TWI485443B - 離軸三反鏡 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種離軸三反鏡。
離軸三反鏡具有結構簡單、無遮攔、無色差、結構緊湊等特點，可實現高解析度和高能量利用率，被越來越多地應用於空間相機、成像光譜儀等空間對地成像觀測系統及民用監控系統，取得了快速的發展。
然而，目前的離軸三反鏡中，所用反射鏡鏡面多為橢球面、抛物面、雙曲面等二次曲面或球面。由於這些二次曲面或球面反射鏡的自由度都較少，因此，不利於提高離軸三反鏡的性能，改善整體成像品質。
另外，目前的離軸三反鏡，由於其主鏡、次鏡和三鏡都係相互分離的，因此，其反射鏡的裝調係一個複雜而繁瑣的問題。
有鑒於此，確有必要提供一種離軸三反鏡，該離軸三反鏡具有較多的自由度，且該離軸三反鏡的裝調較為簡單方便。
本發明提供一種離軸三反鏡，其包括一主鏡、一次鏡、一三鏡和一圖像感測器，所述次鏡位於主鏡的反射光路上，所述三鏡位於次鏡的反射光路上，所述圖像感測器位於三鏡的反射光路上，其
中，所述主鏡和三鏡一體成型，且所述主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面，所述主鏡的反射面整體呈凸形，所述三鏡的反射面整體呈凹形。
進一步地，所述主鏡和三鏡的反射面面形均為XY多項式，所述XY多項式的方程式為
。
進一步地，所述離軸三反鏡的視場角大於等於45°。
與現有技術相比，本發明至少具有以下優點：第一，本發明提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利於提高整體性能，改善整體成像品質；第二，本發明提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型，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；第三，本發明提供的離軸三反鏡，其視場角可達到45°以上，因此非常適合用於民用大視場角監控系統。
10，20‧‧‧離軸三反鏡
100，200‧‧‧鏡面塊體結構
102，202‧‧‧主鏡
104，204‧‧‧次鏡
106，206‧‧‧三鏡
108，208‧‧‧圖像感測器
圖1為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的結構示意圖。
圖2為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的立體結構示意圖。
圖3為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的傳遞函數圖。
圖4為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的結構示意圖。
圖5為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的立體結構示意圖。
圖6為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的傳遞函數圖。
下面將結合圖式及具體實施例，對本發明提供的離軸三反鏡做進一步的詳細說明。
請一併參閱圖1和圖2，本發明實施例一提供一種離軸三反鏡10，其包括一主鏡102、一次鏡104、一三鏡106和一圖像感測器108。所述次鏡104位於主鏡102的反射光路上，所述三鏡106位於次鏡104的反射光路上，所述圖像感測器108位於三鏡106的反射光路上。所述主鏡102和三鏡106一體成型，且所述主鏡102和三鏡106的反射面均為自由曲面。
所述離軸三反鏡10工作時的光路如下：光線首先入射到所述主鏡102的反射面上，經該主鏡102的反射面反射後入射到所述次鏡104的反射面上，經該次鏡104的反射面反射後入射到所述三鏡106的反射面上，經該三鏡106的反射面反射後被所述圖像感測器108接收到。
所述離軸三反鏡10中，所述主鏡102的反射面整體呈凹形，所述三鏡106的反射面整體也呈凹形。
優選地，本發明實施例一中，所述主鏡102和三鏡106的反射面面形均為XY多項式，該XY多項式的方程式可表達為：
。
式中，R為主鏡102和三鏡106的曲率半徑，C1~C15為方程式各項中的係數。優選地，所述主鏡102和三鏡106的反射面面形的XY多項式中的各係數的值請分別參閱表1和表2。
本發明實施例一中，所述次鏡104的反射面面形不限，優選地，所述次鏡104的反射面面形為非球面，該非球面的方程式可表達為：
。
式中，R為次鏡104的曲率半徑，C1和A為方程式中的係數。優選地，所述非球面的方程式中，R=-166.561，C1=3.424，A=1.956×10-8。
所述主鏡102和三鏡106一體成型，形成一鏡面塊體結構100。該鏡面塊體結構100可通過一次加工完成。另外，當該鏡面塊體結構100加工完成時，也就意味著所述主鏡102和三鏡106的裝調同時完成了，因此，可降低所述主鏡102和三鏡106的裝調難度，並可利用機械加工工藝保證主鏡102和三鏡106的空間位置關係，實現裝調主鏡102和三鏡106的效果，並能提高其裝調精度。優選地，所述主鏡102的反射面和三鏡106的反射面在鏡面塊體結構100的一表面連續延伸。
所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的材料不限，只要保證其具有較高的反射率即可。所述主鏡102、次鏡104和三鏡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鏡102、次鏡104和三鏡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，所述主鏡102、次鏡104和三鏡106均以鋁為基材，並在其反射面鍍一單層金膜。所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的形狀和尺寸不限，本實施例中，所述主鏡102的反射面呈一長方形，其尺寸大於等於140毫米×140毫米；所述次鏡104的反射面呈一圓形，其直徑大於等於55毫米；所述三鏡106的反射面呈一長方形，其尺寸大於等於140毫米×120毫米。
所述主鏡102到次鏡104的距離在133毫米至134毫米之間；所述次鏡104到三鏡106的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離相同，也為133毫米至134毫米之間；所述三鏡106到圖像感測器108的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離也相同，為133毫米至134毫米之間。優選地，本實施例一中所述主鏡102到次鏡104的距離、次鏡
104到三鏡106的距離以及三鏡106到圖像感測器108的距離均為133.7毫米。
在圖1中設定一XYZ空間坐標系，其中，所述離軸三反鏡10的光軸L平行於該坐標系中的Z軸。在該坐標系中，所述主鏡102和次鏡104均無離軸和偏心。在該坐標系中定義一α方向，該α方向的正向為Z軸正向向Y軸正向旋轉的方向。在該坐標系中，所述三鏡106和圖像感測器108均無偏心，且在α方向具有一傾斜角度，所述三鏡106在α方向的傾斜角度為10°，所述圖像感測器108在α方向的傾斜角度為-5.291°。
所述圖像感測器108可為一CCD或一CMOS，優選地，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7.20毫米×9.60毫米。
本發明實施例一中所述的離軸三反鏡10，其入瞳直徑可大於等於60毫米，優選地，所述離軸三反鏡10的入瞳直徑可達100毫米。即，本發明實施例一提供的離軸三反鏡10為一大孔徑的離軸三反鏡。
所述離軸三反鏡10的視場角為3°×4°，其中，在X方向的角度為-1.5°至1.5°，在Y方向的角度為-10°至-14°。
所述離軸三反鏡10的等效焦距為-35.322毫米。
圖3為本發明實施例一提供的離軸三反鏡10的傳遞函數圖，從圖3可見，所述離軸三反鏡10中各視場的傳遞函數均接近繞射極限，表明該離軸三反鏡10具有很高的成像品質。
本發明實施例一提供的離軸三反鏡10至少具有以下優點：第一，
本實施例一提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利於提高整體性能，改善整體成像品質；第二，本實施例一提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型，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；第三，本實施例一提供的離軸三反鏡，其入瞳直徑可達到60毫米以上；第四，本實施例一提供的離軸三反鏡不包括冷光闌，因此可在非製冷條件下使用。
請一併參閱圖4和圖5，本發明實施例二提供一種離軸三反鏡20，其包括一主鏡202、一次鏡204、一三鏡206和一圖像感測器208。所述次鏡204位於主鏡202的反射光路上，所述三鏡206位於次鏡204的反射光路上，所述圖像感測器208位於三鏡206的反射光路上。所述主鏡202和三鏡206一體成型，且所述主鏡202和三鏡206的反射面均為自由曲面。
所述離軸三反鏡20工作時的光路如下：光線首先入射到所述主鏡202的反射面上，經該主鏡202的反射面反射後入射到所述次鏡204的反射面上，經該次鏡204的反射面反射後入射到所述三鏡206的反射面上，經該三鏡206的反射面反射後被所述圖像感測器208接收到。
所述離軸三反鏡20中，所述主鏡202的反射面整體呈凸形，所述三鏡206的反射面整體呈凹形。
優選地，本發明實施例二中，所述主鏡202和三鏡206的反射面面形均為XY多項式，該XY多項式的方程式可表達為：
。
式中，R為主鏡202和三鏡206的曲率半徑，C1~C15為方程式各項中的係數。優選地，所述主鏡202和三鏡206的反射面面形的XY多項式中的各係數的值請分別參閱表3和表4。
所述次鏡204的反射面面形不限，優選地，所述次鏡204的反射面面形為非球面，該非球面的方程式可表達為：
式中，，R為次鏡204的曲率半徑，K、A~D為方程式各項中的係數。優選地，所述次鏡204的反射面面形的非球面方程式中，各係數的值請參閱表5。
表5 次鏡的反射面面形的非球面方程式中的各係數的值
所述主鏡2102和三鏡206一體成型，形成一鏡面塊體結構200。該鏡面塊體結構200可通過一次加工完成。另外，當該鏡面塊體結構200加工完成時，也就意味著所述主鏡202和三鏡206的裝調同時完成了，因此，可降低所述主鏡202和三鏡206的裝調難度，並可利用機械加工工藝保證主鏡202和三鏡206的空間位置關係，實現裝調主鏡202和三鏡206的效果，並能提高其裝調精度。優選地，所述主鏡202的反射面和三鏡206的反射面在鏡面塊體結構200的一表面連續延伸。
所述主鏡202、次鏡204和三鏡206的材料不限，只要保證其具有較高的反射率即可。所述主鏡202、次鏡204和三鏡206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鏡202、次鏡204和三鏡206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，所述主鏡202、次鏡204和三鏡206均以鋁為基材，並在其反射面鍍一單層金膜。所述主鏡202、次鏡204和三鏡206的形狀和尺寸不限，本實施例中，所述主鏡202的反射面呈一長方形，其尺寸大於等於140毫米×140毫米；所述次鏡204的反射面呈一圓形，其直徑大於等於55毫米；所述三鏡206的反射面呈一長方形，其尺寸大於等於140毫米×120毫米。
所述主鏡202到次鏡204的距離在185.5毫米至186.5毫米之間；所述次鏡204到三鏡206的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離相同，也為185.5毫米至186.5毫米之間；所述三鏡206到圖像感測器
208的距離在181.0毫米至182.0毫米之間。優選地，所述主鏡202到次鏡204的距離、次鏡204到三鏡206的距離均為186.078毫米，所述三鏡206到圖像感測器208的距離為181.604毫米。
在圖4中設定一XYZ空間坐標系，其中，所述離軸三反鏡20的光軸L平行於該坐標系中的Z軸。在該坐標系中，所述主鏡202和次鏡204均無離軸和偏心。在該坐標系中定義一α方向，該α方向的正向為Z軸正向向Y軸正向旋轉的方向。在該坐標系中，所述三鏡206和圖像感測器208均無偏心，且在α方向具有一傾斜角度，所述三鏡206在α方向的傾斜角度為4°，所述圖像感測器208在α方向的傾斜角度為2.35°。
所述離軸三反鏡20的入瞳直徑在5毫米至10毫米之間，優選地，所述離軸三反鏡20的入瞳直徑為8毫米。
所述圖像感測器208可為一CCD或一CMOS，優選地，本實施例中，所述圖像感測器208為一線陣CCD。
所述離軸三反鏡20的視場角可大於等於45°，優選地，本實施例中，所述離軸三反鏡20的視場角為64°，即其在Y方向的角度為-10°至-74°。即本發明實施例二提供的離軸三反鏡20為一大視場角的離軸三反鏡。
本發明實施例二中所述的離軸三反鏡20的等效焦距為-40.844毫米。
圖6為本發明實施例二提供的離軸三反鏡20的傳遞函數圖，從圖6可見，所述離軸三反鏡20中各視場的傳遞函數均接近繞射極限，表明該離軸三反鏡20具有很高的成像品質。
本發明實施例二提供的離軸三反鏡20至少具有以下優點：第一，本實施例二提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面，因此可引入更多的自由度，有利於提高整體性能，改善整體成像品質；第二，本實施例二提供的離軸三反鏡，其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型，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；第三，本實施例二提供的離軸三反鏡，其視場角可達到45°以上，因此非常適合用於民用大視場角監控系統。
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。
20‧‧‧離軸三反鏡
200‧‧‧鏡面塊體結構
202‧‧‧主鏡
204‧‧‧次鏡
206‧‧‧三鏡
Claims (17)
- 一種離軸三反鏡，其包括一主鏡、一次鏡、一三鏡和一圖像感測器，所述次鏡位於主鏡的反射光路上，所述三鏡位於次鏡的反射光路上，所述圖像感測器位於三鏡的反射光路上，其改良在於，所述主鏡和三鏡一體成型，且所述主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面，所述主鏡的反射面整體呈凸形，所述三鏡的反射面整體呈凹形，其中，所述主鏡和三鏡的反射面面形均為XY多項式，所述XY多項式的方程式為
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述主鏡的反射面面形的XY多項式的方程式中，R=358.016，C1=-0.366，C2=5.790×10-2，C3=6.188×10-2，C4=1.088×10-3，C5=8.842×10-5，C6=2.318×10-4，C7=-8.609×10-7，C8=1.343×10-7，C9=2.578×10-7，C10=9.240×10-7，C11=-4.185×10-8，C12=1.235×10-8，C13=-9.941×10-9，C14=-9.248×10-12，C15=-7.091×10-9。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述三鏡的反射面面形的XY多項式的方程式中，R=-241.763，C1=0.430，C2=-1.655×10-2，C3=4.061×10-2，C4=4.056×10-5，C5=-9.874×10-6，C6=-8.263×10-5，C7=-3.297×10-7，C8=3.963×10-7，C9=-1.295×10-7，C10=3.713×10-7，C11=4.014×10-9，C12=2.517×10-9，C13=3.940×10-9，C14=2.192×10-10，C15=1.971×10-10。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述次鏡的反射面面形為非球面，該非球面的方程式為，式中
- 如請求項第4項所述的離軸三反鏡，其中，所述非球面的方程式中，R=-478.425，K=143.657，A=9.263×10-8，B=5.907×10-10，C=-7.450×10-12，D=3.036×10-14。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述主鏡、次鏡和三鏡均以鋁材製成，且該主鏡、次鏡和三鏡的反射面上均鍍有一單層金膜。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述主鏡到次鏡的距離以及次鏡到三鏡的距離均在185.5毫米至186.5毫米之間，所述三鏡到圖像感測器的距離在181.0毫米至182.0毫米之間。
- 如請求項第7項所述的離軸三反鏡，其中，所述主鏡到次鏡的距離以及次鏡到三鏡的距離均為186.078毫米，所述三鏡到圖像感測器的距離為181.604毫米。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡具有一光軸，所述主鏡和次鏡相對於該光軸無離軸，所述三鏡在逆時針方向偏離該光軸4°，所述圖像感測器在逆時針方向偏離該光軸2.35°。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述圖像感測器為一線陣CCD。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的入瞳直徑在5毫米至10毫米之間。
- 如請求項第11項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的入瞳直徑 為8毫米。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的視場角大於等於45°。
- 如請求項第2或3項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的視場角為64°。
- 如請求項第14項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的等效焦距為-40.844毫米。
- 如申請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述主鏡的反射面和三鏡的反射面連續延伸。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡，其中，所述離軸三反鏡的光路為光線首先入射到所述主鏡的反射面，經反射後入射到所述次鏡的反射面，經反射後入射到所述三鏡的反射面，經反射後最終被所述圖像感測器接收。
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