專利名稱：使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的大視場(chǎng)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)一般為長(zhǎng)條形線視場(chǎng)系統(tǒng)，即弧矢視場(chǎng)較大，子午視場(chǎng)較小，僅能在一個(gè)方向上獲得較大視場(chǎng)。隨著科技不斷發(fā)展，要求離軸三反光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)、寬畫幅成像。近年來(lái)，光學(xué)自由曲面的加工檢測(cè)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，使光學(xué)設(shè)計(jì)者在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用自由曲面成為可能。自由曲面光學(xué)元件可以不再具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，增加了優(yōu)化自由度，提升了光學(xué)系統(tǒng)的像差平衡能力。國(guó)內(nèi)外已有利用自由曲面設(shè)計(jì)光學(xué)照明、投影以及頭盔顯示系統(tǒng)的報(bào)道。申請(qǐng)?zhí)枮?00810189938.7、名稱為“無(wú)遮攔的三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種使用Zernike多項(xiàng)式自由曲面作為反射鏡的無(wú)遮攔三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)三塊反射鏡全部為自由曲面。雖然該系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的光學(xué)性能，但所有三塊反射鏡均使用自由曲面無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的制造難度，成本急劇增加。而且自由曲面制造誤差大，如果三塊反射鏡全部使用自由曲面，整個(gè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量很難達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)?！盎诠鈱W(xué)自由曲面的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)”(光學(xué)精密工程，2011年第19卷第12期，P28131820)給出了一種使用XY多項(xiàng)式自由曲面作為次反射鏡的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中主反射鏡、第三反射鏡為二次曲面，次反射鏡為XY多項(xiàng)式自由曲面，視場(chǎng)為11°，相對(duì)孔徑為1/9.5，焦距為4500mm。該系統(tǒng)雖然只使用了一個(gè)自由曲面，但該自由曲面是完全失對(duì)稱的，而制造完全失對(duì)稱的光學(xué)元件難度很大。上述使用Zernike多項(xiàng)式自由曲面的離軸三反專利結(jié)構(gòu)也存在這樣的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)缺 陷，本發(fā)明提出一種主反射鏡為自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，目的在于:在不增加反射鏡個(gè)數(shù)、系統(tǒng)成像質(zhì)量良好的前提下，盡量少地使用自由曲面元件，并且使用具有一定對(duì)稱性的自由曲面，增加離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角。本發(fā)明的技術(shù)方案如圖1所示:包括主反射鏡1、次反射鏡2、第三反射鏡3和孔徑光闌5。次反射鏡2位于主反射鏡I的反射光路上，第三反射鏡3位于次反射鏡2的反射光路上，孔徑光闌5的位置與次反射鏡2的位置重合。目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的光線7依次經(jīng)過(guò)主反射鏡1、次反射鏡2和第三反射鏡3反射后成像于像面4處。本光學(xué)系統(tǒng)以通過(guò)次反射鏡2的頂點(diǎn)的一條水平方向直線為參考軸6,規(guī)定參考軸6為z軸，由左向右為正，建立xyz右手空間直角坐標(biāo)系。y軸在圖1所示平面內(nèi)，垂直于z軸且以豎直向上為正，豎直向下為負(fù)。X軸垂直于yz平面，yz坐標(biāo)平面為光學(xué)系統(tǒng)的子午面。以通過(guò)各反射鏡頂點(diǎn)且垂直于yz平面的直線為各反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸，規(guī)定各反射鏡繞各自旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。主反射鏡I為關(guān)于子午面對(duì)稱的自由曲面，次反射鏡2為球面，第三反射鏡3為偶次非球面。本發(fā)明的積極效果:本發(fā)明提供的使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)僅使用一個(gè)自由曲面反射鏡，其余兩個(gè)反射鏡一個(gè)是球面，另一個(gè)是偶次非球面，這兩種面型的反射鏡的制造、檢測(cè)技術(shù)成熟，在保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的同時(shí)也有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的制造成本。所使用的自由曲面是一種關(guān)于子午面對(duì)稱的自由曲面，這也降低了該自由曲面的制造難度。該光學(xué)系統(tǒng)具有較大的矩形視場(chǎng)，能夠一次性獲得較大目標(biāo)區(qū)域的整幅圖像。


圖1為本發(fā)明所述使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的工作原理圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案提供的使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明按圖2所不的結(jié)構(gòu)實(shí)施。圖中,8為主反射鏡,9為次反射鏡，10為第三反射鏡，11為像面，12為孔徑光闌，13為參考軸，14為入射光線，主反射鏡8和第三反射鏡10的實(shí)線部分表示其各自的有效口徑。A為主反射鏡8的頂點(diǎn)，B為次反射鏡9的頂點(diǎn)，C為第三反射鏡10的頂點(diǎn)，D為像面11的中心點(diǎn)，LI為主反射鏡8的頂點(diǎn)A到次反射鏡9的頂點(diǎn)B的軸向距離，L2為次反射鏡9的頂點(diǎn)B到第三反射鏡10的頂點(diǎn)C的軸向距離，L3為第三反射鏡10的頂點(diǎn)C到像面11的中心D的軸向距離，DU D2、D3分別為主反射鏡8頂點(diǎn)A、第三反射鏡10頂點(diǎn)C和像面11中心D在y方向的偏離參考軸13的距離。該光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為:
像方焦距f ’:1000mm,
相對(duì)孔徑D/F:l/7，
視場(chǎng)角:20° X10°，
工作波段=0.4861微米 0.6563微米。該光學(xué)系統(tǒng)包括主反射鏡8、次反射鏡9、第三反射鏡10和孔徑光闌12，孔徑光闌12的位置和次反射鏡9的位置重合。主反射鏡8為Zernike多項(xiàng)式自由曲面。Zernike多項(xiàng)式自由曲面的方程為:
權(quán)利要求
1.一種使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，包括主反射鏡(I)、次反射鏡(2)、第三反射鏡(3)和孔徑光闌(5)，其特征在于:次反射鏡(2)位于主反射鏡(I)的反射光路上，第三反射鏡(3)位于次反射鏡(2)的反射光路上，孔徑光闌(5)的位置與次反射鏡(2)的位置重合，主反射鏡(I)為自由曲面，次反射鏡(2)為球面，第三反射鏡(3)為偶次非球面，入射光線(7)依次經(jīng)過(guò)主反射鏡(I)、次反射鏡(2)和第三反射鏡(3)反射后成像于像面(4)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:主反射鏡(I)是一種關(guān)于 子午面對(duì)稱的自由曲面。
全文摘要
一種使用自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)有使用自由曲面的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角小，所使用的完全失對(duì)稱的自由曲面反射鏡加工難度大。本發(fā)明是一種主反射鏡為自由曲面的寬幅離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括主反射鏡、次反射鏡、第三反射鏡和孔徑光闌，孔徑光闌的位置與次反射鏡的位置重合，入射光線經(jīng)過(guò)主反射鏡反射至次反射鏡，經(jīng)所述次反射鏡反射至第三反射鏡，再經(jīng)所述第三反射鏡反射后成像，主反射鏡為關(guān)于子午面對(duì)稱的自由曲面，次反射鏡為球面，第三反射鏡為偶次非球面。本發(fā)明僅使用一個(gè)關(guān)于子午面對(duì)稱的自由曲面，有利于降低系統(tǒng)的制造難度，同時(shí)，本發(fā)明具有較大的矩形視場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)寬幅成像。
文檔編號(hào)G02B17/06GK103246053SQ20131011986
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者崔慶豐, 朱浩, 楊亮亮 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)