TWI761923B - 離軸兩反紅外成像系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種離軸兩反紅外成像系統，其具體包括：一主反射鏡，該主反射鏡位於入射紅外光束的入射光路上，並反射入射紅外光束，形成第一反射光束；一次反射鏡，該次反射鏡位於主反射鏡的反射光路上，用於反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿過所述入射紅外光束後到達一像面；所述主反射鏡和所述次反射鏡的反射面均為自由曲面，所述次反射鏡和所述像面分別位於入射紅外光束的兩側，所述離軸兩反紅外成像系統的焦距為120~160mm，F數為1.4~2.0。

Description

離軸兩反紅外成像系統
本發明涉及光學設計領域，尤其涉及一種離軸兩反紅外成像系統。
離軸反射式的光學成像系統具有透過率高，成像波段範圍廣，無色差等優勢，在成像領域有著諸多應用。為了避免光束遮攔而減小成像效率，離軸系統的對稱性遭到破壞，會引入一些非常規的和有視場依賴性的像差，具有回轉對稱性的球面和非球面校正這類像差的能力較弱。光學自由曲面是一種不具有回轉對稱性、設計自由度高的光學曲面，可以用於校正離軸像差和提升光學性能。近年來，自由曲面越來越多的用於離軸反射式成像系統，實現了許多具有高性能的成像系統。
目前，離軸反射式系統也越來越多地應用于紅外成像，且在車載避障系統和監控安防系統中有著重要的應用。對於中遠距離紅外成像往往需要系統有較大的焦距和較小的F數，但是離軸反射式光學系統為了避免光束遮攔在實現小F數時會造成系統體積過大。
綜上所述，確有必要提供一種超小F數且體積小的離軸紅外成像系統。
一種離軸兩反紅外成像系統，包括：一主反射鏡，該主反射鏡位於入射紅外光束的入射光路上，並反射入射紅外光束，形成第一反射光束；一次反射鏡，該次反射鏡位於主反射鏡的反射光路上，用於反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿過所述入射紅外光束後到達一像面；其中，以所述離軸兩反紅外成像系統的所在的空間定義一全域三維直角坐標系(X，Y，Z)、以所述主反射鏡所在的空間定義一第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')、以所述次反射鏡的所在的空間定義一第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")，所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述全域 三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Y軸負方向和Z軸正方向平移得到，所述第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Y軸正方向和Z軸負方向平移得到，所述主反射鏡和所述次反射鏡的反射面均為自由曲面，所述次反射鏡和所述像面分別位於入射紅外光束的兩側，所述離軸兩反紅外成像系統的焦距為120~160mm，F數為1.4~2.0。
相比于先前技術，本發明提供的離軸兩反紅外成像系統具有以下優點：其一，該成像系統僅使用兩個反射鏡，結構緊湊簡單、成本低廉，可以減少系統的體積、重量等；其二，可以同時實現超大焦距和超小F數的成像，成像性能優，在實現中遠距離觀測的同時能夠得到高解析度圖像。
100:離軸兩反紅外成像系統
102:主反射鏡
104:次反射鏡
106:像面
圖1為本發明實施例提供的離軸兩反紅外成像系統的光路圖。
圖2為本發明實施例提供的離軸兩反紅外成像系統的各視場的平均RMS波像差圖。
以下根據說明書附圖並結合具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細表述。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種離軸兩反紅外成像系統100。其中，該離軸兩反紅外成像系統100包括相鄰且間隔設置的一主反射鏡102、一次反射鏡104以及一像面106。其中，該主反射鏡102位於入射紅外光束的入射光路上，並反射入射紅外光束，形成一第一反射光束；該次反射鏡104位於主反射鏡102的反射光路上，用於反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束；該像面106位於所述次反射鏡104的反射光路上，用於接收所述第二反射光束。所述主反射鏡102和所述次反射鏡104的反射面的面型均為自由曲面。所述次反射鏡104和所述像面106分別位於所述入射紅外光束的兩側，所述第二反射光束穿過所述入射紅外光束後到達所述像面106。
所述離軸兩反紅外成像系統100工作時的光路如下：物位於無窮遠處，從物發出的紅外光束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束，該第一反射光束入射到所述 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束，最終所述第二反射光束到達像面106。該第二反射光束的光路與入射紅外光束的光路交叉且部分重疊，這樣可以充分利用空間，減少系統的體積。
為了描述方便，將所述離軸兩反紅外成像系統100所處的空間定義一全域三維直角坐標系(X，Y，Z)，將所述主反射鏡102所處的空間定義一第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，次反射鏡104所處的空間定義一第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")。本實施例中，所述離軸兩反成像系統100的入瞳位置的中心為所述全域三維直角坐標系的原點，請參閱圖1所示，通過入瞳中心的一條水準方向的直線為Z軸，向左為負向右為正，Y軸在圖1所示的平面內，垂直于Z軸向上為正向下為負，X軸垂直於YZ平面，垂直YZ平面向裡為正向外為負。
在所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，以所述主反射鏡102上的一點為原點定義一第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，主反射鏡102的反射面及其位置由該第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')描述。在所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，以所述次反射鏡104上的一點為原點定義一第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")，次反射鏡104的反射面及其位置由該第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")描述。
所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')及第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")的原點分別位於所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中不同的位置。所述第一局部坐標系(X'，Y'，Z')及第二局部坐標系(X"，Y"，Z")中的每個局部坐標系均可以看作是全域坐標系(X，Y，Z)先平移使得全域坐標系(X，Y，Z)的原點和局部坐標系的原點重合，然後繞著全域坐標系(X，Y，Z)的X軸旋轉得到的。
所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Y軸負方向和Z軸正方向平移得到，且平移的距離可依實際需要選擇設置。本實施例中，所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')由所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Y軸負方向平移約35mm，再沿Z軸正方向平移約75mm得到；所述第一局部三維直角坐標系的原點在所述全域三維直角坐標系中的座標為(0，-35，75)。
在所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')中，所述主反射鏡102的反射面為x'y'的多項式自由曲面，該x'y'多項式自由曲面的方程式可表達為：
Figure 109128984-A0305-02-0006-3
 其中，z'為曲面矢高，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。由於所述離軸兩反紅外成像系統100關於YZ平面對稱，因此，可以僅保留X的偶次項。優選的，所述主反射鏡102的反射面為一次數為7次的x'的偶次項的x'y'多項式自由曲面，該x'y'多項式自由曲面的方程式可表達為：
Figure 109128984-A0305-02-0006-4
需要注意地是，所述x'y'多項式自由曲面的最高次的次數並非僅限於7次，還可以為4次、5次、6次、8次或10次等，本領域技術人員可以根據實際情況優化設計得到。
本實施例中，所述主反射鏡102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，本領域技術人員可以根據實際需要調整。
Figure 109128984-A0305-02-0006-1
Figure 109128984-A0305-02-0007-12
在所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Y軸正方向和Z軸負方向平移得到，且平移的距離可依實際需要選擇設置。本實施例中，所述第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")由所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Y軸正方向平移約94mm，再沿Z軸負方向平移約33mm，最後以X'軸為旋轉軸逆時針旋轉100°得到；所述第二局部三維直角坐標系的原點在所述全域三維直角坐標系中的座標為(0，59，42)。
在所述第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")中，所述次反射鏡104的反射面為x"y"的多項式自由曲面，該x"y"多項式自由曲面的方程式可以表達為：
Figure 109128984-A0305-02-0007-6
 其中，z"為曲面矢高，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。由於所述離軸兩反紅外成像系統100關於Y"Z"平面對稱，因此，可以僅保留X"的偶次項。優選的，所述次反射鏡104的反射面 為一次數為8次的X"的偶次項的x"y"多項式自由曲面，該x"y"多項式自由曲面的方程式可表達為：
Figure 109128984-A0305-02-0008-7
需要注意地是，所述x"y"多項式自由曲面的最高次的次數並非僅限於8次，還可以為4次、5次、6次、7次或10次等，本領域技術人員可以根據實際情況優化設計得到。
本實施例中，所述次反射鏡104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，本領域技術人員可以根據實際需要調整。
Figure 109128984-A0305-02-0008-8
Figure 109128984-A0305-02-0009-9
所述主反射鏡102和次反射鏡104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和次反射鏡104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反射鏡102和次反射鏡104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。所述主反射鏡102和次反射鏡104的尺寸不限。
紅外光線入射後，經主反射鏡102反射後到達次反射鏡104，並經過所述次反射鏡104的反射後，被所述像面106接收到並成像。在全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述像面106沿所述Y軸負方向偏離所述次反射鏡104，且偏離量可依實際需要選擇設置。本實施例中，在全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述像面106沿Y軸負方向偏離所述次反射鏡104，偏離量為112mm，即所述像面106的中心與所述次反射鏡104所在的第二局部三維直角坐標系的原點沿Y軸負方向的距離約為112mm；所述像面106沿Z軸正方向偏離所述次反射鏡104，偏離量為1.5mm，即所述像面106的中心與所述次反射鏡104所在的第二局部三維直角坐標系的原點沿Z軸負方向的距離約為1.5mm；所述像面106與X"Y"平面沿順時針方向的角度約為1°；所述像面的中心在所述全域坐標系中的座標為(0，-53，43.5)。所述像面106的位置可以放置任意的光學成像元件，也可以作為另一個光學系統的入瞳。本實施例中，所述像面106的位置放置一紅外光探測器。
此外，該離軸兩反成像系統100還可以進一步包括一孔徑光闌，該孔徑光闌的位置不限，可以位於入瞳處、主反射鏡102上、次反射鏡104上或像面106處，也可以設置於入射光束的入射光路、主反射鏡102的反射光路或次反射鏡104的反射光路。該孔徑光闌的孔徑和形狀不限，具體可以根據實際需要選擇設置。本實施例中，所述孔經光闌設置於所述次反射鏡104上，所述孔經光闌為一圓形，其外邊緣與所述次反射鏡的外邊緣重合。
所述離軸兩反成像系統100的視場角、等效焦距及F數等參數可以依實際情況而設定得到。所述離軸兩反紅外成像系統100的視場角可以在2°×1.5°至3.2°×2.4°之間。本實施例中，所述離軸兩反紅外成像系統100的視場角為2.6°×1.95°。所述離軸兩反紅外成像系統100的等效焦距可以為120mm~160mm。所述離軸兩反紅外成像系統100的F數為1.4~2.0。本實施例中，所述離軸兩反紅外成像系統100的F數為1.5，相對孔徑大小D/f為所述F數的倒數，即，所述離軸兩反紅外成像系統100的相對孔徑大小D/f為0.667。當然，可以理解地，所述離軸兩反成像系統的參數的數值並不限於本實施例所列舉的數值，依據本發明而得到的參數的其它數值，也應在本發明所保護的範圍內。
所述離軸兩反紅外成像系統100的工作波段可以為長波紅外，具體地，工作波長範圍可以為8微米到12微米。當然，所述離軸兩反紅外成像系統100的工作波長並不限於本實施例，可以根據實際需要調整。
請參閱圖2，為所述離軸兩反紅外成像系統100的各視場的平均RMS波像差圖，平均值為0.063λ，其中λ=10000.0nm，說明該離軸兩反紅外成像系統100的成像品質很好。
本發明提供的離軸兩反紅外成像系統採用離軸兩反系統，僅使用兩個反射鏡，結構緊湊，可以減少系統的體積、重量；該離軸兩反紅外成像系統結構簡單，容易設計加工，易於批量生產；該離軸兩反紅外成像系統的F數較小，F數在1.4至2.0之間，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；該離軸兩反紅外成像系統的焦距長達150mm，可以在獲得高解析度圖像的同時實現中遠距離觀測。
本發明提供的離軸兩反紅外成像系統100應用領域涉及到對地觀測、空間目標探測、天文觀測、多光譜熱成像、立體測繪、航空航太、無人駕駛等。本發明提供的離軸兩反紅外成像系統100在紅外波段達到了衍射極限，可以在可見光下進行使用，也可以在紅外波段進行使用。
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:離軸兩反紅外成像系統
102:主反射鏡
104:次反射鏡
106:像面

Claims (9)

  1. 一种離軸两反红外成像系统，包括：一主反射鏡，該主反射鏡位於入射紅外光束的入射光路上，並反射入射紅外光束，形成第一反射光束；一次反射鏡，該次反射鏡位於主反射鏡的反射光路上，用於反射所述第一反射光束，形成一第二反射光束，所述第二反射光束穿過所述入射紅外光束後到達一像面；其中，以所述離軸兩反紅外成像系統的所在的空間定義一全域三維直角坐標系(X，Y，Z)、以所述主反射鏡所在的空間定義一第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')、以所述次反射鏡的所在的空間定義一第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")，所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述全域三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Y軸負方向和Z軸正方向平移得到，所述第二局部三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Y軸正方向和Z軸負方向平移得到，所述主反射鏡和所述次反射鏡的反射面均為自由曲面，所述次反射鏡和所述像面分別位於入射紅外光束的兩側，所述離軸兩反紅外成像系統的焦距為120~160mm，F數為1.4~2.0；在所述第一局部三維直角坐標系(X'，Y'，Z')中，所述主反射鏡的反射面為關於x'y'多項式的自由曲面，所述x'y'多項式的次數為7次，該x'y'多項式自由曲面的方程式可表達為：
    Figure 109128984-A0305-02-0012-10
     其中，z'為曲面矢高，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。
  2. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，所述主反射鏡和入瞳分別位於所述第二反射光束的兩側。
  3. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，所述第二反射光束的光路與所述入射光束的光路交叉且部分重疊。
  4. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，在全域三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述像面沿所述Y軸負方向偏離所述次反射鏡。
  5. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，曲率c'=0.322E-03，二次曲面係數20.941，各項係數為A3'=3.214，A4'=-0.618E-03，A6'=-2.519E-03，A8'=-1.491E-06，A10'=-0.181E-06，A11'=-2.829E-09，A13'=-6.741E-09，A15'=-2.357E-09，A17'=0.687E-10，A19'=2.839E-10，A21'=1.176E-10，A22'=-5.066E-13，A24'=-5.850E-12，A26'=-2.447E-12，A28'=-1.239E-12，A30'=-2.352E-14，A32'=9.761E-15，A34'=2.014E-14，A36'=1.414E-14。
  6. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，所述次反射鏡的反射面為x"y"的多項式自由曲面，所述x"y"多項式的次數為8次，該x"y"多項式自由曲面的方程式為：
    Figure 109128984-A0305-02-0013-11
     其中，z"為曲面矢高，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。
  7. 如請求項6所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，曲率c"=-1.670E-03，二次曲面係數k"=36.234，各項係數為A3"=-1.109，A4"=-5.044E-04，A6"=-8.106E-04，A8"=-4.466E-06，A10"=-5.927E-06，A11"=-3.167E-09，A13"=-0.917E-08，A15"=-2.097E-08，A17"=3.771E-10，A19"=8.039E-11，A21"=-0.569E-11，A22"=3.983E-12，A24"=7.944E-12，A26"=7.912E-12，A28"=2.305E-12，A30"=-4.284E-14，A32"=5.179E-14，A34"=6.282E-14，A36"=5.568E-14，A37"=-1.054E-16，A39"=-6.732E-16，A41"=9.577E-16，A43"=7.674E-16，A45"=5.732E-16。
  8. 如請求項1所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，所述離軸兩反紅外成像系統的視場角在2°×1.5°至3.2°×2.4°之間。
  9. 如請求項8所述的離軸兩反紅外成像系統，其中，所述離軸兩反紅外成像系統的視場角為2.6°×1.95°。
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