为了进一步解决这一问题，可以采用离轴反射光学系统来进行设计实施。
发明内容
本发明以保持高精度，高成像质量的指标为前提，确定离轴反射式光学系统的系统参数，并在此基础上以反射采用自由曲面Zernike非球面进行设计优化的方式提升最终成像质量，从而设计出基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统，有效解决了现有传统同轴光学系统或电子显微镜使用过程带来的辅助光源影响成像质量、同轴光学系统产生的色差导致图像目标结构边界模糊等问题，有效提升对工程师对工艺生产监控的效率，减少检测过程时间带来的工时浪费。
为了实现上述目的，本申请提出的基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统包括：
一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统，所述光学系统采用离轴系统式的反射结构，由一个主反射镜，一个次反射镜，一个第三反射镜，一个第四反射镜，一个第五反射镜构成；
五个反射镜之间在空间上几何中心的排列成“五边形”形状，并且主反射镜2与第三反射镜4相对距离X1满足12.6mm<X1<12.7mm，主反射镜2与第四反射镜5相对距离X2满足22.3mm<X2<24.4mm，次反射镜3与第四反射镜5相对距离X3满足8.91mm<X3<11.19mm，次反射镜3与第五反射镜6相对距离X4满足16.1mm<X4<18mm，第五反射镜6与第三反射镜4相对距离X5满足9.4mm<X5<11.4mm；
由被测量面发出的光线沿光轴先后通过主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5以及第五反射镜6经过所述光学系统后汇聚到像面，像面尺寸大小为2mm×2mm，最大半视场角为0.5729°×0.5729°，最后通过CCD图像处理芯片对获取的图像进行处理；
所述主反射镜2在沿着光轴的前端设有光阑；
所述光学系统总体空间排布呈环状,且各光路传播过程不存在中心或边缘遮挡；
所诉光学系统满足关系式:其中，FNUM为所述光学系统的相对孔径，α为光学系统0视场处弥散斑直径，B为光学系统后焦，θ为光学系统畸变；
所述光学系统满足关系式:其中，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TTL为所述光学系统的第五反射镜6的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离。
进一步的,所述光学系统满足条件式:1.55<TTL/f<5.64，其中，TTL为所述光学系统第五反射镜6的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离，f为所述光学系统的焦距。
进一步的，所述光学系统满足条件式：1721.11mm<TTL/TAN(HFOV)<3364.45mm，其中，TTL为光学系统的第五反射镜6的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半。
进一步的，所述光学系统满足条件式:0.04％<θ<0.06％，其中，θ为光学系统畸变。
进一步的，所述光学系统满足条件式:相对照度全视场>99％，且相对照度在整个视场分布均匀。
进一步的，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5，第五反射镜6均采用自由曲面Zernike非球面进行设计优化，采用全局倾斜偏心的方式进行排列。
进一步的，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行设计优化，所述光学系统满足条件式：0.37mm<D<4.3mm，其中D为所述光学系统的反射镜半径。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于:五个反射镜之间在空间上几何中心的排列成类似“五边形”形状，并且在满足光路设计的情况下主反射镜2与第三反射镜4相对距离X满足12.6mm<X<12.7mm，主反射镜2与第四反射镜5相对距离满足22.3mm<X<24.4mm，次反射镜3与第四反射镜5相对距离X满足8.91mm<X<11.19mm，次反射镜3与第五反射镜6相对距离X满足16.1mm<X<18mm，第五反射镜6与第三反射镜4相对距离X满足9.4mm<X<11.4mm,本发明光学系统采用基于自由曲面的四片式反射镜设计而成的红外探测器，体积小，可降低装调难度，并且可以减少系统体积，降低成本，主反射镜2，次反射镜3，第三反射镜4，第四反射镜5均采用Zernike面，可以校正宽视场的像差，提升整个系统的成像质量。
本发明克服了现有技术的不足，采用反射式光学系统代替传统成像镜头，由被测量面发出的光线沿光轴先后通过主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5以及第五反射镜6，经过此光学系统后，被探测面图像的光线汇聚到像面。使用离轴反射式自由曲面组成光学系统，能够完全消除色差带来的影响，实现在1.1°的视场角图像捕捉的情况下畸变保持在0.06％以下、99％以上且均匀的全视场相对照度以及在0视场处的弥散斑直径最小可达到5.5317×10-5mm的指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以更具这些附图获得其他附图。
图1是本申请第一实施例公开的光学系统结构示意图。
图2是本申请第一实施例公开的全视场均方根光斑半径图。
图3是本申请第一实施例公开的纵向球差图。
图4是本申请第一实施例公开的畸变图。
图5是本申请第一实施例公开的像方照度图。
图6是本申请第二实施例公开的光学系统结构示意图。
图7是本申请第二实施例公开的全视场均方根光斑半径图。
图8是本申请第二实施例公开的纵向球差图。
图9是本申请第二实施例公开的畸变图。
图10是本申请第二实施例公开的像方照度图。
图11是本申请第三实施例公开的光学系统结构示意图。
图12是本申请第三实施例公开的全视场均方根光斑半径图。
图13是本申请第三实施例公开的纵向球差图。
图14是本申请第三实施例公开的畸变图。
图15是本申请第三实施例公开的像方照度图。
具体实施方式
与传统的旋转对称球面和非球面相比，自由曲面具有极大的设计自由度，光学面型可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成，像差平衡和校正能力强。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
本申请的名词解释为:
HFOV:水平半视场角
TTL:光学总长
FNUM:光学系统相对孔径
α:弥散斑直径
Zernike:一种非球面的自由曲面特殊面型
θ:光学系统畸变
B:光学系统后焦
针对目前精密量测领域的发展和需求，本发明提供一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统，基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统按照光路顺序分别为：主反射镜2，次反射镜3，第三反射镜4，第四反射镜5，第五反射镜6，由被测量面发出的光线沿光轴先后通过主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5以及第五反射镜6，经过此光学系统后，被探测面图像的光线汇聚到像面；该系统采用自由曲面的设计达到减小系统总长、体积，校正像差，提升系统成像质量的目的。
五个反射镜之间在空间上几何中心的排列成类似“五边形”形状，并且在满足光路设计的情况下主反射镜2与第三反射镜4相对距离X满足12.6mm<X<12.7mm，主反射镜2与第四反射镜5相对距离满足22.3mm<X<24.4mm，次反射镜3与第四反射镜5相对距离X满足8.91mm<X<11.19mm，次反射镜3与第五反射镜6相对距离X满足16.1mm<X<18mm，第五反射镜6与第三反射镜4相对距离X满足9.4mm<X<11.4mm，该设计的系统空间几何分布可以有效控制光学系统中各反射镜之间的相对距离，缩小整体光学系统体积，并且有效避免产生中心或边缘遮挡导致的最终成像质量下降，有助于缩短光学系统的光学总长，实现小型化的设计需求。
整体光学系统的反射镜使用泽尼克非球面进行设计优化，能够很好的平衡系统中的各种像差，完全消除了色差带来的带来的像质影响，在达到高照度，高像质的前提下，系统光学畸变小于0.06％。
下面将结合实施例、具体参数以及附图对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
如图1所示，基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统按照光路顺序分别为：光阑1，主反射镜2，次反射镜3，第三反射镜4，第四反射镜5，第五反射镜6，由被测量面发出的光线沿光轴先后通过光阑1，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5以及第五反射镜6，经过此光学系统后，被探测面图像的光线汇聚到虚线所示像面。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图1中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；且主反射镜2与第三反射镜4相对距离X满足12.6mm<X<12.7mm，主反射镜2与第四反射镜5相对距离满足22.3mm<X<24.4mm，次反射镜3与第四反射镜5相对距离X满足8.91mm<X<11.19mm，次反射镜3与第五反射镜6相对距离X满足16.1mm<X<18mm，第五反射镜6与第三反射镜4相对距离X满足9.4mm<X<11.4mm。
具体地，以实施例1镜头参数的焦距f＝11.0391mm、光学镜头光圈数FNUM＝4.9534，光学镜头的最大视场半角HFOV＝1°，TTL＝17.2147mm为例，光学镜头的其他参数由下表一给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图1所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表一中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚反射镜像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表一中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表一中的折射率在参考可见光波长下得到，焦距在参考可见光波长下得到。在第一实施例中，主反射镜2，次反射镜3，第三反射镜4、第四反射镜5和第五反射镜6分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
式中，Z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开系数，为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标，N为项数。
本实施例的镜头数据表如下表一,该表给出了实施例1的精密量测光学系统的镜头参数；
表一精密量测光学系统的镜头参数
此光学系统具有一定的视场角，最大半视场角HFOV＝0.5729°×0.5729°，像面尺寸大小为2mm×2mm,光学总长达到17.2147mm,焦距达到11.0393，FNUM达到4.9534，畸变θ<0.05％,此系统满足关系式；通过限制光学系统在相对孔径比较小以及最终成像弥散斑直径小的情况下，同时限制光学后焦与系统整体畸变保持在一个合理的范围内，可以让光学系统在相对孔径较小的情况下获得更大的景深，并且降低光学系统最终成像时的弥散斑大小，从而帮助光学系统在工作过程中获得更远的探测深度，同时还可以通过控制弥散斑直径大小更好的控制镜头的成像质量在一个好的范围内。
此光学系统满足关系式:保持在设定的视场角以及相对孔径下有效限制光学系统的总长保持在一个合理的范围内，进一步降低控制光学系统的光学总长，同时协调光学系统的光学后焦长度使整体光学系统的结构呈现规范合理化，有利于后续光学系统制作装配以及预留更宽裕的系统空间搭配图像处理接收器，并且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
此光学系统满足关系式：1.55＜TTL/f＜5.64，通过限定光学系统的光学总长与焦距的关系，能够满足光学系统实现小型化设计的同时满足光学系统具有较大景深的效果。焦距达到11.0393mm，当光学镜头满足上述关系式时，能够使得光学系统焦距较小，这样能够获得更大的景深，从而提升光学系统的拍摄能力，另一方面光学系统满足上述关系式时可以更好的保证光学系统的光学总长相对更小，从而减小光学系统体积，更加灵活满足后续装配需求。
此光学系统满足关系式：1721.11mm＜TTL/TAN(HFOV)＜3364.45mm，在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，使总长达到17.2147mm，达到缩小系统体积的作用，能够增加使用便携性，且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
本实施例的非球面镜面的参数如下表二，该表给出了可用于第一实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G7、G8、G10、G11、G14。
表二 Zernike面各项系数
泽尼克表面 G3 G4 G7 G8
2 -0.013457 3.3291×10-5 -1.5651×10-5 2.1135×10-7
3 -0.000751 -0.001133 -7.0503×10-6 -2.0789×10-7
4 -0.003325 -0.00513 8.8125×10-5 2.8718×10-7
5 -0.001549 -0.010911 0.000458 -1.7467×10-5
6 -0.004696 -0.033504 0.000216 3.6765×10-7
泽尼克表面 G10 G11 G14
2 -4.9990×10-6 -4.2428×10-8 1.2615×10-10
3 -7.6654×10-6 2.6532×10-8 -3.6643×10-10
4 -3.7761×10-5 -3.9225×10-8 1.5710×10-9
5 -9.3675×10-5 5.0782×10-6 3.6081×10-7
6 -7.5664×10-5 -2.3212×10-5 -7.2098×10-7
使用了Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8、G10、G14这七项，增加了整个系统面型设计自由度，能灵活的控制面型形状参数从而控制光路，能够有效补偿和矫正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使光学系统体积更小便于装配节省成本，并且在光学系统成像质量方面能够得到大幅提升。
请参阅图2，图2示出了实施例一光学系统中的均方根光斑半径图。图2中沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图2可以看出，实施例一中的光学系统的球差数值较好，说明本实施例一的成像质量较好。
请参阅图3，图3示出了实施例一光学系统中的纵向球差图。图3中沿X轴方向的横坐标表示纵向球差，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化孔径。由图3可以看出，实施例一中的光学系统的球差数值较好，且三个波段光线重合，说明本实施例一的球差矫正较好同时也可以看出该系统不存在色差问题。
请参阅图4，图4示出了实施例一光学系统中的线性畸变图。图4中沿X轴方向的横坐标表示畸变，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化视场。由图4可以看出，实施例一中的光学系统的畸变大小较好，达到0.05％以下，说明本实施例一的畸变矫正较好同时系统像差也得到了矫正。
请参阅图5，图5示出了实施例一光学系统中的像方照度图。图5中沿X轴方向的横坐标表示归一化视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的相对照度。由图5可以看出，实施例一中的像方照度在全视场都达到了99％以上，有效提高了图像质量降低失真，可以避免辅助光源带来的影响。
实施例2
如图6所示，基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统按照光路顺序分别为：光阑7，主反射镜8，次反射镜9，第三反射镜10，第四反射镜11，第五反射镜12，由被测量面发出的光线沿光轴先后通过光阑7，主反射镜8、次反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜11以及第五反射镜12，经过此光学系统后，被探测面图像的光线汇聚到虚线所示像面。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图5中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；且主反射镜8与第三反射镜10相对距离X满足12.6mm<X<12.7mm，主反射镜8与第四反射镜11相对距离满足22.3mm<X<24.4mm，次反射镜9与第四反射镜11相对距离X满足8.91mm<X<11.19mm，次反射镜9与第五反射镜12相对距离X满足16.1mm<X<18mm，第五反射镜12与第三反射镜10相对距离X满足9.4mm<X<11.4mm。
具体地，以实施例二镜头参数的焦距f＝3.1802mm、光学镜头光圈数FNUM＝4.8734，光学镜头的最大视场半角HFOV＝1°，TTL＝17.9308mm为例，光学镜头的其他参数由下表三给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图6所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表三中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚反射镜像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表三中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表三中的折射率在参考可见光波长下得到，焦距在参考可见光波长下得到。在第二实施例中，主反射镜8，次反射镜9，第三反射镜10、第四反射镜11和第五反射镜12分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
式中，Z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开系数，为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标，N为项数。
本实施例的镜头数据表如下表三,该表给出了实施例2中的精密量测光学系统的镜头参数。
表三精密量测光学系统的镜头参数
此光学系统具有一定的视场角，最大半视场角HFOV＝0.5729°×0.5729°，像面尺寸大小为2mm×2mm,光学总长达到17.9308mm,焦距达到3.1802，FNUM达到4.8734，畸变θ<0.06％,此系统满足关系式：通过限制光学系统在相对孔径比较小以及最终成像弥散斑直径小的情况下，同时限制光学后焦与系统整体畸变保持在一个合理的范围内，可以让光学系统在相对孔径较小的情况下获得更大的景深，并且降低光学系统最终成像时的弥散斑大小，从而帮助光学系统在工作过程中获得更远的探测深度，同时还可以通过控制弥散斑直径大小更好的控制镜头的成像质量在一个好的范围内。
此光学系统满足关系式:保持在设定的视场角以及相对孔径下有效限制光学系统的总长保持在一个合理的范围内，进一步降低控制光学系统的光学总长，同时协调光学系统的光学后焦长度使整体光学系统的结构呈现规范合理化，有利于后续光学系统制作装配以及预留更宽裕的系统空间搭配图像处理接收器，并且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
此光学系统满足关系式:1.55<TTL/f<5.64，通过限定光学系统的光学总长与焦距的关系，能够满足光学系统实现小型化设计的同时满足光学系统具有较大景深的效果。焦距达到3.1802mm,当光学镜头满足上述关系式时，能够使得光学系统焦距较小，这样能够获得更大的景深，从而提升光学系统的拍摄能力，另一方面光学系统满足上述关系式时可以更好的保证光学系统的光学总长相对更小，从而减小光学系统体积，更加灵活满足后续装配需求。
此光学系统满足关系式:1721.11mm<TTL/TAN(HFOV)<3364.45mm,在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，使总长达到17.9308mm，达到缩小系统体积的作用，能够增加使用便携性,且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
本实施例的非球面镜面参数如下表四，该表给出了可用于第二实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G7、G8、G10、G11、G14、G15、G16。
表四 Zernike面各项系数
泽尼克系数 G3 G4 G7 G8
2 -0.012211 -1.5790×10-3 6.0138×10-6 -1.5241×10-6
3 -0.00542 -0.00454 5.1653×10-5 -2.4649×10-6
4 0.005051 0.007648 3.0000×10-4 4.2024×10-6
5 -0.000819 0.051847 -0.001152 -8.1801×10-5
6 -0.004208 -0.004974 0.000108 7.0672×10-6
泽尼克系数 G10 G11 G14 G15
2 1.3311×10-5 -6.1515×10-5 2.2716×10-9 -4.5255×10-10
3 2.0000×10-4 -1.1011×10-6 4.6393×10-9 -8.9882×10-10
4 1.0740×10-3 5.2509×10-6 8.4636×10-7 -3.4096×10-8
5 2.2830×10-3 1.4700×10-4 -1.4129×10-5 3.4141×10-6
6 -1.0000×10-4 -8.6788×10-6 7.1326×10-7 1.2575×10-8
泽尼克系数 G16
2 -2.6925×10-7
3 -3.7769×10-6
4 -6.2334×10-5
5 -2.5500×10-4
6 9.5427×10-7
使用了Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8、G10、G11、G14、G15、G16这九项，相比实施例一，使用了更高次项的Zernike系数，相比实施例一更增加了整个系统面型设计自由度，可以得到更好的像质，更加能灵活的控制面型形状参数从而控制光路，能够有效补偿和矫正系统的离轴像差，缩小系统的结构，提高集成化，使光学系统体积更小便于装配节省成本，并且在光学系统成像质量方面能够得到大幅提升。
请参阅图7，图7示出了实施例二光学系统中的均方根光斑半径图。图7中沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图7可以看出，实施例二中的光学系统的球差数值较好，说明本实施例二的成像质量相对于实施例一较好。
请参阅图8，图8示出了实施例二光学系统中的纵向球差图。图8中沿X轴方向的横坐标表示纵向球差，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化孔径。由图8可以看出，实施例二中的光学系统的球差数值较好，且三个波段光线重合，说明本实施例二的球差矫正较好同时也可以看出该系统不存在色差问题。
请参阅图9，图9示出了实施例二光学系统中的线性畸变图。图9中沿X轴方向的横坐标表示畸变，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化视场。由图9可以看出，实施例二中的光学系统的畸变大小较好，达到0.06％以下，说明本实施例二的畸变矫正较好同时系统像差也得到了矫正。
请参阅图10，图10示出了实施例二光学系统中的像方照度图。图10中沿X轴方向的横坐标表示归一化视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的相对照度。由图10可以看出，实施例二中的像方照度在全视场都达到了99％以上，有效提高了图像质量降低失真，可以避免辅助光源带来的影响。
实施例3
如图11所示，基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统按照光路顺序分别为：光阑13，主反射镜14，次反射镜15，第三反射镜16，第四反射镜17，第五反射镜18，由被测量面发出的光线沿光轴先后通过光阑13，主反射镜14、次反射镜15、第三反射镜16、第四反射镜17以及第五反射镜18，经过此光学系统后，被探测面图像的光线汇聚到虚线所示像面。本实施例设计采用右手坐标系，子午面内，图11中自左至右为Z轴，Y轴垂直于Z轴；且主反射镜14与第三反射镜16相对距离X满足12.6mm<X<12.7mm，主反射镜14与第四反射镜17相对距离满足22.3mm<X<24.4mm，次反射镜15与第四反射镜17相对距离X满足8.91mm<X<11.19mm，次反射镜15与第五反射镜18相对距离X满足16.1mm<X<18mm，第五反射镜18与第三反射镜16相对距离X满足9.4mm<X<11.4mm。
具体地，以实施例三镜头参数的焦距f＝21.4849mm、光学镜头光圈数FNUM＝2.6028，光学镜头的最大视场半角HFOV＝1°，TTL＝33.6422mm为例，光学镜头的其他参数由下表五给出。其中，沿光学镜头的光轴由物侧向像侧的各元件依次按照图11所示的元件顺序排列。在同一透镜中，表五中的曲率半径为相应表面编号的物侧面或像侧面于光轴处的曲率半径。透镜的“厚度”参数列中的第一个数值为该透镜于光轴上的厚度，第二个数值为该透镜的像侧面至后一表面于光轴上的距离。默认第一反射镜物侧面到最后一枚反射镜像侧面的方向为光轴的正方向，当该值为负时，表明镜面设置于后一表面顶点的像侧，若为正值时，镜面在后一表面顶点的物侧。可以理解的是，表五中的曲率半径、厚度、焦距的单位均为mm。且表五中的折射率在参考可见光波长下得到，焦距在参考可见光波长下得到。在第三实施例中，主反射镜14，次反射镜15，第三反射镜16、第四反射镜17和第五反射镜18分别采用Zernike非球面，各非球面反射镜的面型可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
式中，Z为自由曲面矢高，c为自由曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai为Zernike多项式展开系数，为Zernike多项式展开项，/>为自由曲面点的极坐标，N为项数。
本实施例的镜头数据表如下表五,该表给出了实施例3中精密量测光学系统的镜头参数；
表五精密量测光学系统的镜头参数
此光学系统具有一定的视场角，最大半视场角HFOV＝0.5729°×0.5729°，像面尺寸大小为2mm×2mm,光学总长达到33.6422mm,焦距达到21.4849，FNUM达到2.317，畸变θ<0.045％,此系统满足关系式：通过限制光学系统在相对孔径比较小以及最终成像弥散斑直径小的情况下，同时限制光学后焦与系统整体畸变保持在一个合理的范围内，可以让光学系统在相对孔径较小的情况下获得更大的景深，并且降低光学系统最终成像时的弥散斑大小，从而帮助光学系统在工作过程中获得更远的探测深度，同时还可以通过控制弥散斑直径大小更好的控制镜头的成像质量在一个好的范围内。
此光学系统满足关系式:保持在设定的视场角以及相对孔径下有效限制光学系统的总长保持在一个合理的范围内，进一步降低控制光学系统的光学总长，同时协调光学系统的光学后焦长度使整体光学系统的结构呈现规范合理化，有利于后续光学系统制作装配以及预留更宽裕的系统空间搭配图像处理接收器，并且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
此光学系统满足关系式:1.55<TTL/f<5.64，通过限定光学系统的光学总长与焦距的关系，能够满足光学系统实现小型化设计的同时满足光学系统具有较大景深的效果。焦距达到21.4849mm,当光学镜头满足上述关系式时，能够使得光学系统焦距较小，这样能够获得更大的景深，从而提升光学系统的拍摄能力，另一方面光学系统满足上述关系式时可以更好的保证光学系统的光学总长相对更小，从而减小光学系统体积，更加灵活满足后续装配需求。
此光学系统满足关系式:1721.11mm<TTL/TAN(HFOV)<3364.45mm,在保证光学系统具有一定视场角，一定探测区域范围的同时，减少了整个光学系统的总长，使总长达到33.6422mm，达到缩小系统体积的作用，能够增加使用便携性,且小体积的光学系统更易于装配和降低生产成本。
本实施例的非球面镜面参数如下表六，该表给出了可用于第三实施例中Zernike非球面镜面的高次项系数G3、G4、G7、G8、G10、G11、G14、G15、G16。
表六Zernike面各项系数
泽尼克系数 G3 G4 G7 G8
2 -0.004597 5.9978×10-5 1.1977×10-6 -4.4308×10-7
3 8.33×10-5 -0.006689 2.6500×10-4 -3.9725×10-6
4 -0.002166 0.004602 7.1739×10-5 3.7741×10-7
5 0.045622 -0.012984 0.003573 5.4000×10-4
6 0.004002 0.002632 0.000214 6.7652×10-6
泽尼克系数 G10 G11 G14 G15
2 -4.5622×10-7 9.1318×10-9 4.7236×10-10 -7.6743×10-11
3 -2.8463×10-5 2.5620×10-7 -1.7164×10-8 9.1144×10-10
4 -4.6841×10-5 -4.2997×10-7 4.6137×10-9 1.2064×10-9
5 -2.9140×10-3 -2.8700×10-4 5.7278×10-5 6.2170×10-6
6 -3.6397×10-5 -2.1782×10-6 1.9308×10-7 1.8381×10-9
泽尼克系数 G16
2 -1.7268×10-9
3 -6.5009×10-6
4 -1.9124×10-6
5 1.9300×10-4
6 -5.3549×10-7
使用了Zernike自由曲面，Zernike非球面镜面的高次项系数使用了G3、G4、G7、G8、G10、G14、G15、G16这七项，相比实施例一，使用了更高次项的Zernike系数，相比实施例一更增加了整个系统面型设计自由度，能灵活的控制面型形状参数从而控制光路，能够有效补偿和矫正系统的离轴像差，缩小系统结构，提高集成化，使光学系统体积更小便于装配节省成本，并且在光学系统成像质量方面能够得到大幅提升。
同时结构在满足相对距离的前提下改变了第三和第五反射镜的相对位置改变光路结构，验证得出相对位置改变后焦距可以变小形成二次聚焦结构，更有效的帮助优化像质，同时证明在满足限定条件的情况下可以修改反射镜相对位置来进行设计，有助于帮助装配加工。
请参阅图12，图12示出了实施例三光学系统中的均方根光斑半径图。图12中沿X轴方向的横坐标表示相对视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的均方根光斑半径大小，单位为mm。由图12可以看出，实施例三中的光学系统的球差数值较好，说明本实施例三的成像质量较好。
请参阅图13，图13示出了实施例三光学系统中的纵向球差图。图13中沿X轴方向的横坐标表示纵向球差，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化孔径。由图13可以看出，实施例三中的光学系统的球差数值较好，且三个波段光线重合，说明本实施例三的球差矫正较好同时也可以看出该系统不存在色差问题。
请参阅图14，图14示出了实施例三光学系统中的线性畸变图。图14中沿X轴方向的横坐标表示畸变，单位为mm。沿Y方向的纵坐标表示系统的归一化视场。由图14可以看出，实施例三中的光学系统的畸变大小较好，达到0.05％以下，说明本实施例三的畸变矫正较好同时系统像差也得到了矫正。
请参阅图15，图15示出了实施例三光学系统中的像方照度图。图15中沿X轴方向的横坐标表示归一化视场，沿Y方向的纵坐标表示系统的相对照度。由图15可以看出，实施例三中的像方照度在全视场都达到了99％以上，有效提高了图像质量降低失真，可以避免辅助光源带来的影响。
以上对本发明的实施例公开的光学系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的光学系统及其设计核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统，其特征在于，所述光学系统采用离轴系统式的反射结构，由一主反射镜，一次反射镜，一第三反射镜，一第四反射镜，一第五反射镜构成；
上述五个反射镜之间在空间上几何中心的排列成“五边形”形状，并且主反射镜与第三反射镜相对距离X1满足12.6mm<X1<12.7mm，主反射镜与第四反射镜相对距离X2满足22.3mm<X2<24.4mm，次反射镜与第四反射镜相对距离X3满足8.91mm<X3<11.19mm，次反射镜与第五反射镜相对距离X4满足
16.1mm<X4<18mm，第五反射镜与第三反射镜相对距离X5满足
9.4mm<X5<11.4mm；
由被测量面发出的光线沿光轴先后通过主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜经过所述光学系统后汇聚到像面，像面尺寸大小为2mm×2mm，最大半视场角为0.5729°×0.5729°，最后通过CCD图像处理芯片对获取的图像进行处理；
所述主反射镜在沿着光轴的前端设有光阑；
所述光学系统总体空间排布呈环状,且各光路传播过程不存在中心或边缘遮挡；所诉光学系统满足关系式：其中，FNUM为所述光学系统的相对孔径，α为光学系统的0视场处弥散斑直径，B为光学系统后焦，θ为光学系统畸变；
所述光学系统满足关系式：
其中，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半，TTL为所述光学系统的第五反射镜的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离，tan表示正切运算。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足条件式：1.55<TTL/f<5.64，其中，TTL为所述光学系统第五反射镜的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离，f为所述光学系统的焦距。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足条件式：1721.11mm<TTL/tan(HFOV)<3364.45mm，其中，TTL为光学系统的第五反射镜的物侧面到所述光学系统像面于所述光轴上的距离，HFOV为所述光学系统的最大视场角的一半。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足条件式：0.04％<θ<0.06％，其中，θ为光学系统畸变。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足条件式：相对照度全视场>99％，且相对照度在整个视场分布均匀。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜，第五反射镜均采用自由曲面Zernike非球面进行设计优化，采用全局倾斜偏心的方式进行排列。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，整个光学系统的反射镜均采用自由曲面进行设计优化，所述光学系统满足条件式：0.37mm<D<4.3mm，其中D为所述光学系统的每个反射镜半径。
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