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TWI512330B - 自由曲面離軸三反光學系統 - Google Patents

自由曲面離軸三反光學系統 Download PDF

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TWI512330B
TWI512330B TW103121181A TW103121181A TWI512330B TW I512330 B TWI512330 B TW I512330B TW 103121181 A TW103121181 A TW 103121181A TW 103121181 A TW103121181 A TW 103121181A TW I512330 B TWI512330 B TW I512330B
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Taiwan
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axis
mirror
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coordinate system
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TW103121181A
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Jun Zhu
Tong Yang
Guo-Fan Jin
Shou-Shan Fan
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Hon Hai Prec Ind Co Ltd
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors
    • G02B17/0642—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements

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Description

自由曲面離軸三反光學系統
本發明涉及光學系統的設計領域，尤其涉及一種自由曲面離軸三反光學系統。
自由曲面係指無法用球面或非球面係數來表示的非傳統曲面，通常係非回轉對稱的，結構靈活，變量較多，為光學設計提供了更多的自由度，可以大大降低光學系統的像差，減小系統的體積、重量與鏡片數量，可以滿足現代成像系統的需要，有著廣闊的發展應用前景。由於自由曲面有非對稱面並提供了更多的設計自由度，他們常被用在離軸非對稱系統中。
然，先前的自由曲面離軸三反光學系統主要針對線視場，成像範圍較小，而且三個曲面均為自由曲面，且主反射鏡與第三反射鏡分離，加工與裝調難度相當大，不易於實現。
有鑒於此，確有必要提供一種可以實現成像範圍較大，且易於加工裝調的自由曲面離軸三反光學系統。
一種自由曲面離軸三反光學系統，包括：一主反射鏡，該主反射鏡設置於光線的出射光路上，用於將所述光線反射，形成一第一反射光，以所述主反射鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角 坐標系(X,Y,Z)；一次反射鏡，該次反射鏡設置在所述主反射鏡的反射光路上，用於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為第二原點定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，且該第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述第一三維直角坐標系(X,Y,Z)沿Z軸反方向平移得到；一第三反射鏡，該第三反射鏡設置於所述次反射鏡的反射光路上，用於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為第三原點定義一第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")，且該第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z軸方向平移得到；以及一探測器，該探測器位於所述第三反射鏡的反射光路上，用於接收所述第三反射光並成像；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多項式、x"y"多項式的自由曲面；所述次反射鏡的反射面為一平面。
與先前技術比較，本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統具有較大矩形視場，成像範圍較大；該自由曲面離軸三反光學系統的主反射鏡與第三反射鏡空間位置近似連續相切，有利於將其加工於一塊組件上，從而有利於系統的加工及裝調；該自由曲面離軸三反光學系統的次反射鏡採用一個平面鏡轉折光路，大大降低裝調難度，使系統易於實現。
100‧‧‧自由曲面離軸三反光學系統
102‧‧‧主反射鏡
104‧‧‧次反射鏡
106‧‧‧第三反射鏡
108‧‧‧探測器
圖1為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的結構示意圖。
圖2為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統的光路示 意圖。
圖3為本發明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統在長波紅外波段下部分視場角的調製傳遞函數MTF曲線。
下面將結合圖示及具體實施例，對本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統做進一步的詳細說明。
請參閱圖1-2，本發明實施例提供一種自由曲面離軸三反光學系統100，包括：一主反射鏡102、一次反射鏡104、一第三反射鏡106以及一探測器108。所述次反射鏡104位於主反射鏡102的反射光路上，所述第三反射鏡106位於次反射鏡104的反射光路上，所述探測器108位於第三反射鏡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。
所述自由曲面離軸三反光學系統100工作時的光路如下：光線首先入射到所述主反射鏡102的反射面上，經該主反射鏡102的反射面反射後形成一第一反射光，該第一反射光入射到所述次反射鏡104的反射面上，經該次反射鏡104的反射面反射後形成一第二反射光，該第二反射光入射到所述第三反射鏡106的反射面上，經該第三反射鏡106的反射面反射後形成一第三反射光被所述探測器108接收到並成像。
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系(X"，Y"，Z")。
所述主反射鏡102的頂點為所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點，通過主反射鏡102頂點的一條水平方向的直線為Z軸，向左為負向右為正，Y軸在圖1所示的平面內，垂直於Z軸向上為正向下為負，X軸垂直於YZ平面，垂直YZ平面向裡為正向外為負。
於所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)中，所述主反射鏡102的反射面為xy的多項式自由曲面，該xy多項式曲面的一般運算式為：
其中，z為曲面矢高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，Ai是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於YZ平面對稱，是故，可以僅保留X的偶次項。另，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述主反射鏡102的反射面採用最高次為5次的x的偶次項的xy多項式自由曲面，該xy多項式的方程式可表達為：
本實施例中，所述主反射鏡102反射面的xy多項式中曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai的值請參見表1。可以理解，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai的值也不限於表1中所述，本領域 技術人員可以根據實際需要調整。
所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)沿Z軸反方向平移約127.722mm，所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點為所述次反射鏡的頂點。即本實施例中所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點到所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點的距離約為127.722mm。
所述次反射鏡104為一平面鏡。於所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')中，所述次反射鏡104與X'Y'平面沿逆時針方向的角度約為24.780°。
所述第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z'軸方向平移約121.183mm，且所述第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")的原點為所述第三反射鏡 的頂點。即本實施例中所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點到所述第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")的原點的距離約為121.183mm。
於所述第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")中，所述第三反射鏡106的反射面為x"y"的多項式自由曲面，該x"y"多項式曲面的一般運算式為： ，其中，z"為曲面矢高，c"為曲面曲率，k"為二次曲面係數，Ai"係多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面離軸三反光學系統100關於Y"Z"平面對稱，是故，可以僅保留x"的偶次項。另，由於高次項會增加系統的加工難度。優選的，所述次反射鏡104的反射面亦採用最高次為5次的x"的偶次項的x"y"多項式自由曲面，該x"y"多項式的方程式可表達為： 。
本實施例中，所述第三反射鏡106反射面面形的x"y"多項式中曲率c"、二次曲面係數k"以及各項係數Ai"的值請參見表2。可以理解，曲率c"、二次曲面係數k"以及各項係數Ai"的值也不限於表2中所述，本領域技術人員可以根據實際需要調整。
所述主反射鏡102、次反射鏡104及第三反射鏡106的材料不限，只要保證其具有較高的反射率即可。所述主反射鏡102、次反射鏡104及第三反射鏡106可選用鋁、銅等金屬材料，亦可選用碳化矽、二氧化矽等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主反射鏡102、次反射鏡104及第三反射鏡106的反射率，可於其各自的反射面鍍一增反膜，該增反膜可為一金膜。所述主反射鏡102、次反射鏡104和第三反射鏡106的尺寸不限。
所述探測器108的中心與所述第三反射鏡106的頂點沿Z軸反方向的距離約為206.455mm。所述探測器108的中心沿Y軸負方向偏離Z軸，偏離量約為180.163mm。所述探測器108所在平面與XY平面沿逆時針方向的角度約為18.320°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效入瞳直徑為33毫米。
系統於子午方向上採用了離軸視場。所述自由曲面離軸三反光學 系統100的視場角為6.4°×8°，其中，於弧矢方向的角度為-3.2°至3.2°，於子午方向的角度為-18°至-10°。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長範圍為8微米到12微米。當然，所述自由曲面離軸三反光學系統100的工作波長並不限於本實施例，本領域技術人員可以根據實際需要調整。
所述自由曲面離軸三反光學系統100的等效焦距為90mm。
請參閱圖3，為自由曲面離軸三反光學系統100於長波紅外波段下部分視場角的調製傳遞函數MTF，從圖中可以看出，各視場MTF曲線都達到了繞射極限，表明該自由曲面離軸三反光學系統100具有很高的成像品質。
本發明提供的自由曲面離軸三反光學系統100採用離軸三反系統，視場角可以達到6.4°×8°，相比於同軸反射系統有更大的視場角；具有較大矩形視場，成像範圍較大；該自由曲面離軸三反光學系統的主反射鏡與第三反射鏡空間位置近似連續相切，有利於將其加工在一塊組件上，從而有利於系統的加工及裝調；該自由曲面離軸三反光學系統的次反射鏡採用一個平面鏡轉折光路，大大降低裝調難度，使系統易於實現。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
102‧‧‧主反射鏡
104‧‧‧次反射鏡
106‧‧‧第三反射鏡
108‧‧‧探測器

Claims (10)

  1. 一種自由曲面離軸三反光學系統，其改良在於，包括：一主反射鏡，該主反射鏡設置於光線的出射光路上，用於將所述光線反射，形成一第一反射光，以所述主反射鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角坐標系(X,Y,Z)；一次反射鏡，該次反射鏡設置於所述主反射鏡的反射光路上，用於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為第二原點定義一第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')，且該第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')為所述第一三維直角坐標系(X,Y,Z)沿Z軸反方向平移得到；一第三反射鏡，該第三反射鏡設置於所述次反射鏡的反射光路上，用於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為第三原點定義一第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")，且該第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")為所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')沿Z軸方向平移得到；以及一探測器，該探測器位於所述第三反射鏡的反射光路上，用於接收所述第三反射光；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、x"y"多項式自由曲面；所述次反射鏡的反射面為一平面。
  2. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述主反射鏡的反射面為含有x偶次項的5次xy多項式曲面，該xy多項式曲面的方程式為： ，其中，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai的值分別為： 。
  3. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，於所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')中，所述次反射鏡與X'Y'平面沿逆時針方向的角度為24.780°。
  4. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第三反射鏡的反射面為含有x"偶次項的5次x"y"多項式曲面，該x"y"多項式曲面的方程式為： ，其中，曲率c"、二次曲面係數k"以及各項係數Ai"的值分別為： 。
  5. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的第二原點到所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的第一原點的距離為127.722mm。
  6. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的第二原點到所述第三三維直角坐標系(X"，Y"，Z")的第三原點的距離為121.183mm。
  7. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述探測器所在平面與XY平面沿逆時針方向的角度為18.320°。
  8. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述探測器的中心與所述第三反射鏡的頂點沿Z軸反方向的距離為206.455mm，所述探測器的中心沿Y軸負方向偏離Z軸，偏離量為180.163mm。
  9. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的視場角為6.4°×8°。
  10. 如請求項第1項所述的自由曲面離軸三反光學系統，其中，所述自由曲面離軸三反光學系統的視場角在弧矢方向為-3.2°到3.2°，在子午方向為-18°到-10°。
TW103121181A 2014-06-03 2014-06-19 自由曲面離軸三反光學系統 TWI512330B (zh)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI706159B (zh) * 2019-01-25 2020-10-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反成像系統

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104898275B (zh) * 2014-03-05 2017-07-07 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统的设计方法
CN105739073B (zh) * 2014-12-11 2019-02-12 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN105739089B (zh) * 2014-12-11 2018-04-03 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统的设计方法
TWI616680B (zh) * 2016-04-01 2018-03-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反光學系統
US10808965B2 (en) * 2016-06-24 2020-10-20 Alliance For Sustainable Energy, Llc Secondary reflectors for solar collectors and methods of making the same
CN111487755B (zh) * 2019-01-25 2021-06-25 清华大学 自由曲面离轴三反成像系统
CN112305738B (zh) * 2019-08-01 2022-02-08 清华大学 自由曲面反射式红外成像系统
CN111929879B (zh) * 2020-08-27 2022-02-08 上海卫星装备研究所 小f数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法
CN114879351A (zh) * 2021-02-05 2022-08-09 清华大学 无对称自由曲面光学系统
CN118859498B (zh) * 2024-07-24 2025-05-20 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太赫兹自由曲面离轴三反准光系统
CN119439468B (zh) * 2024-11-27 2025-12-16 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种无热化红外光学系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103246053A (zh) * 2013-04-09 2013-08-14 长春理工大学 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8616712B2 (en) * 2011-03-24 2013-12-31 University Of Rochester Nonsymmetric optical system and design method for nonsymmetric optical system
DE102011108296A1 (de) * 2011-07-21 2012-03-08 Daimler Ag Spiegelvorrichtung für wenigstens einen Wärmebildsensor und Verfahren zu deren Herstellung
CN103809278B (zh) * 2012-11-06 2016-09-14 清华大学 离轴三反镜

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103246053A (zh) * 2013-04-09 2013-08-14 长春理工大学 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Tong Yang, Jun Zhu, Wei Hou, and Guofan Jin, "Design method of freeform off-axis reflective imaging systems with a direct construction process", OPTICS EXPRESS, Vol. 22, Issue 8, 21 Apr 2014, pages 9193 to 9205 基于光学自由曲面的离轴三反光学系统"基于光学自由曲面的离轴三反光学系统"(光学精密工程，2011年第19卷第12期，P28131820) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI706159B (zh) * 2019-01-25 2020-10-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反成像系統

Also Published As

Publication number Publication date
CN105334606A (zh) 2016-02-17
US9703084B2 (en) 2017-07-11
US20150346468A1 (en) 2015-12-03
CN105334606B (zh) 2017-12-22
TW201546485A (zh) 2015-12-16

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