TWI485443B - 離軸三反鏡 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種離軸三反鏡。
離軸三反鏡具有結構簡單、無遮攔、無色差、結構緊湊等特點,可實現高解析度和高能量利用率,被越來越多地應用於空間相機、成像光譜儀等空間對地成像觀測系統及民用監控系統,取得了快速的發展。
然而,目前的離軸三反鏡中,所用反射鏡鏡面多為橢球面、抛物面、雙曲面等二次曲面或球面。由於這些二次曲面或球面反射鏡的自由度都較少,因此,不利於提高離軸三反鏡的性能,改善整體成像品質。
另外,目前的離軸三反鏡,由於其主鏡、次鏡和三鏡都係相互分離的,因此,其反射鏡的裝調係一個複雜而繁瑣的問題。
有鑒於此,確有必要提供一種離軸三反鏡,該離軸三反鏡具有較多的自由度,且該離軸三反鏡的裝調較為簡單方便。
本發明提供一種離軸三反鏡,其包括一主鏡、一次鏡、一三鏡和一圖像感測器,所述次鏡位於主鏡的反射光路上,所述三鏡位於次鏡的反射光路上,所述圖像感測器位於三鏡的反射光路上,其
中,所述主鏡和三鏡一體成型,且所述主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面,所述主鏡的反射面整體呈凸形,所述三鏡的反射面整體呈凹形。
進一步地,所述主鏡和三鏡的反射面面形均為XY多項式,所述XY多項式的方程式為
。
進一步地,所述離軸三反鏡的視場角大於等於45°。
與現有技術相比,本發明至少具有以下優點:第一,本發明提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面,因此可引入更多的自由度,有利於提高整體性能,改善整體成像品質;第二,本發明提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型,因此,該系統的裝調較為簡單方便,且有利於提高裝調的精度;第三,本發明提供的離軸三反鏡,其視場角可達到45°以上,因此非常適合用於民用大視場角監控系統。
10,20‧‧‧離軸三反鏡
100,200‧‧‧鏡面塊體結構
102,202‧‧‧主鏡
104,204‧‧‧次鏡
106,206‧‧‧三鏡
108,208‧‧‧圖像感測器
圖1為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的結構示意圖。
圖2為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的立體結構示意圖。
圖3為本發明實施例一提供的離軸三反鏡的傳遞函數圖。
圖4為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的結構示意圖。
圖5為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的立體結構示意圖。
圖6為本發明實施例二提供的離軸三反鏡的傳遞函數圖。
下面將結合圖式及具體實施例,對本發明提供的離軸三反鏡做進一步的詳細說明。
請一併參閱圖1和圖2,本發明實施例一提供一種離軸三反鏡10,其包括一主鏡102、一次鏡104、一三鏡106和一圖像感測器108。所述次鏡104位於主鏡102的反射光路上,所述三鏡106位於次鏡104的反射光路上,所述圖像感測器108位於三鏡106的反射光路上。所述主鏡102和三鏡106一體成型,且所述主鏡102和三鏡106的反射面均為自由曲面。
所述離軸三反鏡10工作時的光路如下:光線首先入射到所述主鏡102的反射面上,經該主鏡102的反射面反射後入射到所述次鏡104的反射面上,經該次鏡104的反射面反射後入射到所述三鏡106的反射面上,經該三鏡106的反射面反射後被所述圖像感測器108接收到。
所述離軸三反鏡10中,所述主鏡102的反射面整體呈凹形,所述三鏡106的反射面整體也呈凹形。
優選地,本發明實施例一中,所述主鏡102和三鏡106的反射面面形均為XY多項式,該XY多項式的方程式可表達為:
。
式中,R為主鏡102和三鏡106的曲率半徑,C1~C15為方程式各項中的係數。優選地,所述主鏡102和三鏡106的反射面面形的XY多項式中的各係數的值請分別參閱表1和表2。
本發明實施例一中,所述次鏡104的反射面面形不限,優選地,所述次鏡104的反射面面形為非球面,該非球面的方程式可表達為:
。
式中,R為次鏡104的曲率半徑,C1和A為方程式中的係數。優選地,所述非球面的方程式中,R=-166.561,C1=3.424,A=1.956×10-8。
所述主鏡102和三鏡106一體成型,形成一鏡面塊體結構100。該鏡面塊體結構100可通過一次加工完成。另外,當該鏡面塊體結構100加工完成時,也就意味著所述主鏡102和三鏡106的裝調同時完成了,因此,可降低所述主鏡102和三鏡106的裝調難度,並可利用機械加工工藝保證主鏡102和三鏡106的空間位置關係,實現裝調主鏡102和三鏡106的效果,並能提高其裝調精度。優選地,所述主鏡102的反射面和三鏡106的反射面在鏡面塊體結構100的一表面連續延伸。
所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的材料不限,只要保證其具有較高的反射率即可。所述主鏡102、次鏡104和三鏡106可選用鋁、銅等金屬材料,也可選用碳化矽、二氧化矽等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的反射率,可在其各自的反射面鍍一增反膜,該增反膜可為一金膜。本實施例中,所述主鏡102、次鏡104和三鏡106均以鋁為基材,並在其反射面鍍一單層金膜。所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的形狀和尺寸不限,本實施例中,所述主鏡102的反射面呈一長方形,其尺寸大於等於140毫米×140毫米;所述次鏡104的反射面呈一圓形,其直徑大於等於55毫米;所述三鏡106的反射面呈一長方形,其尺寸大於等於140毫米×120毫米。
所述主鏡102到次鏡104的距離在133毫米至134毫米之間;所述次鏡104到三鏡106的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離相同,也為133毫米至134毫米之間;所述三鏡106到圖像感測器108的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離也相同,為133毫米至134毫米之間。優選地,本實施例一中所述主鏡102到次鏡104的距離、次鏡
104到三鏡106的距離以及三鏡106到圖像感測器108的距離均為133.7毫米。
在圖1中設定一XYZ空間坐標系,其中,所述離軸三反鏡10的光軸L平行於該坐標系中的Z軸。在該坐標系中,所述主鏡102和次鏡104均無離軸和偏心。在該坐標系中定義一α方向,該α方向的正向為Z軸正向向Y軸正向旋轉的方向。在該坐標系中,所述三鏡106和圖像感測器108均無偏心,且在α方向具有一傾斜角度,所述三鏡106在α方向的傾斜角度為10°,所述圖像感測器108在α方向的傾斜角度為-5.291°。
所述圖像感測器108可為一CCD或一CMOS,優選地,本實施例中,所述圖像感測器108為一面陣CCD。所述面陣CCD的尺寸為7.20毫米×9.60毫米。
本發明實施例一中所述的離軸三反鏡10,其入瞳直徑可大於等於60毫米,優選地,所述離軸三反鏡10的入瞳直徑可達100毫米。即,本發明實施例一提供的離軸三反鏡10為一大孔徑的離軸三反鏡。
所述離軸三反鏡10的視場角為3°×4°,其中,在X方向的角度為-1.5°至1.5°,在Y方向的角度為-10°至-14°。
所述離軸三反鏡10的等效焦距為-35.322毫米。
圖3為本發明實施例一提供的離軸三反鏡10的傳遞函數圖,從圖3可見,所述離軸三反鏡10中各視場的傳遞函數均接近繞射極限,表明該離軸三反鏡10具有很高的成像品質。
本發明實施例一提供的離軸三反鏡10至少具有以下優點:第一,
本實施例一提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面,因此可引入更多的自由度,有利於提高整體性能,改善整體成像品質;第二,本實施例一提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型,因此,該系統的裝調較為簡單方便,且有利於提高裝調的精度;第三,本實施例一提供的離軸三反鏡,其入瞳直徑可達到60毫米以上;第四,本實施例一提供的離軸三反鏡不包括冷光闌,因此可在非製冷條件下使用。
請一併參閱圖4和圖5,本發明實施例二提供一種離軸三反鏡20,其包括一主鏡202、一次鏡204、一三鏡206和一圖像感測器208。所述次鏡204位於主鏡202的反射光路上,所述三鏡206位於次鏡204的反射光路上,所述圖像感測器208位於三鏡206的反射光路上。所述主鏡202和三鏡206一體成型,且所述主鏡202和三鏡206的反射面均為自由曲面。
所述離軸三反鏡20工作時的光路如下:光線首先入射到所述主鏡202的反射面上,經該主鏡202的反射面反射後入射到所述次鏡204的反射面上,經該次鏡204的反射面反射後入射到所述三鏡206的反射面上,經該三鏡206的反射面反射後被所述圖像感測器208接收到。
所述離軸三反鏡20中,所述主鏡202的反射面整體呈凸形,所述三鏡206的反射面整體呈凹形。
優選地,本發明實施例二中,所述主鏡202和三鏡206的反射面面形均為XY多項式,該XY多項式的方程式可表達為:
。
式中,R為主鏡202和三鏡206的曲率半徑,C1~C15為方程式各項中的係數。優選地,所述主鏡202和三鏡206的反射面面形的XY多項式中的各係數的值請分別參閱表3和表4。
所述次鏡204的反射面面形不限,優選地,所述次鏡204的反射面面形為非球面,該非球面的方程式可表達為:
式中,,R為次鏡204的曲率半徑,K、A~D為方程式各項中的係數。優選地,所述次鏡204的反射面面形的非球面方程式中,各係數的值請參閱表5。
表5 次鏡的反射面面形的非球面方程式中的各係數的值
所述主鏡2102和三鏡206一體成型,形成一鏡面塊體結構200。該鏡面塊體結構200可通過一次加工完成。另外,當該鏡面塊體結構200加工完成時,也就意味著所述主鏡202和三鏡206的裝調同時完成了,因此,可降低所述主鏡202和三鏡206的裝調難度,並可利用機械加工工藝保證主鏡202和三鏡206的空間位置關係,實現裝調主鏡202和三鏡206的效果,並能提高其裝調精度。優選地,所述主鏡202的反射面和三鏡206的反射面在鏡面塊體結構200的一表面連續延伸。
所述主鏡202、次鏡204和三鏡206的材料不限,只要保證其具有較高的反射率即可。所述主鏡202、次鏡204和三鏡206可選用鋁、銅等金屬材料,也可選用碳化矽、二氧化矽等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主鏡202、次鏡204和三鏡206的反射率,可在其各自的反射面鍍一增反膜,該增反膜可為一金膜。本實施例中,所述主鏡202、次鏡204和三鏡206均以鋁為基材,並在其反射面鍍一單層金膜。所述主鏡202、次鏡204和三鏡206的形狀和尺寸不限,本實施例中,所述主鏡202的反射面呈一長方形,其尺寸大於等於140毫米×140毫米;所述次鏡204的反射面呈一圓形,其直徑大於等於55毫米;所述三鏡206的反射面呈一長方形,其尺寸大於等於140毫米×120毫米。
所述主鏡202到次鏡204的距離在185.5毫米至186.5毫米之間;所述次鏡204到三鏡206的距離與所述主鏡102到次鏡104的距離相同,也為185.5毫米至186.5毫米之間;所述三鏡206到圖像感測器
208的距離在181.0毫米至182.0毫米之間。優選地,所述主鏡202到次鏡204的距離、次鏡204到三鏡206的距離均為186.078毫米,所述三鏡206到圖像感測器208的距離為181.604毫米。
在圖4中設定一XYZ空間坐標系,其中,所述離軸三反鏡20的光軸L平行於該坐標系中的Z軸。在該坐標系中,所述主鏡202和次鏡204均無離軸和偏心。在該坐標系中定義一α方向,該α方向的正向為Z軸正向向Y軸正向旋轉的方向。在該坐標系中,所述三鏡206和圖像感測器208均無偏心,且在α方向具有一傾斜角度,所述三鏡206在α方向的傾斜角度為4°,所述圖像感測器208在α方向的傾斜角度為2.35°。
所述離軸三反鏡20的入瞳直徑在5毫米至10毫米之間,優選地,所述離軸三反鏡20的入瞳直徑為8毫米。
所述圖像感測器208可為一CCD或一CMOS,優選地,本實施例中,所述圖像感測器208為一線陣CCD。
所述離軸三反鏡20的視場角可大於等於45°,優選地,本實施例中,所述離軸三反鏡20的視場角為64°,即其在Y方向的角度為-10°至-74°。即本發明實施例二提供的離軸三反鏡20為一大視場角的離軸三反鏡。
本發明實施例二中所述的離軸三反鏡20的等效焦距為-40.844毫米。
圖6為本發明實施例二提供的離軸三反鏡20的傳遞函數圖,從圖6可見,所述離軸三反鏡20中各視場的傳遞函數均接近繞射極限,表明該離軸三反鏡20具有很高的成像品質。
本發明實施例二提供的離軸三反鏡20至少具有以下優點:第一,本實施例二提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面,因此可引入更多的自由度,有利於提高整體性能,改善整體成像品質;第二,本實施例二提供的離軸三反鏡,其主鏡和三鏡通過一次加工一體成型,因此,該系統的裝調較為簡單方便,且有利於提高裝調的精度;第三,本實施例二提供的離軸三反鏡,其視場角可達到45°以上,因此非常適合用於民用大視場角監控系統。
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。
20‧‧‧離軸三反鏡
200‧‧‧鏡面塊體結構
202‧‧‧主鏡
204‧‧‧次鏡
206‧‧‧三鏡
Claims (17)
- 一種離軸三反鏡,其包括一主鏡、一次鏡、一三鏡和一圖像感測器,所述次鏡位於主鏡的反射光路上,所述三鏡位於次鏡的反射光路上,所述圖像感測器位於三鏡的反射光路上,其改良在於,所述主鏡和三鏡一體成型,且所述主鏡和三鏡的反射面均為自由曲面,所述主鏡的反射面整體呈凸形,所述三鏡的反射面整體呈凹形,其中,所述主鏡和三鏡的反射面面形均為XY多項式,所述XY多項式的方程式為
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述主鏡的反射面面形的XY多項式的方程式中,R=358.016,C1=-0.366,C2=5.790×10-2,C3=6.188×10-2,C4=1.088×10-3,C5=8.842×10-5,C6=2.318×10-4,C7=-8.609×10-7,C8=1.343×10-7,C9=2.578×10-7,C10=9.240×10-7,C11=-4.185×10-8,C12=1.235×10-8,C13=-9.941×10-9,C14=-9.248×10-12,C15=-7.091×10-9。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述三鏡的反射面面形的XY多項式的方程式中,R=-241.763,C1=0.430,C2=-1.655×10-2,C3=4.061×10-2,C4=4.056×10-5,C5=-9.874×10-6,C6=-8.263×10-5,C7=-3.297×10-7,C8=3.963×10-7,C9=-1.295×10-7,C10=3.713×10-7,C11=4.014×10-9,C12=2.517×10-9,C13=3.940×10-9,C14=2.192×10-10,C15=1.971×10-10。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述次鏡的反射面面形為非球面,該非球面的方程式為,式中
- 如請求項第4項所述的離軸三反鏡,其中,所述非球面的方程式中,R=-478.425,K=143.657,A=9.263×10-8,B=5.907×10-10,C=-7.450×10-12,D=3.036×10-14。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述主鏡、次鏡和三鏡均以鋁材製成,且該主鏡、次鏡和三鏡的反射面上均鍍有一單層金膜。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述主鏡到次鏡的距離以及次鏡到三鏡的距離均在185.5毫米至186.5毫米之間,所述三鏡到圖像感測器的距離在181.0毫米至182.0毫米之間。
- 如請求項第7項所述的離軸三反鏡,其中,所述主鏡到次鏡的距離以及次鏡到三鏡的距離均為186.078毫米,所述三鏡到圖像感測器的距離為181.604毫米。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡具有一光軸,所述主鏡和次鏡相對於該光軸無離軸,所述三鏡在逆時針方向偏離該光軸4°,所述圖像感測器在逆時針方向偏離該光軸2.35°。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述圖像感測器為一線陣CCD。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的入瞳直徑在5毫米至10毫米之間。
- 如請求項第11項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的入瞳直徑 為8毫米。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的視場角大於等於45°。
- 如請求項第2或3項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的視場角為64°。
- 如請求項第14項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的等效焦距為-40.844毫米。
- 如申請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述主鏡的反射面和三鏡的反射面連續延伸。
- 如請求項第1項所述的離軸三反鏡,其中,所述離軸三反鏡的光路為光線首先入射到所述主鏡的反射面,經反射後入射到所述次鏡的反射面,經反射後入射到所述三鏡的反射面,經反射後最終被所述圖像感測器接收。
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