TW201534963A - 自由曲面離軸三反光學系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一自由曲面離軸三反光學系統，包括：一主鏡，設置在光線的出射光路上；一次鏡，設置在該主鏡的反射光路上；一三鏡，設置在該次鏡的反射光路上；以及一圖像感測器，設置在該三鏡的反射光路上，以主鏡所處的空間定義一第一三維直角坐標系；以次鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標系，該第二三維直角坐標系為該第一三維直角坐標系沿Z軸反方向平移得到；以及以三鏡所處的空間定義一第三三維直角坐標系，該第三三維直角坐標系為該第二三維直角坐標系沿Z軸方向平移得到，該主鏡、次鏡以及三鏡的反射面為6次的xy多項式自由曲面。

Description

自由曲面離軸三反光學系統
本發明涉及一種自由曲面離軸三反光學系統，尤其涉及一種可以實現小F數、大視場的自由曲面離軸三反光學系統。
自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的非傳統曲面，通常是非回轉對稱的，結構靈活，變數較多，為光學設計提供了更多的自由度，可以大大降低光學系統的像差，減小系統的體積、重量與鏡片數量，可以滿足現代成像系統的需要，有著廣闊的發展應用前景。由於自由曲面有非對稱面並提供了更多的設計自由度，他們常被用在離軸非對稱系統中。
然而，先前的自由曲面離軸三反光學系統主要適用於小視場角，大F數的線視場，對於具有大視場角，小F數視場的應用範圍受限。因此如果可以提出一種可以實現大視場，小F數的自由曲面離軸三反光學系統，將非常有意義。
有鑒於此，確有必要提供一種可以實現大視場角，小F數的自由曲面離軸三反光學系統。
一種自由曲面離軸三反光學系統，包括：一主反射鏡，該主反射鏡設置在光線的出射光路上，用於將所述光線反射，形成一第一反射光，以所述主反射鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角坐標系(X，Y，Z)；一次反射鏡，該次反射鏡設置在所述主反射鏡的反射光路上，用於將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，該次反射鏡為一光闌面，以所述次反射鏡的頂點為第二原點定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，且該第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Z軸反方向平移得到；一第三反射鏡，該第三反射鏡設置在所述次反射鏡的反射光路上，用於將所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光，以所述第三反射鏡的頂點為第三原點定義一第三三維直角坐標系(X''，Y''，Z'')，且該第三三維直角坐標系(X''，Y''，Z'')為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z軸方向平移得到；以及一圖像感測器，該圖像感測器位於所述第三反射鏡的反射光路上，用於接收所述第三反射光；所述主反射鏡、次反射鏡以及第三反射鏡的反射面分別為關於xy、x'y'以及x''y''的6次多項式自由曲面。
與先前技術比較，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統可以實現較小F數、較大視場的成像，且成像品質良好，其中，F數可達1.3，視場角可達到24°×0.07°；該自由曲面反射鏡使用的xy多項式自由曲面的次數較低，比較容易加工，易於批量生產。
第1圖係本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的光路示意圖。
第2圖係本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的立體結構示意圖。
第3圖係本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的結構示意圖。
第4圖係本發明實施例一提供的自由曲面離軸三反光學系統在可見光波段下部分視場角的調製傳遞函數MTF曲線。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統100做進一步的詳細說明。
請參閱圖1-3，本發明實施例提供一種自由曲面離軸三反光學系統100，包括：一主反射鏡102、一次反射鏡104、一第三反射鏡106以及一圖像感測器108。所述次反射鏡104位於主反射鏡102的反射光路上，所述第三反射鏡106位於次反射鏡104的反射光路上，所述圖像感測器108位於第三反射鏡106的反射光路上。所述主反射鏡102、次反射鏡104、以及第三反射鏡106的反射面均為自由曲面，且所述次反射鏡104的反射面為一光闌面。
所述自由曲面離軸三反光學系統100工作時的光路如下：光線首先入射到所述主反射鏡102的反射面上，經該主反射鏡102的反射面反射後形成一第一反射光，該第一反射光入射到所述次反射鏡104的反射面上，經該次反射鏡104的反射面反射後形成一第二反射光，該第二反射光入射到所述第三反射鏡106的反射面上，經該第三反射鏡106的反射面反射後形成一第三反射光被所述圖像感測器108接收到。
為了描述方便，將所述主反射鏡102所處的空間定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z）、次反射鏡104所處的空間定義一第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）、第三反射鏡106所處的空間定義一第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）。
所述主反射鏡102的頂點為所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）的原點，通過主反射鏡102頂點的一條水準方向的直線為Z軸，向左為負向右為正，Y軸在圖1所示的平面內，垂直於Z軸向上為正向下為負，X軸垂直於YZ平面，垂直YZ平面向裏為正向外為負。
在所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）中，所述主反射鏡102的反射面為xy的多項式自由曲面，該xy多項式曲面的一般運算式為：
其中，z為曲面向量高，c為曲面曲率，k為二次曲面系數，Ai 是多項式中第i項的系數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於YZ平面對稱，因此，可以僅保留X的偶次項。同時，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述主反射鏡102的反射面採用最高次為6次的x的偶次項的xy多項式自由曲面，該xy多項式的方程式可表達為：
本實施例中，所述主反射鏡102反射面的xy多項式中曲率c、二次曲面系數κ以及各項系數Ai 的值請參見表1。可以理解，曲率c、二次曲面系數κ以及各項系數Ai 的值也不限於表1中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。
表1主反射鏡的反射面的xy多項式中的各系數的值
所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）為所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Z軸反方向平移約139.873mm，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的原點為所述次反射鏡的頂點。即本實施例中所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點到所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的原點的距離約為139.873mm。
在所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）中，所述次反射鏡104的反射面為x'y'的多項式自由曲面，該x'y'多項式曲面的一般運算式為：
其中，z'為曲面向量高，c'為曲面曲率，k'為二次曲面系數，Ai '是多項式中第i項的系數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於Y'Z'平面對稱，因此，可以僅保留x'的偶次項。同時，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述次反射鏡104的反射面採用最高次為6次的x'的偶次項的x'y'多項式自由曲面，該x'y'多項式的方程式可表達為：
本實施例中，所述次反射鏡104反射面的x'y'多項式中曲率c'、二次曲面系數κ'以及各項系數Ai '的值請參見表2。可以理解，曲率c'、二次曲面系數κ'以及各項系數Ai '的值也不限於表2中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。
表2次反射鏡的反射面的x'y'多項式中的各系數的值
所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z'軸反方向平移約84.992mm，且所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的原點為所述第三反射鏡的頂點。即本實施例中所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點到所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的原點的距離約為84.992mm。
在所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，所述第三反射鏡106的反射面為x''y''的多項式自由曲面，該x''y''多項式曲面的一般運算式為：
其中，z''為曲面向量高，c''為曲面曲率，k''為二次曲面系數，Ai ''是多項式中第i項的系數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於Y''Z''平面對稱，因此，可以僅保留x''的偶次項。同時，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述次反射鏡104的反射面也採用最高次為6次的x''的偶次項的x''y''多項式自由曲面，該x''y''多項式的方程式可表達為：
本實施例中，所述第三反射鏡106反射面面形的x''y''多項式中曲率c''、二次曲面系數κ''以及各項系數Ai ''的值請參見表3。可以理解，曲率c''、二次曲面系數κ''以及各項系數Ai ''的值也不限於表3中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。
表3第三反射鏡的反射面的x''y''多項式中的各系數的值
所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106的材料不限，只要保證其具有較高的反射率即可。所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106可選用鋁、銅等金屬材料，也可選用碳化矽、二氧化矽等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106的反射率，可在其各自的反射面鍍一增反膜，該增反膜可為一金膜。所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106的形狀和尺寸不限。
所述圖像感測器108可為一CCD或一CMOS，本實施例中，所述圖像感測器108為一面陣CCD，所述面陣CCD的尺寸為13.3毫米×15毫米。所述圖像感測器108平行於所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的Y''X''平面，且該圖像感測器108到所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的Y''X''平面的距離約為85.414mm。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效入瞳直徑為72毫米。
所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106本身均沒有旋轉角度，而是在Y軸方向上採用了離軸視場。所述自由曲面離軸三反光學系統100的視場角為24°×0.07°，其中，在X軸方向的角度為-12°至12°，在Y軸方向的角度為-9.965°至-10.035°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長範圍為350納米到770納米。當然，所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長並不限於本實施例，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效焦距為94.09mm。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的相對孔徑大小D/f為0.769，F數為所述相對孔徑大小D/f的倒數，即F數為1.3。
請參閱圖4，為自由曲面離軸三反光學系統100在可見光波段下部分視場角的調製傳遞函數MTF，從圖中可以看出，各視場MTF曲線都達到了繞射極限，表明該自由曲面離軸三反光學系統100具有很高的成像品質。
本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統100採用離軸三反光學系統，該系統相比於同軸反射光學系統具有更大的視場角，進而使該系統有較大的視場，成像範圍較大；三個反射鏡的反射面的面形均採用自由曲面，相對於球面或非球面系統具有更多的可控制變數，更有利於校正像差，獲得更好的像質；所述自由曲面離軸三反光學系統100的F數較小，相對孔徑較大，可以使更多的光進入系統，使該系統具有更高的輸入能量與極限解析度；該系統中的自由曲面反射鏡均使用的多項式曲面次數較低，比較容易加工，易於批量生產。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧自由曲面離軸三反光學系統
102‧‧‧主反射鏡
104‧‧‧次反射鏡
106‧‧‧第三反射鏡
108‧‧‧圖像感測器
無
100‧‧‧自由曲面離軸三反光學系統
102‧‧‧主反射鏡
104‧‧‧次反射鏡
106‧‧‧第三反射鏡
108‧‧‧圖像感測器

Claims (12)

  1. 一種自由曲面離軸三反光學系統，包括：
    一主反射鏡，該主反射鏡設置在光線的出射光路上，用於將所述光線反射，形成一第一反射光，以所述主反射鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角坐標系(X，Y，Z)；
    一次反射鏡，該次反射鏡設置在所述主反射鏡的反射光路上，用於將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，該次反射鏡為一光闌面，以所述次反射鏡的頂點為第二原點定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，且該第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Z軸反方向平移得到；
    一第三反射鏡，該第三反射鏡設置在所述次反射鏡的反射光路上，用於將所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光，以所述第三反射鏡的頂點為第三原點定義一第三三維直角坐標系(X''，Y''，Z'')，且該第三三維直角坐標系(X''，Y''，Z'')為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z軸方向平移得到；以及
    一圖像感測器，該圖像感測器位於所述第三反射鏡的反射光路上，用於接收所述第三反射光；
    所述主反射鏡、次反射鏡以及第三反射鏡的反射面分別為關於xy、x'y'以及x''y''的6次多項式自由曲面。
  2. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述主反射鏡的反射面為含有x偶次項的6次xy多項式曲面，該xy多項式曲面的方程式為：

    ，其中，曲率c、二次曲面系數κ以及各項系數Ai 的值分別為：

    。
  3. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述次反射鏡反射面為含有x'偶次項6次x'y'多項式曲面，該x'y'多項式曲面方程式為：
    ，其中，曲率c'、二次曲面系數κ'以及各項系數Ai '的值分別為：

    。
  4. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第三反射鏡反射面為含有x''偶次項的6次x''y''多項式曲面，該x''y''多項式方程式為：
    ，其中，曲率c''、二次曲面系數κ''以及各項系數Ai ''的值分別為：

    。
  5. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的第二原點到所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）的第一原點的距離為139.873mm。
  6. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的第二原點到所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的第三原點的距離為84.992mm。
  7. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述圖像傳感器到所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的Y''X''平面的距離為85.414mm。
  8. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的等效入瞳直徑為72毫米。
  9. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的視場角為24°×0.07°。
  10. 如請求項第9項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的视场角在X軸方向為-12°到12°，在Y軸方向為−9.965°到−10.035°。
  11. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的等效焦距為94.09毫米。
  12. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的相對孔徑為0.769，F數為1.3。
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