TWI622801B - 自由曲面離軸三反像方遠心光學系統 - Google Patents

自由曲面離軸三反像方遠心光學系統 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，包括：一主反射鏡、一次反射鏡、一第三反射鏡以及一圖像感測器；所述主反射鏡用於將物方發來的光線反射，形成一第一反射光；所述次反射鏡用於將第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述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；所述圖像感測器用於接收所述第三反射光並成像。所述主反射鏡的反射面為一4次多項式自由曲面，次反射鏡以及第三反射鏡的反射面均為一6次多項式自由曲面。系統採用消遮攔的離軸反射式結構。

Description

自由曲面離軸三反像方遠心光學系統
本發明涉及光學系統設計領域，尤其涉及一種自由曲面離軸三反像方遠心光學系統。
像方遠心光學系統是指系統的出瞳位於無窮遠，是一類有重要應用的光學系統。（1）系統像方遠心可以用來消除由於像面軸向位移引起的系統放大倍率的變化。（2）系統的像方遠心可以提升整個視場範圍內像面的相對照明。如果系統被倒過來使用來生成平行光，整個視場範圍內的相對照明也可以被提升。（3）系統的像方遠心可以用來消除RGB三色CCD的色彩不均勻性。（4）對於使用微透鏡陣列的CCD或CMOS來說，採用像方遠心可以控制各視場入射角在微透鏡陣列的接受角之內，從而使感測器正常工作。綜上，像方遠心光學系統有重要的應用。目前，為了降低色差，同時消除中心遮攔，離軸消遮攔反射系統結構得到了越來越多的應用，如離軸三反光學系統。但系統離軸後會產生一系列非對稱像差，難以採用常規回轉對稱曲面來校正。此外，系統的像方遠心也大大增加了系統的設計難度。
近年來，隨著加工技術的不斷發展，自由曲面在成像領域得到了越來越多的應用。自由曲面沒有回轉對稱性，變數更多，可以很好地消除離軸非對稱引起的像差。將自由曲面應用到離軸三反像方遠心光學系統中，可以大大降低離軸三反像方遠心光學系統的像差，提升離軸三反像方遠心光學系統的像質，同時獲得更高的系統參數，具有非常重要的意義。
有鑑於此，確有必要提供一種自由曲面離軸三反像方遠心光學系統。該自由曲面離軸三反像方遠心光學系統的三個反射鏡的反射面均採用自由曲面，且該自由曲面離軸三反像方遠心光學系統採用離軸三反結構，消除了光線的遮攔並消除了色差；使該自由曲面離軸三反像方遠心光學系統近似實現了像方遠心。
一種自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，包括：一主反射鏡，該主反射鏡設置在物方光線的入射光路上，將從物方發來的光線反射，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並成像；在空間中定義一第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1），以所述主反射鏡的空間定義一第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2），以所述次反射鏡所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3），以所述三反射鏡的空間定義一第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4），以所述圖像感測器所在的空間定義一第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）；所述主反射鏡的反射面為關於x 2y 2的4次多項式自由曲面；所述次反射鏡的反射面為關於x 3y 3的6次多項式自由曲面；所述三反射鏡的反射面為關於x 4y 4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像方遠心光學系統，相對於傳統透射式像方遠心系統來說消除了色差、體積輕、透過率高、熱穩定性好、輻射敏感性低。相對於同軸反射系統消除了中心遮攔，能量利用率更高。同時該自由曲面離軸三反像方遠心光學系統在實現較好像質的同時實現了較小的F數。
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像方遠心光學系統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像方遠心光學系統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。
所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100工作時的光路如下：物方光線入射到所述主反射鏡102的反射面上，被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接收到並成像。所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100近似為像方遠心，即所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100的出瞳近似位於無窮遠，各視場在像面上的入射角近似為0。所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100的次反射鏡104為孔徑光闌。
在空間中定義一第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1），水準方向的z 1軸向左為負向右為正，y 1軸在圖2所示的平面內，垂直於z 1軸向上為正向下為負，x 1軸垂直於y 1z 1平面，且垂直y 1z 1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（x 1，y 1，z 1），以所述主反射鏡102所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2），所述次反射鏡104所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3），所述第三反射鏡106所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4），所述圖像感測器108所在的空間定義一第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）。
所述第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的（0, 49.39999, 122.92696）位置（單位：mm），z 2軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉17.01294度。
所述第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的（0, 36.69253, -16.46708）位置（單位：mm），z 3軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向逆時針旋轉0.74805度。
所述第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的（0, -40.20955, 110.40654）位置（單位：mm），z 4軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉22.31491度。
所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的（0, 6.13399, -29.9344）位置（單位：mm），z 5軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉9.11067度。
在所述第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2）中，所述主反射鏡102的反射面為一個4次x 2y 2多項式自由曲面，該x 2y 2多項式曲面的運算式為： 。
其中，z 2為曲面矢高， c為曲面曲率， k二次曲面係數，A i是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100關於y 2z 2平面對稱，因此，可以僅保留x 2的偶次項。本實施例中，所述主反射鏡102的反射面的x 2y 2多項式中曲率 c、二次曲面係數 k以及各項係數A i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 i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x 2y 2多項式中的各係數的值 。
在所述第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3）中，所述次反射鏡104的反射面為一個6次x 3y 3多項式自由曲面，該x 3y 3多項式曲面的運算式為： 。
其中，z 3為曲面矢高， c為曲面曲率， k二次曲面係數，A i是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100關於y 3z 3平面對稱，因此，可以僅保留x 3的偶次項。本實施例中，所述次反射鏡104的反射面的x 3y 3多項式中曲率 c、二次曲面係數 k以及各項係數A i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A i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 3y 3多項式中的各係數的值 。
在所述第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4）中，所述第三反射鏡106的反射面為一個6次x 4y 4多項式自由曲面，該x 4y 4多項式曲面的運算式為： 。
其中，z 4為曲面矢高， c為曲面曲率， k二次曲面係數，A i是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100關於y 4z 4平面對稱，因此，可以僅保留x 4的偶次項。本實施例中，所述次反射鏡104的反射面的x 4y 4多項式中曲率 c、二次曲面係數 k以及各項係數A i的值請參見表3。可以理解，曲率 c、二次曲面係數 k以及各項係數A i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 4y 4多項式中的各係數的值 。
所述圖像感測器108的中心位於所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的原點位置，所述圖像感測器108的平面設置於所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的x 5y 5平面內。
所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106的材料不限。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。
所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100的入瞳直徑D為30毫米。
所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統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像方遠心光學系統100的視場角為3°×4°，其中，在水準方向的角度為−1.5°至1.5°，在垂直方向的角度為−14°至−10°。
所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統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像方遠心光學系統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像方遠心光學系統100的焦距f為57mm。
所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100的相對孔徑大小D/f為0.526，F數為所述相對孔徑大小D/f的倒數，即F數為1.9 。
請參閱圖3，為自由曲面離軸三反像方遠心光學系統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曲線在100線對/mm處高於0.69，表明該自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100具有很高的成像品質。
可以理解，以自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100為初始結構，經過簡單優化後可以得到結構類似但面形係數不同的系統。這些變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內
本發明實施例提供的自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100具有以下優點：自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100相對於傳統透射式像方遠心系統來說消除了色差、體積輕、透過率高、熱穩定性好、輻射敏感性低。相對於同軸反射系統消除了中心遮攔，自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100能量利用率更高。同時自由曲面離軸三反像方遠心光學系統100在實現較好像質的同時實現了較小的F數，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。
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。舉凡習知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‧‧‧自由曲面離軸三反像方遠心光學系統
102‧‧‧主反射鏡
104‧‧‧次反射鏡
106‧‧‧第三反射鏡
108‧‧‧圖像感測器
圖1為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學像方遠心系統的光路示意圖。
圖2為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學像方遠心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像方遠心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。
無

Claims (12)

  1. 一種自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其改良在於，包括： 一主反射鏡，該主反射鏡將物方發來的光線反射，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，該次反射鏡為孔徑光闌； 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並成像； 在空間中定義一第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1），以所述主反射鏡的空間定義一第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2），以所述次反射鏡所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3），以所述三反射鏡的空間定義一第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4），以所述圖像感測器所在的空間定義一第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）； 所述主反射鏡的反射面為關於x 2y 2的4次多項式自由曲面，所述次反射鏡的反射面為關於x 3y 3的6次多項式自由曲面，所述第三反射鏡的反射面為關於x 4y 4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像方遠心光學系統，其中，所述第二三維直角坐標系（x 2，y 2，z 2）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的坐標為（0mm, 49.39999mm, 122.92696mm），z 2軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉17.01294度。
  3. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述第三三維直角坐標系（x 3，y 3，z 3）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的坐標為（0mm, 36.69253mm, -16.46708mm），z 3軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向逆時針旋轉0.74805度。
  4. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述第四三維直角坐標系（x 4，y 4，z 4）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的坐標為（0mm, -40.20955 mm, 110.40654 mm），z 4軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉22.31491度。
  5. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的原點在所述第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的坐標為（0mm, 6.13399 mm, -29.9344 mm），z 5軸正方向相對於第一三維直角坐標系（x 1，y 1，z 1）的z 1軸正方向順時針旋轉9.11067度。
  6. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述x 2y 2的4次多項式的方程式為： ， 其中， c=2.8642059856E-03、k=-3.9274297376E+00、A 2=-4.5435688039E-01、A 3=-5.3806292422E-04、A 5=-4.3722756320E-04、A 7=-3.0530404587E-06、A 9=2.3737900997E-07、A 10=8.5265458822E-09、A 12=1.9066201794E-08、A 14=5.7547889567E-09。
  7. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述x 3y 3的6次多項式自由曲面的方程式為： ， 其中，c =-1.3509388901E-03、 k=8.7720946581E+01、A 2=2.9521719735E-02、A 3=-3.0546252140E-04、A 5=-2.5168419021E-05、A 7=-3.9838626726E-06、A 9=-9.4441737760E-07、A 10=-3.4439768073E-08、A 12=-4.6398109825E-08、A 14=-1.5721550120E-08、A 16=-3.0796040892E-10、A 18=-3.4167907065E-10、A 20=-8.6127469499E-11、A 21=-9.4044204706E-13、A 23=-8.7321134718E-13、A 25=4.0516919551E-13、A 27=5.5914310564E-13。
  8. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述x 4y 4的6次多項式自由曲面的方程式為： ， 其中， c=-6.0303569933E-03、 k=-2.2371952711E-01、A 2=-2.2430352958E-03、A 3=5.4714931736E-04、A 5=5.6853894214E-04、A 7=4.4859214867E-07、A 9=8.3542437405E-07、A 10=2.7604507475E-09、A 12=6.2081241869E-09、A 14=2.5484435684E-09、A 16=1.4411288365E-11、A 18=3.1914780755E-11、A 20=1.7498528416E-11、A 21=2.0195053704E-14、A 23=1.7141602857E-13、A 25=2.4828768594E-13、A 27=1.1001411984E-13。
  9. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統的視場角為3°×4°。
  10. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統的視場角在在水準方向的角度為−1.5°至1.5°，在垂直方向的角度為−14°至−10°。
  11. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反像方遠心光學系統的相對孔徑為0.526，F數為1.9。
  12. 如請求項第1項所述之自由曲面離軸三反像方遠心光學系統，其中，所述圖像感測器的中心位於所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的原點位置，所述圖像感測器的平面設置於所述第五三維直角坐標系（x 5，y 5，z 5）的x 5y 5平面內。
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