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。而且离轴自由曲面系统的加工装调十分 复杂。因此如果可以提供一种可以实现大视场，小F数，且加工装调简单的自由曲面离轴三 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，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，且该第二三维直角坐标系为 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，且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；以及一探测器，该探测器位于所述第三 反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光；在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)中， 所述主反射镜的反射面；在所述第二三维直角坐标系中，所述次反射镜的反射面；以及在 所述第三三维直角坐标系中，所述第三反射镜的反射面均为一 5次的xy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1.48,视场角可达到8° X9° ;该自由曲 面离轴三反光学系统的主反射镜与第三反射镜在Z轴方向的位置非常接近且近似连续，有 利于将其加工在一块元件上，从而有利于系统的加工和装调；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为本发明实施例一提供的自由曲面离轴三反光学系统的结构示意图。
[0008] 图2为本发明实施例一提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。
[0009] 图3为本发明实施例一提供的自由曲面离轴三反光学系统在长波红外波段下部 分视场角的调制传递函数MTF曲线。
[0010] 图4为本发明实施例二提供的自由曲面离轴三反光学系统的结构示意图。
[0011] 图5为本发明实施例二提供的自由曲面离轴三反光学系统的光路示意图。
[0012] 图6为本发明实施例二提供的自由曲面离轴三反光学系统在长波红外波段下部 分视场角的调制传递函数MTF曲线。
[0013] 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】
[0014] 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做进 一步的详细说明。
[0015] 请参阅图1-2,本发明第一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,以及一探测器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，所述探测器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均为自由曲面，且所述次反射镜104的反射面为一光阑面。
[0016] 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探测器108接收到。
[0017] 为了描述方便，本实施例一中，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、第三反射镜 106所处的空间定义一第三三维直角坐标系。
[0018] 规定所述主反射镜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。所述第二三维直角坐标系为将所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)沿Z轴反方向平移约 164. 115mm获得，该第二三维直角坐标系的原点为所述次反射镜104的顶点。所述第三三维 直角坐标系为将所述第二三维直角坐标系沿Z轴方向平移约166. 115mm获得，且该第三三 维直角坐标系的原点为所述第三反射镜106的顶点。即，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的原点的距离约为164. 115mm，且所述第三三维直角坐 标系的原点到所述第二三维直角坐标系的原点的距离约为166. 115mm。
[0019] 所述主反射镜102、次反射镜104以及第三反射镜106的反射面在其所在坐标系 下，均为xy多项式自由曲面，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，自由曲面可以仅保留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、次反射镜104以 及第三反射境106的反射面均采用含有x的偶次项的最高次为5次的xy多项式自由曲面， 该xy多项式的方程式可表达为：
所述主反射镜102、次反射镜104、以及第三反射镜106反射面的xy多项式中曲率c、二 次曲面系数k以及各项系数的值请分别参见表1、表2和表3。可以理解，曲率c、二次曲面 系数k以及各项系数的值也不限于表1-表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要 调整。
[0020] 表1主反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
表2次反射镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
表3第三反射镜的反射面的xy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。
[0021] 所述探测器108的尺寸为13. 3毫米X 15毫米。所述探测器108平行于所述第 三三维直角坐标系的YX平面，且该探测器108到所述第三三维直角坐标系的YX平面的距 离约为 162. 385mm。
[0022] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效入瞳直径为64毫米。
[0023] 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8° X9°， 其中，在X轴方向的角度为-4°至4°，在Y轴方向的角度为-10°至-19°。
[0024] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的等效焦距为94. 71mm。
[0025] 所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为8 y m到12 y m。当然，所 述自由曲面离轴三反光学系统1〇〇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。
[0026] 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0.676, F数为相对孔 径大小D/f的倒数，即F数为1. 48。
[0027] 请参阅图3,为自由曲面离轴三反光学系统100在长波红外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1〇〇具有很高的成像质量。
[0028] 请参阅图4-5,本发明第二实施例提供一种自由曲面离轴三反光学系统200,包 括：一主反射镜202、一次反射镜204、一第三反射镜206,以及一探测器208。所述次反射镜 204位于主反射镜202的反射光路上，所述第三反射镜206位于次反射镜204的反射光路 上，所述探测器208位于第三反射镜206的反射光路上。所述主反射镜202、次反射镜204、 以及第三反射镜206均为自由曲面，且所述次反射镜204的反射面为一光阑面。
[0029] 所述自由曲面离轴三反光学系统200工作时的光路如下：光线首先入射到所述主 反射镜202的反射面上，经该主反射镜202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204的反射面上，经该次反射镜204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206的反射面上，经该第三反射镜206的反射面 反射后形成一第三反射光被所述探测器208接收到。
[0030] 为了