本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)設計領域，尤其涉及一種結構緊湊、體積較小的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)。
背景技術：
：離軸三反光學系統(tǒng)是一種常見的離軸反射成像系統(tǒng)。將自由曲面應用到離軸三反系統(tǒng)中，可以大大降低系統(tǒng)的像差，提升系統(tǒng)的像質，同時獲得更高的系統(tǒng)參數，具有非常重要的意義?，F有的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)通過將系統(tǒng)的主反射鏡與第三反射鏡加工在同一元件上，系統(tǒng)的主反射鏡和第三反射鏡共用同一個曲面方程，降低系統(tǒng)的裝調難度、系統(tǒng)的加工難度以及系統(tǒng)的檢測成本。然而，現有的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)中，主反射鏡與第三反射鏡雖然在同一元件上，但二者在該元件上相隔較遠，從而使系統(tǒng)的體積很大，結構不緊湊；另外，由于整個主反射鏡-第三反射鏡元件體積較大，曲面邊緣矢高過大，不利于加工與檢測。技術實現要素：有鑒于此，確有必要提供一種自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)，該自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)的主反射鏡與第三反射鏡采用同一曲面方程，且主反射鏡與第三反射鏡在空間中相隔較近，結構緊湊，主反射鏡與第三反射鏡的曲面矢高較小。一種自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)，包括：一光闌，該光闌設置在物方光線的入射光路上；一主反射鏡，該主反射鏡設置在所述光闌遠離物方空間的一側，用于將所述光線反射，形成一第一反射光；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，用于將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；一第三反射鏡，該第三反射鏡設置在所述次反射鏡的反射光路上，用于將所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及一探測器，該探測器位于所述第三反射鏡的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；以所述光闌的中心為原點定義一第一三維直角坐標系（x1，y1，z1），以所述主反射鏡以及第三反射鏡所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x2，y2，z2），以所述次反射鏡所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x3，y3，z3），以所述探測器所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x4，y4，z4）；所述主反射鏡的反射面和第三反射鏡的反射面采用同一自由曲面方程描述，且該自由曲面方程為關于x2y2的5次多項式；所述次反射鏡的反射面為關于x3y3的5次多項式自由曲面；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路與第三反射光的光路之間相互交疊。與現有技術比較，本發(fā)明提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)的主反射鏡的反射面和第三反射鏡的反射面采用同一自由曲面方程描述，且主反射鏡與第三反射鏡的空間位置接近，進而使整個主反射鏡與第三反射鏡元件的體積較小，且曲面矢高較小，大大簡化系統(tǒng)的加工難度。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)的光路示意圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)的結構與坐標系示意圖。圖3為為本發(fā)明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)在長波紅外波段下部分視場角的調制傳遞函數mtf曲線。主要元件符號說明如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發(fā)明。具體實施方式下面將結合附圖及具體實施例，對本發(fā)明提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100做進一步的詳細說明。請參閱圖1和2，本發(fā)明實施例提供一種自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100，包括：一光闌102、一主反射鏡104、一次反射鏡106、一第三反射鏡108以及一探測器110。所述光闌102用于控制輸出物方光束的直徑；所述主反射鏡104位于所述光闌102遠離光源的一側；所述次反射鏡106設置在所述主反射鏡104的反射光路上；所述第三反射鏡108位于次反射鏡106的反射光路上；所述探測器110位于第三反射鏡108的反射光路上。所述主反射鏡104、次反射鏡106以及第三反射鏡108的反射面均為自由曲面。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100工作時的光路如下：物方光線通過光闌102后入射到所述主反射鏡104的反射面上，經該主反射鏡104的反射面反射后形成一第一反射光，該第一反射光入射到所述次反射鏡106的反射面上，經該次反射鏡106的反射面反射后形成一第二反射光，該第二反射光入射到所述第三反射鏡108的反射面上，經該第三反射鏡108的反射面反射后形成一第三反射光被所述探測器110接收到并成像。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之間相互交疊，進而充分利用空間，使所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的結構緊湊，體積小。以所述光闌102中心為坐標原點定義一第一三維直角坐標系（x1，y1，z1），通過光闌102中心的一條水平方向的直線為z1軸，向左為負向右為正，y1軸在圖2所示的平面內，垂直于z1軸向上為正向下為負，x1軸垂直于y1z1平面，垂直y1z1平面向里為正向外為負。在空間中相對于第一三維直角坐標系（x1，y1，z1），以所述主反射鏡104以及第三反射鏡108所在的空間定義一第二三維直角坐標系（x2，y2，z2），所述次反射鏡106所在的空間定義一第三三維直角坐標系（x3，y3，z3），所述探測器110所在的空間定義一第四三維直角坐標系（x4，y4，z4）。所述第二三維直角坐標系（x2，y2，z2）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的（0,88.59727,198.07169）位置（單位：mm），z2軸正方向相對于第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的z1軸正方向逆時針旋轉27.84258度。所述第三三維直角坐標系（x3，y3，z3）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的（0,-159.26851,-22.49695）位置（單位：mm），z3軸正方向相對于第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的z1軸正方向順時針旋轉10.80811度。所述第四三維直角坐標系（x4，y4，z4）的原點在所述第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的（0,-44.59531,-47.02867）位置（單位：mm），z4軸正方向相對于第一三維直角坐標系（x1，y1，z1）的z1軸正方向逆時針旋轉16.28528度。在所述第二三維直角坐標系（x2，y2，z2）中，所述主反射鏡104的反射面以及第三反射鏡108的反射面均為一個5次x2y2多項式自由曲面，該x2y2多項式曲面的一般表達式為：，其中，z2為曲面矢量高，c為曲面曲率，k二次曲面系數，ai是多項式中第i項的系數。由于所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100關于y2z2平面對稱，因此，可以僅保留x2的偶次項。本實施例中，所述主反射鏡104以及第三反射鏡108的反射面的x2y2多項式中曲率c、二次曲面系數k以及各項系數ai的值請參見表1?？梢岳斫?，曲率c、二次曲面系數k以及各項系數ai的值也不限于表1中所述，本領域技術人員可以根據實際需要調整。表1主反射鏡以及第三反射鏡的反射面的x2y2多項式中的各系數的值曲率c-3.27428849555454e-03二次曲面系數conicconstant(k)-1.61056781473286e-02a20a31.77940950627604e-05a5-1.77940950627604e-05a7-4.97702713232211e-07a9-4.30829450386771e-07a107.37848373012176e-11a12-2.76033854073487e-09a14-1.52054141847422e-09a16-1.46969502769919e-12a18-7.85854145063803e-12a20-3.08644833572915e-12在所述第三三維直角坐標系（x3，y3，z3）中，所述次反射鏡106的反射面為一個5次x3y3多項式自由曲面，該x3y3多項式曲面的一般表達式為：，其中，z3為曲面矢量高，c為曲面曲率，k二次曲面系數，ai是多項式中第i項的系數。由于所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100關于y3z3平面對稱，因此，可以僅保留x3的偶次項。本實施例中，所述次反射鏡106的反射面的x3y3多項式中曲率c、二次曲面系數k以及各項系數ai的值請參見表2?？梢岳斫?，曲率c、二次曲面系數k以及各項系數ai的值也不限于表2中所述，本領域技術人員可以根據實際需要調整。表2次反射鏡的反射面的x3y3多項式中的各系數的值曲率c-6.00151426486546e-03二次曲面系數conicconstant(k)-9.00757350823094e-01a20a31.53297133632194e-03a5-1.53297133632194e-03a71.11944340338599e-05a91.75716927381476e-05a10-6.21792185006774e-08a126.60508108627770e-08a144.11464902821164e-09a162.02500935896665e-10a18-7.66867334384602e-10a20-1.54693948011218e-10所述探測器110的中心位于所述第四三維直角坐標系（x4，y4，z4）的原點位置，所述探測器110的平面設置于所述第四三維直角坐標系（x4，y4，z4）的x4y4平面內。所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108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104、次反射鏡106和第三反射鏡108可選用鋁、銅等金屬材料，也可選用碳化硅、二氧化硅等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108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。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的入瞳直徑d為40毫米。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100系統(tǒng)在垂直方向上采用了離軸視場。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的視場角為4°×3°，其中，在水平方向的角度為-2°至2°，在垂直方向的角度為10.5°至13.5°。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的工作波長范圍為8微米到12微米。當然，所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的工作波長并不限于本實施例，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(tǒng)100的焦距f為100mm。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的相對孔徑大小d/f為0.4，f數為所述相對孔徑大小d/f的倒數，即f數為2.5。請參閱圖3，為自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100在長波紅外波段下部分視場角的調制傳遞函數mtf，從圖中可以看出，各視場mtf曲線都接近衍射極限，表明該自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100具有很高的成像質量。本發(fā)明實施例提供的自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100具有以下優(yōu)點：自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100相比于同軸反射光學系統(tǒng)具有更大的視場角，進而使該系統(tǒng)具有較大的矩形視場，成像范圍較大。所述主反射鏡104、次反射鏡106和第三反射鏡108的反射面的面形均采用自由曲面，相對于球面或非球面系統(tǒng)具有更多的可控制變量，更有利于校正像差，獲得更好的像質。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的f數較小，相對孔徑較大，可以使更多的光進入系統(tǒng)，使該系統(tǒng)具有更高的輸入能量與極限分辨率。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的主反射鏡104的反射面和第三反射鏡108的反射面采用同一自由曲面方程描述，可以將其加工在一塊元件上，加工時不需要變換坐標系與加工方程，降低加工難度。所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100中的主反射鏡與第三反射鏡的空間位置接近，進而使整個主反射鏡-第三反射鏡元件體積較小，且邊緣矢高較小，大大簡化元件加工難度。對曲面檢測來說，如果采用計算全息（cgh）的方法，對于主反射鏡和第三反射鏡只需要一塊計算全息元件，大大簡化曲面檢測過程并降低檢測成本。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之間相互交疊，進而充分利用空間，使所述自由曲面離軸三反光學系統(tǒng)100的結構緊湊，體積小。另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內做其他變化，當然，這些依據本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。當前第1頁12