自由曲面，该x'y'多项式的方程式可表达 为：
〇
[0020] 本实施例中，所述主反射镜104W及第Η反射镜108的反射面的X'y'多项式中曲 率C'、二次曲面系数k'W及各项系数V的值请参见表2。可W理解，曲率C'、二次曲面系 数k'W及各项系数Ai'的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可W根据实际需要调整。
[0021] 表2主反射镜W及第Η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104、次反射镜106和第Η反射镜108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104、次反射镜106和第Η反射镜108可选用铅、铜等金属材 料，也可选用碳化娃、二氧化娃等无机非金属材料。为了进一步增加所述主反射镜104、次反 射镜106和第Η反射镜108的反射率，可在其各自的反射面锥一增反膜，该增反膜可为一金 膜。所述主反射镜104、次反射镜106和第Η反射镜108的尺寸不限。
[0022] 所述自由曲面离轴Η反光学系统100的入瞳直径为30毫米。
[0023] 所述主反射镜104、次反射镜106和第Η反射镜108本身均没有旋转角度，而 是在子午方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴Η反光学系统100的视场角为 6. 4°Χ8°，其中，在弧氏方向的角度为-3. 2。至3.2°，在子午方向的角度为8°至16。。
[0024] 所述自由曲面离轴Η反光学系统100的工作波长范围为3微米到12微米。当然， 所述自由曲面离轴Η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W 根据实际需要调整。
[00巧]所述自由曲面离轴Η反光学系统100的等效焦距为64mm。
[0026] 所述自由曲面离轴Η反光学系统100的相对孔径大小iVf为0. 469,F数为所述相 对孔径大小D/f的倒数，即F数为2. 13。
[0027] 请参阅图3,为自由曲面离轴Η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W看出，各视场MTF曲线都接近衍射极限，表明该自由曲面离 轴Η反光学系统100具有很高的成像质量。
[0028]本发明实施例提供的自由曲面离轴Η反光学系统100采用离轴Η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矩形视场，成像 范围较大；主反射镜和第Η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Η反 光学系统100的F数较小，相对孔径较大，可W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；系统的主反射镜的反射面和第Η反射镜的反射面采用同一自由曲 面方程描述，加工时不需要变换坐标系与加工方程，降低加工难度，同时有利于将其加工在 一块元件上；对于主反射镜和第Η反射镜的检测可W只采用一个计算全息（CGH)元件，大 大简化了曲面检测过程并降低成本；另外，系统的次反射镜采用非球面，大大降低装调难 度，使系统易于实现。
[0029]另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，送些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
【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： 一光阑，该光阑设置在光线的入射光路上； 一主反射镜，该主反射镜设置在光线的入射光路，所述光线依次经过所述光阑和主反 射镜，所述主反射镜用于将所述光线反射，形成一第一反射光； 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； 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并 成像； 所述次反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z)，所述次反射镜的顶点 为该第一三维直角坐标系（X，Y，Z)的原点；所述主反射镜以及第三反射镜所处的空间定义 一第二三维直角坐标系（X'，Υ'，Ζ'），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（Χ，γ，ζ)沿Ζ轴方向平移得到；所述主反射镜的反射面和第三反射镜的反射面 采用同一自由曲面方程描述，且该自由曲面方程为关于X' y'的6次多项式；所述次反射镜 的反射面为关于xy的10次多项式非球面。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 射面以及第三反射镜的反射面为含有X'偶次项的6次x'y'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k'以及各项系数&'的值分别为：ο3. 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，所述次反射镜的反 射面为关于xy的10次多项式非球面，该10次多项式的方程式为：，其中，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A、B、C、D的值分别为：〇4. 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，所述光阑相对于所 述第一三维直角坐标系（X，Y，Z)中的Z轴向上平移23. 814mm，所述光阑的中心与主反射镜 的顶点沿Z轴方向的距离为190. 391mm。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，所述主反射镜的顶 点与次反射镜的顶点沿Z轴反方向的距离为127. 370mm ;所述次反射镜的顶点与第三反射 镜的顶点沿Z轴方向的距离为127. 370mm。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，所述第三反射镜的 顶点与所述探测器的中心沿Z轴反方向的距离为192. 740_。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，所述探测器的中心 沿Y轴负方向偏离Z轴，偏离量为15. 252mm，所述探测器与XY平面沿顺时针方向的夹角为 4. 905°。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 三反光学系统的视场角为6.4° X8°。9. 如权利要求8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弧矢方向为-3. 2°到3.2°，在子午方向为8°到16°。10. 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. 469, F数为2. 13。
【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：一光阑，位于光线的入射光路上；一主反射镜，位于光线的入射光路上，所述光线依次经过所述光阑和主反射镜；一次反射镜，位于所述主反射镜的反射光路上；一第三反射镜，位于所述次反射镜的反射光路上；以及一探测器，位于所述第三反射镜的反射光路上；所述次反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系，所述次反射镜的顶点为第一三维直角坐标系的原点；所述主反射镜和第三反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系；所述主反射镜和第三反射镜的反射面采用同一自由曲面方程描述，且该自由曲面方程为一6次多项式；所述次反射镜的反射面为一10次多项式非球面。
【IPC分类】G02B17/06
【公开号】CN105445918
【申请号】CN201410241527
【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】2016年3月30日
【申请日】2014年6月3日
【公告号】US20150346022