TWI512325B - 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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Description

自由曲面離軸三反光學系統
本發明涉及光學系統的設計領域，尤其涉及一種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，變量較多，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，减小系統的體積、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，先前的自由曲面離軸三反光學系統主要針對線視場，F數較大，而且三個曲面均為自由曲面，且主反射鏡與第三反射鏡分離，加工與裝調難度相當大，不易於實現。
有鑒於此，確有必要提供一種可以實現大視場角，小F數且加工與裝調難度小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：一光闌，該光闌設置於光線的入射光路上；一主反射鏡，該主反射鏡設置於光線的入射光路，所述光線依次經過所述光闌及主反射鏡，所述主反射鏡用 於將所述光線反射，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；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；以及一探測器，該探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並成像；所述次反射鏡所處的空間定義一第一三維直角坐標系(X，Y，Z)，所述次反射鏡的頂點為該第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點；所述主反射鏡以及第三反射鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，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軸方向平移得到；所述主反射鏡的反射面及第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述，且該自由曲面方程為關於x'y'的6次多項式；所述次反射鏡的反射面為關於xy的10次多項式非球面。
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、較大視場角的矩形視場成像，且成像質量良好，其中，F數可達2.13，視場角可達到6.4°×8°；系統的主反射鏡的反射面及第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述，加工時不需要變換坐標系與加工方程，降低加工難度，同時有利於將其加工於一塊組件上；另，系統的次反射鏡採用非球面，大大降低裝調難度，使系統易於實現。
100‧‧‧自由曲面離軸三反光學系統
102‧‧‧光闌
104‧‧‧主反射鏡
106‧‧‧次反射鏡
108‧‧‧第三反射鏡
110‧‧‧探測器
圖1為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。
圖2為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。
圖3為為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統在長波紅外波段下部分視場角的調製傳遞函數MTF曲線。
下面將結合圖式及具體實施例，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1-2，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：一光闌102、一主反射鏡104、一次反射鏡106、一第三反射鏡108以及一探測器110。所述光闌102設置於光線的入射光路上，用於控制入射光線的直徑；所述主反射鏡104亦位於光線的入射光路上，所述光線依次經過所述光闌及所述主反射鏡；所述次反射鏡106位於所述主反射鏡104的反射光路上；所述第三反射鏡108位於次反射鏡106的反射光路上；所述探測器110位於第三反射鏡108的反射光路上。所述主反射鏡104以及第三反射鏡108的反射面均為自由曲面，所述次反射鏡106的反射面為一非球面。
所述自由曲面離軸三反光學系統100工作時的光路如下：入射光線通過光闌102後入射到所述主反射鏡104的反射面上，經該主反射鏡104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106的反射面上，經該次反射鏡106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108的反射面上，經該第三反射鏡108的反射面反射後形成一第三反射光被所述探測器110接收並成像。
為了描述方便，將所述次反射鏡106所處的空間定義一第一三維直角坐標系(X，Y，Z)，所述次反射鏡106的頂點為該第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點，通過次反射鏡106頂點的一條水平方向的直線為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。所述主反射鏡以及第三反射鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，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軸方向平移得到，所述主反射鏡的頂點以及第三反射鏡的頂點均在所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的Z軸上。
所述光闌102相對於所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)中的Z軸向上平移約23.814mm，所述光闌102的中心與主反射鏡104的頂點沿Z軸方向的距離約為190.391mm；所述主反射鏡104的頂點與次反射鏡106的頂點沿Z軸反方向的距離約為127.370mm；所述次反射鏡106的頂點與第三反射鏡108的頂點沿Z軸方向的距離約為127.370mm；所述第三反射鏡108的頂點與所述探測器110的中心沿Z軸反方向的距離約為192.740mm；所述探測器110的中心沿Y軸負方向偏離Z軸，偏離量約為15.252mm，所述探測器110所在平面與XY平面沿順時針方向的夾角約為4.905°。
於所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述次反射鏡106的反射面為一10次的xy多項式非球面，該xy多項式非球面的表達式為： ，其中，z為曲面矢高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，A、B、C、D分別係多項式中4次項係數、6次項係數、8次項係數以及10次項係數。
本實施例中，所述次反射鏡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A、B、C、D的值請參見表1。可以理解，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數A、B、C、D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。
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軸方向平移約127.370mm。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')的原點距離約為127.370mm。
於所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')中，所述主反射鏡104以及第三反射鏡108的反射面均為x'y'的多項式自由曲面，該x'y'多項式曲面的一般表達式為： 其中，z'為曲面矢高，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。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於Y'Z'平面對稱，是故，可以僅保留x'的偶次項。另，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述主反射鏡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，所述主反射鏡104以及第三反射鏡108的反射面的x'y'多項式中曲率c'、二次曲面係數k'以及各項係數Ai'的值請參見表2。可以理解，曲率c'、二次曲面係數k'以及各項係數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主反射鏡以及第三反射鏡的反射面的x'y'多項式中的各係數的值
所述主反射鏡104、次反射鏡106及第三反射鏡108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104、次反射鏡106及第三反射鏡108可選用鋁、銅等金屬材料，亦可選用碳化矽、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104、次反射鏡106及第三反射鏡108的反射率，可於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104、次反射鏡106及第三反射鏡108的尺寸不限。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的入瞳直徑為30毫米。
所述主反射鏡104、次反射鏡106及第三反射鏡108本身均沒有旋轉角度，而是於子午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6.4°×8°，其中，在弧氏方向的角度為-3.2°至3.2°，於子午方向的角度為8°至16°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長範圍為3微米到12微米。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64mm。
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0.469，F數為所述相對孔徑大小D/f的倒數，即F數為2.13。
請參閱圖3，為自由曲面離軸三反光學系統100於長波紅外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曲線均接近繞射極限，表明該自由曲面離軸三反光學系統100具有很高的成像質量。
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矩形視場，成像範圍較大；主反射鏡及第三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量，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分辨率；系統的主反射鏡的反射面及第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述，加工時不需要變換坐標系與加工方程，降低加工難度，同時有利於將其加工於一塊組件上；對於主反射鏡及第三反射鏡的檢測可以只採用一個計算全息(CGH)組件，大大簡化了曲面檢測過程並降低成本；另，系統的次反射鏡採用非球面，大大降低裝調難度，使系統易於實現。
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‧‧‧光闌
104‧‧‧主反射鏡
106‧‧‧次反射鏡
108‧‧‧第三反射鏡
110‧‧‧探測器

Claims (10)

  1. 一種自由曲面離軸三反光學系統，其改良在於，包括：一光闌，該光闌設置於光線的入射光路上；一主反射鏡，該主反射鏡設置於光線的入射光路，所述光線依次經過所述光闌及主反射鏡，所述主反射鏡用於將所述光線反射，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；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；以及一探測器，該探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並成像；所述次反射鏡所處的空間定義一第一三維直角坐標系(X，Y，Z)，所述次反射鏡的頂點為該第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點；所述主反射鏡以及第三反射鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，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軸方向平移得到；所述主反射鏡的反射面及第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述，且該自由曲面方程為關於x'y'的6次多項式；所述次反射鏡的反射面為關於xy的10次多項式非球面。
  2. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述主反射鏡的反射面以及第三反射鏡的反射面為含有x'偶次項的6次x'y'多項式曲面，該xy多項式曲面的方程式為： ，其中，曲率c'、二次曲面係數k'以及各項係數Ai'的值分別為： 。
  3. 如請求項第1項所述的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關於xy的10次多項式非球面，該10次多項式的方程式為： ，其中，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數A、B、C、D的值分別為： 。
  4. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述光闌相對於所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)中的Z軸向上平移23.814mm，所述光闌的中心與主反射鏡的頂點沿Z軸方向的距離為190.391mm。
  5. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述主反射鏡的頂點與次反射鏡的頂點沿Z軸反方向的距離為127.370mm；所述次反射鏡的頂點與第三反射鏡的頂點沿Z軸方向的距離為127.370mm。
  6. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第三反射鏡的頂點與所述探測器的中心沿Z軸反方向的距離為192.740mm。
  7. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述探測器的中心沿Y軸負方向偏離Z軸，偏離量為15.252mm，所述探測器所在平面與XY平面沿順時針方向的夾角為4.905°。
  8. 如請求項第1項所述的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6.4°×8°。
  9. 如請求項第1項所述的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於弧矢方向為-3.2°到3.2°，於子午方向為8°到16°。
  10. 如請求項第1項所述的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0.469，F數為2.13。
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