自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自由曲面是指無法用球面或非球面系數(shù)來表示的非傳統(tǒng)曲面，通常是非回轉(zhuǎn)對(duì)稱 的，結(jié)構(gòu)靈活，變量較多，為光學(xué)設(shè)計(jì)提供了更多的自由度，可以大大降低光學(xué)系統(tǒng)的像差， 減小系統(tǒng)的體積、重量與鏡片數(shù)量，可以滿足現(xiàn)代成像系統(tǒng)的需要，有著廣闊的發(fā)展應(yīng)用前 景。由于自由曲面有非對(duì)稱面并提供了更多的設(shè)計(jì)自由度，他們常被用在離軸非對(duì)稱系統(tǒng) 中。
[0003] 然而，現(xiàn)有的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)主要針對(duì)線視場(chǎng)，成像范圍較小，而且三 個(gè)曲面均為自由曲面，且主反射鏡與第三反射鏡分離，加工與裝調(diào)難度相當(dāng)大，不易于實(shí) 現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，確有必要提供一種可以實(shí)現(xiàn)成像范圍較大，且易于加工裝調(diào)的的自由 曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。
[0005] -種自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，包括：一主反射鏡，該主反射鏡設(shè)置在光線的出 射光路上，用于將所述光線反射，形成一第一反射光，以所述主反射鏡的頂點(diǎn)為第一原點(diǎn)定 義一第一三維直角坐標(biāo)系（Χ，γ，ζ);-次反射鏡，該次反射鏡設(shè)置在所述主反射鏡的反射 光路上，用于將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，該次反射鏡為一光闌面，以 所述次反射鏡的頂點(diǎn)為第二原點(diǎn)定義一第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Υ'，ζ'），且該第二三維直 角坐標(biāo)系（X'，Υ'，Ζ'）為所述第一三維直角坐標(biāo)系（Χ，Υ，Ζ)沿Ζ軸反方向平移得到；一第 三反射鏡，該第三反射鏡設(shè)置在所述次反射鏡的反射光路上，用于將所述第二反射光再次 反射，形成一第三反射光，以所述第三反射鏡的頂點(diǎn)為第三原點(diǎn)定義一第三三維直角坐標(biāo) 系（X' '，Υ' '，Ζ' '），且該第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Υ' '，Ζ' '）為所述第二三維直角坐標(biāo)系 (X'，Υ'，Ζ'）沿Ζ軸方向平移得到；以及一探測(cè)器，該探測(cè)器位于所述第三反射鏡的反射光 路上，用于接收所述第三反射光并成像；所述主反射鏡的反射面以及所述第三反射鏡的反 射面分別為一 5次的xy多項(xiàng)式、X' 'y' '多項(xiàng)式的自由曲面；所述次反射鏡的反射面為一平 面。
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明提供的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)具有較大矩形視場(chǎng)， 成像范圍較大；該自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的主反射鏡與第三反射鏡空間位置近似連續(xù) 相切，有利于將其加工在一塊元件上，從而有利于系統(tǒng)的加工和裝調(diào)；該自由曲面離軸三反 光學(xué)系統(tǒng)的次反射鏡采用一個(gè)平面鏡轉(zhuǎn)折光路，大大降低裝調(diào)難度，使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖。
[0009] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)波紅外波段下部分 視場(chǎng)角的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線。
[0010] 主要元件符號(hào)說明
如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)做進(jìn) 一步的詳細(xì)說明。
[0012] 請(qǐng)參閱圖1-2,本發(fā)明實(shí)施例提供一種自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)100,包括：一 主反射鏡102、一次反射鏡104、一第三反射鏡106以及一探測(cè)器108。所述次反射鏡104位 于主反射鏡102的反射光路上，所述第三反射鏡106位于次反射鏡104的反射光路上，所述 探測(cè)器108位于第三反射鏡106的反射光路上。所述主反射鏡102以及第三反射鏡106的 反射面均為自由曲面，且所述次反射鏡104的反射面為一光闌面。所述次反射鏡104的反 射面為一平面。
[0013] 所述自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)100工作時(shí)的光路如下：光線首先入射到所述主 反射鏡102的反射面上，經(jīng)該主反射鏡102的反射面反射后形成一第一反射光，該第一反射 光入射到所述次反射鏡104的反射面上，經(jīng)該次反射鏡104的反射面反射后形成一第二反 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(jīng)該第三反射鏡106的反射面 反射后形成一第三反射光被所述探測(cè)器108接收到并成像。
[0014] 為了描述方便，將所述主反射鏡102所處的空間定義一第一三維直角坐標(biāo)系（X， Y，Z)、次反射鏡104所處的空間定義一第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Y'，Z'）、第三反射鏡106 所處的空間定義一第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Y' '，Z' '）。
[0015] 所述主反射鏡102的頂點(diǎn)為所述第一三維直角坐標(biāo)系（X，Y，Z)的原點(diǎn)，通過主反 射鏡102頂點(diǎn)的一條水平方向的直線為Z軸，向左為負(fù)向右為正，Y軸在圖1所示的平面內(nèi)， 垂直于Z軸向上為正向下為負(fù)，X軸垂直于YZ平面，垂直YZ平面向里為正向外為負(fù)。
[0016] 在所述第一三維直角坐標(biāo)系（X，Y，Z)中，所述主反射鏡102的反射面為xy的多項(xiàng) 式自由曲面，該xy多項(xiàng)式曲面的一般表達(dá)式為：
其中，z為曲面矢高，c為曲面曲率，k為二次曲面系數(shù)，~是多項(xiàng)式中第i項(xiàng)的系數(shù)。 由于所述自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)100關(guān)于YZ平面對(duì)稱，因此，可以僅保留X的偶次項(xiàng)。 同時(shí)，由于高次項(xiàng)會(huì)增加系統(tǒng)的加工難度。優(yōu)選的，所述主反射鏡102的反射面采用最高次 為5次的x的偶次項(xiàng)的xy多項(xiàng)式自由曲面，該xy多項(xiàng)式的方程式可表達(dá)為：
[0017] 本實(shí)施例中，所述主反射鏡102反射面的xy多項(xiàng)式中曲率c、二次曲面系數(shù)k以及 各項(xiàng)系數(shù)4的值請(qǐng)參見表1?？梢岳斫猓蔯、二次曲面系數(shù)k以及各項(xiàng)系數(shù)&的值也不 限于表1中所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。
[0018] 表1主反射鏡的反射面的xy多項(xiàng)式中的各系數(shù)的值
所述第二_三維直角坐標(biāo)系（X'，Y'，Z'）為所述第i三維直角坐標(biāo)系（X，Y，Z)沿Z軸反 方向平移約127. 722_，所述第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Y'，Z'）的原點(diǎn)為所述次反射鏡的頂 點(diǎn)。即本實(shí)施例中所述第一三維直角坐標(biāo)系（X，Y，Z)的原點(diǎn)到所述第二三維直角坐標(biāo)系 (X'，Y'，Z'）的原點(diǎn)的距離約為127. 722_。
[0019] 所述次反射鏡104為一平面鏡。在所述第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Y'，Z'）中，所述 次反射鏡104與X'Y'平面沿逆時(shí)針方向的角度約為24. 780°。
[0020] 所述第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Υ' '，Ζ' '）為所述第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Υ'， Ζ'）沿Ζ'軸方向平移約121. 183mm，且所述第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Υ' '，Ζ' '）的原點(diǎn)為 所述第三反射鏡的頂點(diǎn)。即本實(shí)施例中所述第二三維直角坐標(biāo)系（X'，Y'，Z'）的原點(diǎn)到所 述第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Υ' '，Ζ' '）的原點(diǎn)的距離約為121. 183mm。
[0021] 在所述第三三維直角坐標(biāo)系（X' '，Y' '，Z' '）中，所述第三反射鏡106的反射面為 x''y''的多項(xiàng)式自由曲面，該x''y''
多項(xiàng)式曲面的一般表達(dá)式為： 其中，z''為曲面矢高，c''為曲面曲率，k''為二次曲面系數(shù)，A/'是多項(xiàng)式中第i項(xiàng) 的系數(shù)。由于所述自由曲面離軸三反光學(xué)系統(tǒng)100關(guān)于Y''Z''平面對(duì)稱，因此，可以僅保 留X