TW201621390A - 自由曲面離軸三反光學系統 - Google Patents

自由曲面離軸三反光學系統 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種自由曲面離軸三反光學系統，包括一主反射鏡，設置於物方光線的出射光路上；一次反射鏡，設置於所述主反射鏡的反射光路上，該次反射鏡的反射面為一光闌面；一第三反射鏡，設置於所述次反射鏡的反射光路上；以及一圖像感測器，位於所述第三反射鏡的反射光路上，所述主反射鏡以及第三反射鏡的反射面均為一6次的xy多項式自由曲面，所述次反射鏡為一球面，所述自由曲面離軸三反光學系統在y軸方向的視場角大於等於65°，在x軸方向的視場角大於等於0.8°。

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大視場角的自由曲面離軸三反光學系統。
自由曲面係指無法用球面或非球面係數來表示的非傳統曲面，通常係非回轉對稱的，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中，三個反射鏡均採用自由曲面的較多，由於自由曲面的變數較多，自由度太大，系統的體積、重量與鏡片數量等考慮因素很多，很難設計出結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果的自由曲面光學系統。而且先前的採用球面或非球面的離軸三反光學系統通常難以實現視場角超過60度的多視場成像。
有鑒於此，確有必要提供一種可以實現大視場角，且自由曲面數量較少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，該主反射鏡設置於物方光線的出射光路上，用於將所述物方光線反射，形成一第一反射光；一次反射鏡，該次反射鏡設置於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，該次反射鏡的反射面為一光闌面；一第三反射鏡，該第三反射鏡設置於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，所述主反射鏡以及第三反射鏡的反射面均為一6次的xy多項式自由曲面，所述次反射鏡為一球面，所述自由曲面離軸三反光學系統的視場角在y軸方向的角度大於等於65°，在x軸方向的角度大於等於0.8°。
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具有以下優點：第一，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統的次反射鏡的反射面為球面，相比三個反射鏡均為自由曲面的自由曲面離軸三反光學系統，控制因素較少，比較容易設計。第二，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統，可以實現多視場成像，且具有較大的視場角，成像範圍較大。
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傳遞函數圖。
第4圖係本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的RMS波前誤差圖。
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做進一步的詳細說明。
請參閱圖1-2，本發明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（圖未示）。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以及第三反射鏡106的反射面均為自由曲面，所述次反射鏡104的反射面為一球面。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：物方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。
所述自由曲面離軸三反光學系統100中，所述主反射鏡102的反射面整體呈凸形，所述第三反射鏡106的反射面整體呈凹形，更有利於使所述自由曲面離軸三反光學系統100具有大視場。
為了描述方便，本實施例中，規定通過次反射鏡(光闌)中心的一條水準方向的直線為參考軸，並將其定義為z軸。向左為負，向右為正。y軸在圖2所示的平面內，垂直z軸向上為正，向下為負。x軸垂直於yz平面，垂直平面向裏為正，向外為負。
優選地，本發明實施例中，所述主反射鏡102和第三反射鏡106的反射面面形均為xy多項式自由曲面，一般的，xy多項式自由曲面比非球面或奇異非球面更易得到較好的成像品質。該xy多項式曲面的方程式為：
，
其中，z為曲面向量高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，Ai 係多項式中第i項的係數。由於系統關於yz平面對稱，自由曲面可以只保留關於x的偶次項。同時，由於高次項會增加加工難度，而次數太低會增加系統的設計難度。優選的，所述主反射鏡102以及第三反射鏡106的反射面均採用最高次為6次的，只保留x的偶次項的xy多項式曲面，該6次的xy多項式方程式可表達為：
，
其中，所述主反射鏡102以及第三反射鏡106反射面的xy多項式中曲率c、二次曲面係數k以及各項係數的值請分別參見表1和表2。可以理解，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數的值也不限於表1和表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1 主反射鏡102的反射面的xy多項式中的各係數的值
表2 第三反射鏡的反射面的xy多項式中的各係數的值
所述次反射鏡104的反射面面形為球面，球面與非球面相比更容易加工。本發明實施例中，所述球面的方程式可表達為：
，
其中，z為曲面向量高，c為曲面曲率。本實施例中，所述次反射鏡104的球面的方程式中，c=-8.246528177e-5。可以理解，曲率c的值也不限於本實施例，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。
所述主反射鏡102與第三反射鏡106在z軸方向的位置非常接近且近似連續，有利於將所述主反射鏡102和第三反射鏡106加工在一個元件上。本實施例中，所述主反射鏡102和第三反射鏡106一體成型，可通過一次加工完成。因此，可降低所述主反射鏡102和第三反射鏡106的裝調難度。
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、鈹等金屬材料，也可選用碳化矽、石英等無機非金屬材料。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。本實施例中，所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106均以鋁為基材，並在其反射面鍍一單層金膜。
所述主反射鏡102到次反射鏡104沿z軸方向的距離在370毫米到371毫米之間；所述次反射鏡104到第三反射鏡106沿z軸方向的距離在319毫米到320毫米之間；所述第三反射鏡106到圖像感測器108沿z軸方向的距離在315毫米到316毫米之間。本實施例中，所述主反射鏡102到次反射鏡104沿z軸方向的距離為370.031129986231毫米；所述次反射鏡104到第三反射鏡106沿z軸方向的距離為319.234487146867毫米；所述第三反射鏡106到圖像感測器108沿z軸方向的距離為315.729369518285毫米。
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的像元尺寸為5μm×5μm。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效入瞳直徑為13毫米。
所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106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在y軸方向的視場角大於等於65°，在x軸方向的的視場角大於等於0.8°。本實施例中，所述自由曲面離軸三反光學系統100的視場角為70°×1°，即在x軸方向的視場角為1°，在y軸方向的視場角為70°。其中，所述自由曲面離軸三反光學系統100在x軸方向的視場角範圍為-0.5°到0.5°，在y軸方向的視場角範圍為-5°到-75°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效焦距f為75毫米。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波段範圍為可見光波段。當然，所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波段並不限於本實施例，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F數為5.8，相對孔徑大小D/f為所述F數的倒數，即，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0.1724。
請參閱圖3，圖3為在可見光波段部分視場角的調製傳遞函數MTF，從圖3可見，所述自由曲面離軸三反光學系統100中各視場的傳遞函數均大於0.3，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。
請參閱圖4，圖4為自由曲面離軸三反光學系統100的RMS波前誤差，從圖中可以看出，RMS波前誤差的最大值大約為λ/32，平均值大約為λ/55，說明自由曲面離軸三反光學系統100的成像誤差較小，品質較高。
本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統至少具有以下優點：第一，本實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統，其主反射鏡和第三反射鏡的反射面均為自由曲面，因此可引入更多的自由度，更有利於校正像差，獲得更好的像質；第二，本實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統100，次反射鏡的反射面為球面，相比三個反射鏡均為自由曲面的自由曲面離軸三反光學系統，控制因素較少，比較容易設計；第三，本實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統100，其主反射鏡和第三反射鏡相切且近似連續，可以加工在一個元件上，因此，該系統的裝調較為簡單方便，且有利於提高裝調的精度；第四，本實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統100，其視場角可達到70°×1°，可以實現多視場成像，具有較大的視場，成像範圍較大。
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 (10)

  1. 一種自由曲面離軸三反光學系統，包括
    一主反射鏡，該主反射鏡設置於物方光線的出射光路上，用於將所述物方光線反射，形成一第一反射光；
    一次反射鏡，該次反射鏡設置於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，該次反射鏡的反射面為一光闌面；
    一第三反射鏡，該第三反射鏡設置於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，
    所述主反射鏡以及第三反射鏡的反射面均為一6次的xy多項式自由曲面，所述次反射鏡為一球面，所述自由曲面離軸三反光學系統在y軸方向的視場角大於等於65°，在x軸方向的視場角大於等於0.8°。
  2. 如請求項1所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述6次的xy多項式的方程式為
    ，
    其中，z為曲面向量高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，Ai 係多項式中第i項的係數。
  3. 如請求項2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的6次的xy多項式的方程式中，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai 的值分別為：

    。
  4. 如請求項2所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第三反射鏡的反射面的6次的xy多項式的方程式中，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai 的值分別為：

    。
  5. 如請求項5所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述次反射鏡的反射面為球面，該球面的方程式為。
  6. 如請求項1所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述球面的方程式中，c=-8.246528177e-5。
  7. 如請求項1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在x軸方向的視場角為1°，在y軸方向的視場角為70°。
  8. 如請求項7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在x軸方向的視場角範圍為-0.5°到0.5°，在y軸方向的視場角範圍為-5°到-75°。
  9. 如請求項1所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，將通過次反射鏡中心的一條水準方向的直線定義為z軸，所述主反射鏡到次反射鏡沿z軸方向的距離在370毫米到371毫米之間；所述次反射鏡到第三反射鏡沿z軸方向的距離在319毫米到320毫米之間；所述第三反射鏡到圖像感測器沿z軸方向的距離在315毫米到316毫米之間。
  10. 如請求項9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F數為5.8。
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