自由曲面离轴三反光学系统的制作方法
自由曲面离轴三反光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，尤其涉及一种可以实现小F数、大 视场推扫成像的自由曲面离轴三反光学系统。
【背景技术】
[0002] 自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称 的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差， 减小系统的体积、重量与镜片数量，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前 景。由于自由曲面有非对称面并提供了更多的设计自由度，他们常被用在离轴非对称系统 中。
[0003] 然而，现有的自由曲面离轴三反光学系统主要适用于小视场角，大F数的线视场， 对于具有大视场角，小F数视场的应用范围受限。因此如果可以提出一种可以实现大视场， 小F数的自由曲面离轴三反光学系统系统，将非常有意义。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种可以实现大视场角，小F数的自由曲面离轴三反光 学系统。
[0005] -种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出 射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定 义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z);-次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射 光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，该次反射镜为一光阑面，以 所述次反射镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），且该第二三维直 角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)沿Z轴反方向平移得到；一第 三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次 反射，形成一第三反射光，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标 系（X' '，Y' '，Z' '），且该第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）为所述第二三维直角坐标系 (X'，Y'，Z'）沿Z轴方向平移得到；以及一图像传感器，该图像传感器位于所述第三反射镜 的反射光路上，用于接收所述第三反射光；所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射 面分别为关于xy、x'y'以及x''y''的6次多项式自由曲面。
[0006] 与现有技术比较，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统可以实现较小F数、 较大视场的成像，且成像质量良好，其中，F数可达1.3,视场角可达到24° X0. 07° ;该自 由曲面反射镜使用的xy多项式自由曲面的次数较低，比较容易加工，易于批量生产。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。
[0008] 图2为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的立体结构示意图。
[0009] 图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的结构示意图。
[0010] 图4为本发明实施例一提供的自由曲面离轴三反光学系统在可见光波段下部分 视场角的调制传递函数MTF曲线。
[0011] 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0012] 下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100 做进一步的详细说明。
[0013] 请参阅图1-3,本发明实施例提供一种自由曲面离轴三反光学系统100,包括：一 主反射镜102、一次反射镜104、一第三反射镜106以及一图像传感器108。所述次反射镜 104位于主反射镜102的反射光路上，所述第三反射镜106位于次反射镜104的反射光路 上，所述图像传感器108位于第三反射镜106的反射光路上。所述主反射镜102、次反射镜 104、以及第三反射镜106的反射面均为自由曲面，且所述次反射镜104的反射面为一光阑 面。
[0014] 所述自由曲面离轴三反光学系统100工作时的光路如下：光线首先入射到所述主 反射镜102的反射面上，经该主反射镜102的反射面反射后形成一第一反射光，该第一反射 光入射到所述次反射镜104的反射面上，经该次反射镜104的反射面反射后形成一第二反 射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜106的反射面上，经该第三反射镜106的反射面 反射后形成一第三反射光被所述图像传感器108接收到。
[0015] 为了描述方便，将所述主反射镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X， Y，Z)、次反射镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）、第三反射镜106 所处的空间定义一第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）。
[0016] 所述主反射镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的原点，通过主反 射镜102顶点的一条水平方向的直线为Z轴，向左为负向右为正，Y轴在图1所示的平面内， 垂直于Z轴向上为正向下为负，X轴垂直于YZ平面，垂直YZ平面向里为正向外为负。
[0017] 在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)中，所述主反射镜102的反射面为xy的多项 式自由曲面，该xy多项式曲面的一般表达式为：
其中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。 由于所述自由曲面离轴三反光学系统1〇〇关于YZ平面对称，因此，可以仅保留X的偶次项。 同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述主反射镜102的反射面采用最高次 为6次的x的偶次项的xy多项式自由曲面，该xy多项式的方程式可表达为：
本实施例中，所述主反射镜102反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各 项系数A的值请参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数化的值也不 限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0018] 表1主反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)沿Z轴反 方向平移约139. 873_，所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点为所述次反射镜的顶 点。即本实施例中所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的原点到所述第二三维直角坐标系 (X'，Y'，Z'）的原点的距离约为139. 873_。
[0019]在所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）中，所述次反射镜104的反射面为x' y' 的多项式自由曲面，该x'y'多项式曲面的一般表达式为：
其中，z'为曲面矢量高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A/是多项式中第i项的 系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统1〇〇关于Y'Z'平面对称，因此，可以仅保留X' 的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述次反射镜104的反射面 采用最高次为6次的X'的偶次项的x'y'多项式自由曲面，该x'y'多项式的方程式可表达 为：
本实施例中，所述次反射镜104反射面的x'y'多项式中曲率c'、二次曲面系数k'以 及各项系数A/的值请参见表2。可以理解，曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数A/ 的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0020] 表2次反射镜的反射面的x' y'多项式中的各系数的值_
所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）为所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）沿 Z'轴反方向平移约84. 992mm，且所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的原点为所述 第三反射镜的顶点。即本实施例中所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点到所述第 三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的原点的距离约为84. 992mm。
[0021] 在所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）中，所述第三反射镜106的反射面为 x''y''的多项式自由曲面，该x''y''多项式曲面的一般表达式为：
其中，z''为曲面矢量高，c''为曲面曲率，k''为二次曲面系数，A/'是多项式中第i 项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100 关于Y''Z''平面对称，因此，可以仅 保留x''的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述次反射镜104 的反射面也采用最高次为6次的x''的偶次项的x''y''多项式自由曲面，该x''y''多项 式的方程式可表达为 ：
本实施例中，所述第三反射镜106反射面面形的x' ' y' '多项式中曲率c' '、二次曲面系 数k''以及各项系数A/'的值请参见表3。可以理解，曲率c''、二次曲面系数k''以及 各项系数A/ '的值也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0022] 表3第三反射镜的反射面的x''y''多项式中的各系数的值
所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的材料不限，只要保证其具有较高 的反射率即可。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106可选用铝、铜等金属材 料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主反射镜102、次反 射镜104和第三反射镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金 膜。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的形状和尺寸不限。
[0023] 所述图像传感器108可为一 (XD或一 CMOS,本实施例中，所述图像传感器108为一 面阵(XD，所述面阵C⑶的尺寸为13. 3毫米X 15毫米。所述图像传感器108平行于所述第 三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面，且该图像传感器108到所述第三三维直 角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面的距离约为85. 414mm。
[0024] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效入瞳直径为72毫米。
[0025] 所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106本身均没有旋转角度，而 是在Y轴方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角为 24° X0. 07°，其中，在X轴方向的角度为-12°至12°，在Y轴方向的角度为-9.965° 至-10. 035°。
[0026] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为350纳米到770纳米。当 然，所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长并不限于本实施例，本领域技术人员 可以根据实际需要调整。
[0027] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效焦距为94. 09mm。
[0028] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的相对孔径大小D/f为0. 769, F数为所述相 对孔径大小D/f的倒数，即F数为1. 3。
[0029] 请参阅图4,为自由曲面离轴三反光学系统100在在可见光波段下部分视场角的 调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都达到了衍射极限，表明该自由曲面 离轴三反光学系统100具有很高的成像质量。
[0030] 本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100采用离轴三反光学系统，该 系统相比于同轴反射光学系统具有更大的视场角，进而使该系统有较大的视场，成像范围 较大；三个反射镜的反射面的面形均采用自由曲面，相对于球面或非球面系统具有更多的 可控制变量，更有利于校正像差，获得更好的像质；所述自由曲面离轴三反光学系统100的 F数较小，相对孔径较大，可以使更多的光进入系统，使该系统具有更高的输入能量与极限 分辨率；该系统中的自由曲面反射镜均使用的多项式曲面次数较低，比较容易加工，易于批 量生产。
【主权项】
1. 一种自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，包括： 一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一 反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z); 一次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光 二次反射，形成一第二反射光，该次反射镜为一光阑面，以所述次反射镜的顶点为第二原点 定义一第二三维直角坐标系（X'，Υ'，Ζ'），且该第二三维直角坐标系（X'，Υ'，Ζ'）为所述第 一三维直角坐标系（X，Υ，Ζ)沿Z轴反方向平移得到； 一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反 射光再次反射，形成一第三反射光，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维 直角坐标系（X' '，Υ' '，Ζ' '），且该第三三维直角坐标系（X' '，Υ' '，Ζ' '）为所述第二三维直 角坐标系（X'，Υ'，Ζ'）沿Z轴方向平移得到；以及 一图像传感器，该图像传感器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三 反射光； 所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射面分别为关于xy、x'y'以及x''y''的 6次多项式自由曲面。2. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述主反射镜的反 射面为含有X偶次项的6次xy多项式曲面，该xy多项式曲面的方程式为：其中，曲率c、二次曲面系数κ以及各项系数Ai的值分别为：3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述次反射镜反射 面为含有X'偶次项6次x'y'多项式曲面，该x'y'多项式曲面方程式为：其中，曲率c'、二次曲面系数κ '以及各项系数A/的值分别为：4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第三反射镜反 射面为含有X''偶次项的6次x''y''多项式曲面，该x''y''多项式方程式为：其中，曲率c''、二次曲面系数κ''以及各项系数A/'的值分别为：5. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角 坐标系（X'，Y'，Z'）的第二原点到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的第一原点的距离为 139. 873mm。6. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角 坐标系（X'，Y'，Z'）的第二原点到所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的第三原点的 距离为84. 992mm。7. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述图像传感器到 所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面的距离为85. 414mm。8. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的等效入瞳直径为72毫米。9. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的视场角为24° X0.0 7°。10. 如权利要求9所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的视场角在X轴方向为-12°到12°，在Y轴方向为-9. 965°到-10. 035°。11. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 二反光学系统的等效焦距为94. 09晕米。12. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的相对孔径为〇. 769, F数为1. 3。
【专利摘要】本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，设置在光线的出射光路上；一次反射镜，设置在所述主反射镜的反射光路上；一第三反射镜，设置在所述次反射镜的反射光路上；以及一图像传感器，设置在所述第三反射镜的反射光路上，以主反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系；以次反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系，该第二三维直角坐标系为所述第一三维直角坐标系沿Z轴反方向平移得到；以及以第三反射镜所处的空间定义一第三三维直角坐标系，该第三三维直角坐标系为所述第二三维直角坐标系沿Z轴方向平移得到，所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次的xy多项式自由曲面。
【IPC分类】G02B17/06
【公开号】CN104898261
【申请号】CN201410077774
【发明人】朱钧, 杨通, 金国藩, 范守善
【申请人】清华大学, 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月5日
【公告号】US20150253552
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，尤其涉及一种可以实现小F数、大 视场推扫成像的自由曲面离轴三反光学系统。
【背景技术】
[0002] 自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称 的，结构灵活，变量较多，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差， 减小系统的体积、重量与镜片数量，可以满足现代成像系统的需要，有着广阔的发展应用前 景。由于自由曲面有非对称面并提供了更多的设计自由度，他们常被用在离轴非对称系统 中。
[0003] 然而，现有的自由曲面离轴三反光学系统主要适用于小视场角，大F数的线视场， 对于具有大视场角，小F数视场的应用范围受限。因此如果可以提出一种可以实现大视场， 小F数的自由曲面离轴三反光学系统系统，将非常有意义。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种可以实现大视场角，小F数的自由曲面离轴三反光 学系统。
[0005] -种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出 射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定 义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z);-次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射 光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，该次反射镜为一光阑面，以 所述次反射镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'），且该第二三维直 角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)沿Z轴反方向平移得到；一第 三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次 反射，形成一第三反射光，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标 系（X' '，Y' '，Z' '），且该第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）为所述第二三维直角坐标系 (X'，Y'，Z'）沿Z轴方向平移得到；以及一图像传感器，该图像传感器位于所述第三反射镜 的反射光路上，用于接收所述第三反射光；所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射 面分别为关于xy、x'y'以及x''y''的6次多项式自由曲面。
[0006] 与现有技术比较，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统可以实现较小F数、 较大视场的成像，且成像质量良好，其中，F数可达1.3,视场角可达到24° X0. 07° ;该自 由曲面反射镜使用的xy多项式自由曲面的次数较低，比较容易加工，易于批量生产。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。
[0008] 图2为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的立体结构示意图。
[0009] 图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统的结构示意图。
[0010] 图4为本发明实施例一提供的自由曲面离轴三反光学系统在可见光波段下部分 视场角的调制传递函数MTF曲线。
[0011] 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0012] 下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100 做进一步的详细说明。
[0013] 请参阅图1-3,本发明实施例提供一种自由曲面离轴三反光学系统100,包括：一 主反射镜102、一次反射镜104、一第三反射镜106以及一图像传感器108。所述次反射镜 104位于主反射镜102的反射光路上，所述第三反射镜106位于次反射镜104的反射光路 上，所述图像传感器108位于第三反射镜106的反射光路上。所述主反射镜102、次反射镜 104、以及第三反射镜106的反射面均为自由曲面，且所述次反射镜104的反射面为一光阑 面。
[0014] 所述自由曲面离轴三反光学系统100工作时的光路如下：光线首先入射到所述主 反射镜102的反射面上，经该主反射镜102的反射面反射后形成一第一反射光，该第一反射 光入射到所述次反射镜104的反射面上，经该次反射镜104的反射面反射后形成一第二反 射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜106的反射面上，经该第三反射镜106的反射面 反射后形成一第三反射光被所述图像传感器108接收到。
[0015] 为了描述方便，将所述主反射镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X， Y，Z)、次反射镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）、第三反射镜106 所处的空间定义一第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）。
[0016] 所述主反射镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的原点，通过主反 射镜102顶点的一条水平方向的直线为Z轴，向左为负向右为正，Y轴在图1所示的平面内， 垂直于Z轴向上为正向下为负，X轴垂直于YZ平面，垂直YZ平面向里为正向外为负。
[0017] 在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)中，所述主反射镜102的反射面为xy的多项 式自由曲面，该xy多项式曲面的一般表达式为：
其中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。 由于所述自由曲面离轴三反光学系统1〇〇关于YZ平面对称，因此，可以仅保留X的偶次项。 同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述主反射镜102的反射面采用最高次 为6次的x的偶次项的xy多项式自由曲面，该xy多项式的方程式可表达为：
本实施例中，所述主反射镜102反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各 项系数A的值请参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数化的值也不 限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0018] 表1主反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)沿Z轴反 方向平移约139. 873_，所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点为所述次反射镜的顶 点。即本实施例中所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的原点到所述第二三维直角坐标系 (X'，Y'，Z'）的原点的距离约为139. 873_。
[0019]在所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）中，所述次反射镜104的反射面为x' y' 的多项式自由曲面，该x'y'多项式曲面的一般表达式为：
其中，z'为曲面矢量高，c'为曲面曲率，k'为二次曲面系数，A/是多项式中第i项的 系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统1〇〇关于Y'Z'平面对称，因此，可以仅保留X' 的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述次反射镜104的反射面 采用最高次为6次的X'的偶次项的x'y'多项式自由曲面，该x'y'多项式的方程式可表达 为：
本实施例中，所述次反射镜104反射面的x'y'多项式中曲率c'、二次曲面系数k'以 及各项系数A/的值请参见表2。可以理解，曲率c'、二次曲面系数k'以及各项系数A/ 的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0020] 表2次反射镜的反射面的x' y'多项式中的各系数的值_
所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）为所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）沿 Z'轴反方向平移约84. 992mm，且所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的原点为所述 第三反射镜的顶点。即本实施例中所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的原点到所述第 三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的原点的距离约为84. 992mm。
[0021] 在所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）中，所述第三反射镜106的反射面为 x''y''的多项式自由曲面，该x''y''多项式曲面的一般表达式为：
其中，z''为曲面矢量高，c''为曲面曲率，k''为二次曲面系数，A/'是多项式中第i 项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100 关于Y''Z''平面对称，因此，可以仅 保留x''的偶次项。同时，由于高次项会增加系统的加工难度。优选的，所述次反射镜104 的反射面也采用最高次为6次的x''的偶次项的x''y''多项式自由曲面，该x''y''多项 式的方程式可表达为 ：
本实施例中，所述第三反射镜106反射面面形的x' ' y' '多项式中曲率c' '、二次曲面系 数k''以及各项系数A/'的值请参见表3。可以理解，曲率c''、二次曲面系数k''以及 各项系数A/ '的值也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
[0022] 表3第三反射镜的反射面的x''y''多项式中的各系数的值
所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的材料不限，只要保证其具有较高 的反射率即可。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106可选用铝、铜等金属材 料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主反射镜102、次反 射镜104和第三反射镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金 膜。所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的形状和尺寸不限。
[0023] 所述图像传感器108可为一 (XD或一 CMOS,本实施例中，所述图像传感器108为一 面阵(XD，所述面阵C⑶的尺寸为13. 3毫米X 15毫米。所述图像传感器108平行于所述第 三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面，且该图像传感器108到所述第三三维直 角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面的距离约为85. 414mm。
[0024] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效入瞳直径为72毫米。
[0025] 所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106本身均没有旋转角度，而 是在Y轴方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角为 24° X0. 07°，其中，在X轴方向的角度为-12°至12°，在Y轴方向的角度为-9.965° 至-10. 035°。
[0026] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为350纳米到770纳米。当 然，所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长并不限于本实施例，本领域技术人员 可以根据实际需要调整。
[0027] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效焦距为94. 09mm。
[0028] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的相对孔径大小D/f为0. 769, F数为所述相 对孔径大小D/f的倒数，即F数为1. 3。
[0029] 请参阅图4,为自由曲面离轴三反光学系统100在在可见光波段下部分视场角的 调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都达到了衍射极限，表明该自由曲面 离轴三反光学系统100具有很高的成像质量。
[0030] 本发明实施例提供的自由曲面离轴三反光学系统100采用离轴三反光学系统，该 系统相比于同轴反射光学系统具有更大的视场角，进而使该系统有较大的视场，成像范围 较大；三个反射镜的反射面的面形均采用自由曲面，相对于球面或非球面系统具有更多的 可控制变量，更有利于校正像差，获得更好的像质；所述自由曲面离轴三反光学系统100的 F数较小，相对孔径较大，可以使更多的光进入系统，使该系统具有更高的输入能量与极限 分辨率；该系统中的自由曲面反射镜均使用的多项式曲面次数较低，比较容易加工，易于批 量生产。
【主权项】
1. 一种自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，包括： 一主反射镜，该主反射镜设置在光线的出射光路上，用于将所述光线反射，形成一第一 反射光，以所述主反射镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z); 一次反射镜，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光 二次反射，形成一第二反射光，该次反射镜为一光阑面，以所述次反射镜的顶点为第二原点 定义一第二三维直角坐标系（X'，Υ'，Ζ'），且该第二三维直角坐标系（X'，Υ'，Ζ'）为所述第 一三维直角坐标系（X，Υ，Ζ)沿Z轴反方向平移得到； 一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反 射光再次反射，形成一第三反射光，以所述第三反射镜的顶点为第三原点定义一第三三维 直角坐标系（X' '，Υ' '，Ζ' '），且该第三三维直角坐标系（X' '，Υ' '，Ζ' '）为所述第二三维直 角坐标系（X'，Υ'，Ζ'）沿Z轴方向平移得到；以及 一图像传感器，该图像传感器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三 反射光； 所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射面分别为关于xy、x'y'以及x''y''的 6次多项式自由曲面。2. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述主反射镜的反 射面为含有X偶次项的6次xy多项式曲面，该xy多项式曲面的方程式为：其中，曲率c、二次曲面系数κ以及各项系数Ai的值分别为：3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述次反射镜反射 面为含有X'偶次项6次x'y'多项式曲面，该x'y'多项式曲面方程式为：其中，曲率c'、二次曲面系数κ '以及各项系数A/的值分别为：4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第三反射镜反 射面为含有X''偶次项的6次x''y''多项式曲面，该x''y''多项式方程式为：其中，曲率c''、二次曲面系数κ''以及各项系数A/'的值分别为：5. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角 坐标系（X'，Y'，Z'）的第二原点到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的第一原点的距离为 139. 873mm。6. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述第二三维直角 坐标系（X'，Y'，Z'）的第二原点到所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的第三原点的 距离为84. 992mm。7. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述图像传感器到 所述第三三维直角坐标系（X' '，Y' '，Z' '）的Y' ' X' '平面的距离为85. 414mm。8. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的等效入瞳直径为72毫米。9. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的视场角为24° X0.0 7°。10. 如权利要求9所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的视场角在X轴方向为-12°到12°，在Y轴方向为-9. 965°到-10. 035°。11. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 二反光学系统的等效焦距为94. 09晕米。12. 如权利要求1所述的自由曲面离轴三反光学系统，其特征在于，所述自由曲面离轴 三反光学系统的相对孔径为〇. 769, F数为1. 3。
【专利摘要】本发明涉及一种自由曲面离轴三反光学系统，包括：一主反射镜，设置在光线的出射光路上；一次反射镜，设置在所述主反射镜的反射光路上；一第三反射镜，设置在所述次反射镜的反射光路上；以及一图像传感器，设置在所述第三反射镜的反射光路上，以主反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系；以次反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系，该第二三维直角坐标系为所述第一三维直角坐标系沿Z轴反方向平移得到；以及以第三反射镜所处的空间定义一第三三维直角坐标系，该第三三维直角坐标系为所述第二三维直角坐标系沿Z轴方向平移得到，所述主反射镜、次反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次的xy多项式自由曲面。
【IPC分类】G02B17/06
【公开号】CN104898261
【申请号】CN201410077774
【发明人】朱钧, 杨通, 金国藩, 范守善
【申请人】清华大学, 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月5日
【公告号】US20150253552
最新回复(0)