自由曲面离轴三反像方远心光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，包括：一主反射镜、一次反射镜、一第三反射镜以及一图像传感器；所述主反射镜用于将物方发来的光线反射，形成一第一反射光；所述次反射镜用于将第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第三反射镜用于将第二反射光再次反射，形成一第三反射光；所述图像传感器用于接收所述第三反射光并成像。所述主反射镜的反射面为一4次多项式自由曲面，次反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次多项式自由曲面。系统采用消遮拦的离轴反射式结构，且近似像方远心。

【技术实现步骤摘要】
自由曲面离轴三反像方远心光学系统
本专利技术涉及光学系统设计领域，尤其涉及一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统。
技术介绍
像方远心光学系统是指系统的出瞳位于无穷远，是一类有重要应用的光学系统。(1)系统像方远心可以用来消除由于像面轴向位移引起的系统放大倍率的变化。(2)系统的像方远心可以提升整个视场范围内像面的相对照明。如果系统被倒过来使用来生成平行光，整个视场范围内的相对照明也可以被提升。(3)系统的像方远心可以用来消除RGB三色CCD的色彩不均匀性。(4)对于使用微透镜阵列的CCD或CMOS来说，采用像方远心可以控制各视场入射角在微透镜阵列的接受角之内，从而使传感器正常工作。综上，像方远心光学系统有重要的应用。目前，为了降低色差，同时消除中心遮拦，离轴消遮拦反射系统结构得到了越来越多的应用，如离轴三反光学系统。但系统离轴后会产生一系列非对称像差，难以采用常规回转对称曲面来校正。此外，系统的像方远心也大大增加了系统的设计难度。近年来，随着加工技术的不断发展，自由曲面在成像领域得到了越来越多的应用。自由曲面没有回转对称性，变量更多，可以很好地消除离轴非对称引起的像差。将自由曲面应用到离轴三反像方远心光学系统中，可以大大降低离轴三反像方远心光学系统的像差，提升离轴三反像方远心光学系统的像质，同时获得更高的系统参数，具有非常重要的意义。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统。该自由曲面离轴三反像方远心光学系统的三个反射镜的反射面均采用自由曲面，且该自由曲面离轴三反像方远心光学系统采用离轴三反结构，消除了光线的遮拦并消除了色差；使该自由曲面离轴三反像方远心光学系统近似实现了像方远心。一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，包括：一主反射镜，该主反射镜设置在物方光线的入射光路上，将从物方发来的光线反射，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；以及一图像传感器，该图像传感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；在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述三反射镜的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述图像传感器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜的反射面为关于x2y2的4次多项式自由曲面；所述次反射镜的反射面为关于x3y3的6次多项式自由曲面；所述三反射镜的反射面为关于x4y4的6次多项式自由曲面；与现有技术比较，本专利技术提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，相对于传统透射式像方远心系统来说消除了色差、体积轻、透过率高、热稳定性好、辐射敏感性低。相对于同轴反射系统消除了中心遮拦，能量利用率更高。同时该自由曲面离轴三反像方远心光学系统在实现较好像质的同时实现了较小的F数。附图说明图1为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴三反光学像方远心系统的光路示意图。图2为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴三反光学像方远心系统的结构与坐标系示意图。图3为本专利技术实施例提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统在可见光波段下部分视场角的调制传递函数MTF曲线。主要元件符号说明自由曲面离轴三反像方远心光学系统100主反射镜102次反射镜104第三反射镜106图像传感器108如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例，对本专利技术提供的自由曲面离轴三反像方远心光学系统做进一步的详细说明。请参阅图1和2，本专利技术实施例提供一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统100，包括：一主反射镜102、一次反射镜104、一第三反射镜106以及一图像传感器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；所述图像传感器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的反射面均为自由曲面。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100工作时的光路如下：物方光线入射到所述主反射镜102的反射面上，被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图像传感器108接收到并成像。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100近似为像方远心，即所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的出瞳近似位于无穷远，各视场在像面上的入射角近似为0。所述自由曲面离轴三反像方远心光学系统100的次反射镜104为孔径光阑。在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，水平方向的z1轴向左为负向右为正，y1轴在图2所示的平面内，垂直于z1轴向上为正向下为负，x1轴垂直于y1z1平面，且垂直y1z1平面向里为正向外为负。在空间中相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜102所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜104所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜106所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，所述图像传感器108所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)。所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，49.39999，122.92696)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转17.01294度。所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，36.69253，-16.46708)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转0.74805度。所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，-40.20955，110.40654)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.31491度。所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0，6.13399，-29.9344)位置(单位：mm)，z5轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转9.11067度。在所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)中，所述主反射镜102的反射面为一个4次x2y2多项式自由曲面，该x2y2多项式曲面的表达式为：其中，z2为曲面矢高，c为曲面曲率，k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像方远心光学系统1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，包括：一主反射镜，该主反射镜将物方发来的光线反射，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，该次反射镜为孔径光阑；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；以及一图像传感器，该图像传感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；在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述三反射镜的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述图像传感器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜的反射面为关于x2y2的4次多项式自由曲面，所述次反射镜的反射面为关于x3y3的6次多项式自由曲面，所述第三反射镜的反射面为关于x4y4的6次多项式自由曲面。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，包括：一主反射镜，该主反射镜将物方发来的光线反射，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，该次反射镜为孔径光阑；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；以及一图像传感器，该图像传感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；在空间中定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述三反射镜的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述图像传感器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜的反射面为关于x2y2的4次多项式自由曲面，所述次反射镜的反射面为关于x3y3的6次多项式自由曲面，所述第三反射镜的反射面为关于x4y4的6次多项式自由曲面。2.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，49.39999mm，122.92696mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转17.01294度。3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，36.69253mm，-16.46708mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转0.74805度。4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，-40.20955mm，110.40654mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转22.31491度。5.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的坐标为(0mm，6.13399mm，-29.9344mm)，z5轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转9.11067度。6.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反像方远心光学系统，其特征在于，所述x2y2的4次多项式的方程式为：其中，c＝2.8642059856E-03、k＝-3.9274297376E+00、A2＝-4.5435688039E-01、A3＝-5.3806292422E-04、A5＝-4.3722756320E-04、A7＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，杨通，金国藩，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11