TWI622799B - 自由曲面離軸三反光學系統 - Google Patents

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Abstract

涉及一種自由曲面離軸三反光學系統，包括：一光闌、一主反射鏡、一次反射鏡、一第三反射鏡以及一探測器；主反射鏡用於將物方光線反射，形成一第一反射光；次反射鏡用於將第一反射光二次反射，形成一第二反射光；第三反射鏡用於將第二反射光再次反射，形成一第三反射光；探測器用於接收所述第三反射光並成像。所述主反射鏡，次反射鏡以及第三反射鏡的反射面均為一5次多項式自由曲面，且所述主反射鏡的反射面和第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路與第三反射光的光路之間相互交疊。

Description

自由曲面離軸三反光學系統
本發明涉及光學系統設計領域，尤其涉及一種結構緊湊、體積較小的自由曲面離軸三反光學系統。
離軸三反光學系統是一種常見的離軸反射成像系統。將自由曲面應用到離軸三反系統中，可以大大降低系統的像差，提升系統的像質，同時獲得更高的系統參數，具有非常重要的意義。
先前的自由曲面離軸三反光學系統大多採用了三片空間位置相互分離的鏡面，且面形不共用同一方程。或者通過將系統的主反射鏡與第三反射鏡加工在同一元件上，系統的主反射鏡和第三反射鏡共用同一個曲面方程，可以降低系統的裝調難度、系統的加工難度以及系統的檢測成本。然而，先前的此類自由曲面離軸三反光學系統中，主反射鏡與第三反射鏡雖然在同一元件上，但二者在該元件上相隔較遠，從而使系統的體積很大，結構不緊湊；另外，由於整個主反射鏡-第三反射鏡元件體積較大，曲面邊緣矢高過大，不利於加工與檢測。
有鑑於此，確有必要提供一種自由曲面離軸三反光學系統，該自由曲面離軸三反光學系統的主反射鏡與第三反射鏡採用同一曲面方程，且主反射鏡與第三反射鏡在空間中相隔較近，結構緊湊，主反射鏡與第三反射鏡的曲面矢高較小。
一種自由曲面離軸三反光學系統，包括：一光闌，該光闌設置在物方光線的入射光路上；一主反射鏡，該主反射鏡設置在所述光闌遠離物方空間的一側，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；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；以所述光闌的中心為原點定義一第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ），以所述主反射鏡以及第三反射鏡所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ），以所述次反射鏡所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ），以所述探測器所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）；所述主反射鏡的反射面和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x2 y2 的5次多項式；所述次反射鏡的反射面為關於x3 y3 的5次多項式自由曲面；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路與第三反射光的光路之間相互交疊。
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的主反射鏡的反射面和第三反射鏡的反射面採用同一自由曲面方程描述，且主反射鏡與第三反射鏡的空間位置接近，進而使整個主反射鏡與第三反射鏡元件的體積較小，且曲面矢高較小，大大簡化系統的加工難度。系統結構緊湊、體積較小。
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光路示意圖。
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結構與坐標系示意圖。
圖3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和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用於控制輸出物方光束的直徑；所述主反射鏡104位於所述光闌102遠離光源的一側；所述次反射鏡106設置在所述主反射鏡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、次反射鏡106以及第三反射鏡108的反射面均為自由曲面。
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接收到並成像。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之間相互交疊，進而充分利用空間，使所述自由曲面離軸三反光學系統100的結構緊湊，體積小。
以所述光闌102中心為坐標原點定義一第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ），通過光闌102中心的一條水準方向的直線為z1 軸，向左為負向右為正，y1 軸在圖2所示的平面內，垂直於z1 軸向上為正向下為負，x1 軸垂直於y1 z1 平面，垂直y1 z1 平面向裡為正向外為負。在空間中相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ），以所述主反射鏡104以及第三反射鏡108所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ），所述次反射鏡106所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ），所述探測器110所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）。
所述第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的（0, 88.59727, 198.07169）位置（單位：mm），z2 軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向逆時針旋轉27.84258度。
所述第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的（0, -159.26851, -22.49695）位置（單位：mm），z3 軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向順時針旋轉10.80811度。
所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的（0, -44.59531, -47.02867）位置（單位：mm），z4 軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向逆時針旋轉16.28528度。
在所述第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ）中，所述主反射鏡104的反射面以及第三反射鏡108的反射面均為一個5次x2 y2 多項式自由曲面，該x2 y2 多項式曲面的一般運算式為：
，
其中，z2 為曲面向量高，c為曲面曲率，k二次曲面係數，Ai 是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於y2 z2 平面對稱，因此，可以僅保留x2 的偶次項。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x2 y2 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1。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主反射鏡以及第三反射鏡的反射面的x2 y2 多項式中的各係數的值
在所述第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ）中，所述次反射鏡106的反射面為一個5次x3 y3 多項式自由曲面，該x3 y3 多項式曲面的一般運算式為：
，
其中，z3 為曲面向量高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，Ai 是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於y3 z3 平面對稱，因此，可以僅保留x3 的偶次項。本實施例中，所述次反射鏡106的反射面的x3 y3 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 次反射鏡的反射面的x3 y3 多項式中的各係數的值
所述探測器110的中心位於所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的原點位置，所述探測器110的平面設置於所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的x4 y4 平面內。
所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108的材料不限。所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108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。為了增加所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108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。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的入瞳直徑D為40毫米。
所述自由曲面離軸三反光學系統100系統在垂直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4°×3°，其中，在水準方向的角度為-2°至2°，在垂直方向的角度為10.5°至13.5°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長範圍為8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的焦距f為100mm。
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0.4，F數為所述相對孔徑大小D/f的倒數，即F數為2.5。
請參閱圖3，為自由曲面離軸三反光學系統100在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曲線都接近繞射極限，表明該自由曲面離軸三反光學系統100具有很高的成像品質。
本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統100具有以下優點：自由曲面離軸三反光學系統100相比於同軸反射光學系統具有更大的視場角，進而使該系統具有較大的矩形視場，成像範圍較大。所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108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。所述自由曲面離軸三反光學系統100的主反射鏡104的反射面和第三反射鏡108的反射面採用同一自由曲面方程描述，可以將其加工在一塊元件上，加工時不需要變換坐標系與加工方程，降低加工難度。所述自由曲面離軸三反光學系統100中的主反射鏡與第三反射鏡的空間位置接近，進而使整個主反射鏡-第三反射鏡元件體積較小，且邊緣矢高較小，大大簡化元件加工難度。對曲面檢測來說，如果採用計算全息（CGH）的方法，對於主反射鏡和第三反射鏡只需要一塊計算全息元件，大大簡化曲面檢測過程並降低檢測成本。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之間相互交疊，進而充分利用空間，使所述自由曲面離軸三反光學系統100的結構緊湊，體積小。
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，以上所述者僅爲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
無

Claims (10)

  1. 一種自由曲面離軸三反光學系統，包括： 一光闌，該光闌設置在物方光線的入射光路上； 一主反射鏡，該主反射鏡設置在所述光闌遠離物方空間的一側，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； 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； 以所述光闌的中心為原點定義一第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ），以所述主反射鏡以及第三反射鏡所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ），以所述次反射鏡所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ），以所述探測器所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）； 所述主反射鏡的反射面和第三反射鏡的反射面采用同一自由曲面方程描述，且該自由曲面方程為關於x2 y2 的5次多項式；所述次反射鏡的反射面為關於x3 y3 的5次多項式自由曲面；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之間相互交疊。
  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，所述第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ）的原點在所述第一三維直角坐標系的（0, 88.59727, 198.07169）位置（單位：mm），所述第二三維直角坐標系（x2 ，y2 ，z2 ）的z2 軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向逆時針旋轉27.84258度。
  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，所述第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ）的原點在所述第一三維直角坐標系的（0, -159.26851, -22.49695）位置（單位：mm），所述第三三維直角坐標系（x3 ，y3 ，z3 ）的z3 軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向順時針旋轉10.80811度。
  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，所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的（0, -44.59531, -47.02867）位置（單位：mm），所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的z4 軸正方向相對於第一三维直角坐標系（x1 ，y1 ，z1 ）的z1 軸正方向逆時針旋轉16.28528度。
  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x2 y2 的5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Ai 的值分別為： 。
  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x3 y3 的5次多項式自由曲面的方程式為： ，其中，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai 的值分別為： 。
  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，所述自由曲面離軸三反光學系統的視場角為4°×3°。
  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視場角在水準方向的角度為-2°至2°，在垂直方向的角度為10.5°至13.5°。
  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，自由曲面離軸三反光學系統的相對孔徑為0.4，F數為2.5。
  10. 如請求項第1 項所述之自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述探测器的中心位於所述第四三维直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的原點位置，所述探测器的平面設置於所述第四三維直角坐標系（x4 ，y4 ，z4 ）的x4 y4 平面内。
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