自由曲面反射式扫描系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种扫描系统，尤其涉及一种自由曲面反射式扫描系统。
【背景技术】
[0002] 扫描成像系统是指利用光束的扫描运动来计量物体的几何尺寸或者实现对物体 进行特定扫描的光学系统。对于现代扫描成像系统，光学系统视场与孔径更大，对像质、体 积、重量提出了更高的要求。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。自由曲面的结构灵活，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，减小系统体积与重量。
[0003] 现有的扫描系统较少采用自由曲面来设计，原因是自由曲面的变量较多，自由度 太大，系统的体积、重量与镜片数量等考虑因素很多，很难设计出结构简单、成本低廉且具 有较好成像效果的自由曲面扫描系统。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的自由曲 面反射式扫描系统。
[0005] -种自由曲面反射式扫描系统，其包括：一光源，用于输出一激光；一光阑，设置 在所述激光的出射光路上；一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，该第 一自由曲面反射镜用于将所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射镜 设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；该 第一自由曲面反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z)，所述光阑中心设置 在Z轴所在的直线上；该第二自由曲面反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X'， Y'，Z'），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)在YZ 平面内沿逆时针方向旋转90度得到，且该第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的坐标原点设 置在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的Y轴所在的直线上，所述第一自由曲面反射镜的 自由曲面为一 4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一 4次的x'y' 多项式曲面。
[0006] 与现有技术比较，本发明提供的自由曲面反射式扫描系统中，采用两个全反射的 自由曲面反射镜，使该自由曲面反射式扫描系统无色差,成像品质高；该自由曲面反射式扫 描系统中仅采用两个自由曲面反射镜，自由曲面反射镜数量较少，该自由曲面反射式扫描 系统具有结构简单且成本低廉等特点；该自由曲面反射镜使用的xy多项式曲面次数较低， 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反射式扫描系统的结构以及光路示意图。
[0008]图2为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的扫描范围示意图。
[0009] 图3为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的效果图。
[0010] 图4为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的扫描误差示意图。
[0011] 图5为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统部分视场角的调制传递函 数MTF曲线。
[0012] 图6为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的部分视场点列图。
[0013] 主要元件符号说明
【主权项】
1. 一种自由曲面反射式扫描系统，包括： 一光源，用于输出一激光； 一光阑，设置在所述激光的出射光路上； 一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，该第一自由曲面反射镜用于 将所述激光反射，形成一第一反射光； 以及一第二自由曲面反射镜设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光 二次反射，形成一第二反射光； 该第一自由曲面反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z)，所述光阑中 心设置在Z轴所在的直线上；该第二自由曲面反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标 系（X'，Y'，Z'），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)在YZ平面内沿逆时针方向旋转90度得到，且该第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'）的坐 标原点设置在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的Y轴所在的直线上，所述第一自由曲面 反射镜的自由曲面为一 4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一 4 次的x'y'多项式曲面。
2. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述激光与所述第一三维直角坐标系 (X，Y，Z)的Z轴形成一夹角0，其中，0°彡0彡8°。
3. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第一自由曲面反射镜的自由曲面 为一不使用X的奇次项的4次的xy多项式曲面，其解析形式为：
4. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面 为不使用X的奇次项的4次的x'y'多项式曲面，其解析形式为：
其中，曲率C'、二次曲面系数K'以及系数4'、4'、、'、~'、、'、4。'、42'以及44'分 别为：
5. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述光阑中心到所述第一三维直角坐 标系（X，Y，Z)原点的距离为113. 328_。
6. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系（X'，Y'，Z'） 原点到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)原点的距离为336. 649mm。
7. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，进一步包括一像面，该像面到所述光阑 中心沿所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)Z轴方向的距离为180mm。
8. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，在所述第一三维直角坐标系（X， Y，Z)中，所述第一自由曲面反射镜实际使用到的范围为-3mm 彡3mm，-3mm < 17.77337mm。
9. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，在所述第二三维直角坐标系（X'，Y'， Z'）中，所述第二自由曲面反射镜实际使用到的范围为-1.35205mm彡x'彡1.35205mm， 67. 95944mm彡y' 彡 78. 21945mm。
10. 如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，以所述光阑中心为原点建立一第三三 维直角坐标系（X''，Y''，Z''），在该第三三维直角坐标系（X''，Y''，Z''）中，扫描像高h 与视场角9的关系式为h(mm) =-80+5 0，其中视场角0的单位为度。
【专利摘要】本发明涉及一种自由曲面反射式扫描系统，包括：一光源；一光阑；一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射镜设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第一自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面。
【IPC分类】G02B26-10
【公开号】CN104714297
【申请号】CN201310665525
【发明人】杨通, 朱钧, 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6月17日
【申请日】2013年12月11日
【公告号】US20150160453