具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一自由曲面离轴三反光学系统100。该自由曲面离轴三反光学系统100包括一主反射镜102，一次反射镜104，一第三反射镜106，一孔径光阑108以及一像面110。物位于无穷远处，从物出发的光线进入自由曲面离轴三反光学系统100后在主反射镜102上发生发射，将主反射镜102的发射光束定义为第一反射光束，该第一反射光束照射到次反射镜104上并发生反射，将次反射镜104的反射光束定义为第二反射光束；该第二反射光束穿过主反射镜102的入射光束后，照射到第三反射镜106上并发生反射，将第三反射镜106的反射光束定义为第三反射光；该第三反射光穿过主反射镜102的入射光束，并且不穿过次反射镜104的反射光束，最终到达像面110成像。所述像面110和主反射镜102分别位于次反射镜104的反射光束的两侧。所述孔径光阑108设置在所述次反射镜104上。

在所述自由曲面离轴三反光学系统100所处的空间中定义一全局坐标系(x，y，z)。从该全局坐标系(x，y，z)的原点出发，垂直向上的方向为全局坐标系(x，y，z)y轴的正方向，水平向右的方向为全局坐标系(x，y，z)z轴的正方向，垂直于图1所示的平面向里的方向为全局坐标系(x，y，z)x轴的正方向。

所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角规定在全局坐标系(x，y，z)中。中心视场的光线沿着全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向入射，视场角度为x轴0°，y轴0°。

在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述主反射镜102上的一点为原点定义一第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)，主反射镜102的位置和角度由该第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述次反射镜104上的一点为原点定义一第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)，次反射镜104的位置和角度由该第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，以所述第三反射镜106上的一点为原点定义一第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)，第三反射镜106的位置和角度由该第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，建立一第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)，所述孔径光阑108的位置和角度由该第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)描述。在所述全局坐标系(x，y，z)中，定义一第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)，所述像面110的位置和角度由该第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)描述。

所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)、第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)、第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)、第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)以及第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)的原点分别位于所述全局坐标系(x，y，z)中不同的位置。所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)、第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)、第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)、第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)以及第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)中的每个局部坐标系均可以看作是全局坐标系(x，y，z)先平移使得全局坐标系(x，y，z)的原点和局部坐标系的原点重合，然后绕着全局坐标系(x，y，z)的x轴旋转得到的。

所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约1.104毫米，再沿Z轴正方向平移约102.627毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约24.135度得到。所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-1.104，102.627)位置(单位：毫米)，z₁轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为24.135度，y₁轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为24.135度。本实施例中，所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-1.10381568076787，102.626655002812)位置(单位：毫米)，z₁轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为24.1351442674759度，y₁轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为24.1351442674759度。

所述第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约31.787毫米，再沿z轴正方向平移约75.292毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约75.888度得到。所述第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-31.787，75.292)位置(单位：毫米)，z₂轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为75.888度，y₂轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为75.888度。本实施例中，所述第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-31.7869770853441，75.2924382186538)位置(单位：毫米)，z₂轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.8875957179046度，y₂轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.8875957179046度。

所述第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴正方向平移约37.260毫米，再沿z轴正方向平移约58.716毫米，然后以x轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转约86.745度得到。所述第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，37.260，58.716)位置(单位：毫米)，z₃轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿顺时针方向的夹角约为86.745度，y₃轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿顺时针方向的夹角约为86.745度。本实施例中，所述第三局部坐标系(x₃，y₃，z₃)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，37.2603949362013，58.7158208567325)位置(单位：毫米)，z₃轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿顺时针方向的夹角为86.7448891652535度，y₃轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿顺时针方向的夹角为86.7448891652535度。

在所述第一局部坐标系(x₁，y₁，z₁)中，所述主反射镜102的反射面为x₁y₁多项式自由曲面，该x₁y₁多项式自由曲面的方程式可以表示为：

其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，A_i是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100关于y₁z₁平面对称，因此，可以仅保留x₁的偶次项。优选的，所述主反射镜102的反射面为一x₁y₁多项式自由曲面，所述x₁y₁多项式为x₁的偶次多项式，x₁的最高次数为6次，该x₁y₁多项式自由曲面的方程式可表达为：

本实施例中，所述主反射镜102的x₁y₁多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值请参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表1主反射镜102的反射面的x₁y₁多项式中的各系数的值

在所述第二局部坐标系(x₂，y₂，z₂)中，所述次反射镜104的反射面为x₂y₂多项式自由曲面，该x₂y₂多项式自由曲面的方程式可以表示为：

其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，A_i是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100关于y₂z₂平面对称，因此，可以仅保留x₂的偶次项。优选的，所述次反射镜104的反射面为x₂y₂多项式自由曲面，所述x₂y₂多项式为x₂的偶次多项式，x₂的最高次数为6次，该x₂y₂多项式自由曲面的方程式可表达为：

本实施例中，所述次反射镜104的x₂y₂多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值请参见表2。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表2次反射镜104的反射面的x₂y₂多项式中的各系数的值

在所述第三局部坐标系(x₃，y₂，z₂)中，所述第三反射镜106的反射面为x₃y₃多项式自由曲面，该x₃y₃多项式自由曲面的方程式可以表示为：

其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，A_i是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反光学系统100关于y₃z₃平面对称，因此，可以仅保留x₃的偶次项。优选的，所述次反射镜104的反射面为x₃y₃多项式自由曲面，所述x₃y₃多项式为x₃的偶次多项式，x₃的最高次数为6次，该x₃y₃多项式自由曲面的方程式可表达为：

本实施例中，所述第三反射镜106的x₃y₃多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值请参见表3。可以理解，x₃y₃多项式中的曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A_i的值也不限于表3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表3第三反射镜106的反射面的x₃y₃多项式中的各系数的值

所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106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102、次反射镜104和第三反射镜106可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了进一步增加所述主反射镜102、次反射镜104和第三反射镜106的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。

所述第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约32.247毫米，再沿z轴正方向平移约75.177毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向旋转约75.920度得到。所述第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-32.247，75.177)位置(单位：毫米)，z₄轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.920度，y₄轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.920度。本实施例中，所述第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-32.2468143139100，75.1768294383900)位置(单位：毫米)，z₄轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.9204361315113度，y₄轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为75.9204361315113度。

所述孔径光阑108的中心位于所述第四局部坐标系(x₄，y₄，z₄)的原点位置。所述孔径光阑108设置在所述次反射镜104上。所述孔径光阑108的形状不限，本实施例中，所述孔径光阑108是圆形的，该圆形的半径约为13.776毫米，孔径光阑108的外边缘与所述次反射镜104的外边缘重合。

所述第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)由所述全局坐标系(x，y，z)沿y轴负方向平移约26.621毫米，再沿z轴正方向平移约50.525毫米，然后以x轴为旋转轴沿顺时针方向的旋转约80.5度得到。所述第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-26.621，50.525)位置(单位：毫米)，z₅轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角约为80.5度，y₅轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角约为80.5度。本实施例中，所述第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)的原点在所述全局坐标系(x，y，z)的(0，-26.6209900649064，50.5251773475422)位置(单位：毫米)，z₅轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的z轴正方向沿逆时针方向的夹角为80.5度，y₃轴正方向相对于全局坐标系(x，y，z)的y轴正方向沿逆时针方向的夹角为80.5度。

所述像面110的中心位于所述第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)的原点位置，所述像面110设置于所述第五局部坐标系(x₅，y₅，z₅)的x₅z₅平面内。

所述自由曲面离轴三反光学系统100的入瞳直径D为27.78毫米。

所述自由曲面离轴三反光学系统100系统在垂直方向上采用了离轴视场。所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角范围为6°×4°至10°×8°，其中x轴方向为6°至10°，y轴方向为4°至8°。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的视场角为8°×6°，其中，在x轴方向的角度为-4°至+4°，y轴方向的角度为-3°至+3°。

所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长范围为8微米到14微米。当然，所述自由曲面离轴三反光学系统100的工作波长并不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

所述自由曲面离轴三反光学系统100的焦距f为50毫米。

所述自由曲面离轴三反光学系统100的F数大于等于1.6小于等于8.0。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的F数为1.8，F数为所述相对孔径大小D/f的倒数，相对孔径大小D/f为0.56。

在相同的系统参数下，所述自由曲面离轴三反光学系统100的体积远小于现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积，这对于制作尺寸较小的光学元件具有非常重要的意义。所述系统指标指自由曲面离轴三反光学系统的焦距、视场和F数等系统参数。例如，在一个相同的系统指标下，现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积约为0.1654升，现有的主反射镜为凸镜的自由曲面离轴三反光学系统体积约为0.9842升，而本发明中的自由曲面离轴三反光学系统100的体积仅为约0.0945升，远小于现有的自由曲面离轴三反光学系统的体积。在视场角为8°×6°，焦距f为50毫米，F数为1.8的系统指标下，本发明中的自由曲面离轴三反光学系统100的体积可以达到0.0828升或者更小。本实施例中，所述自由曲面离轴三反光学系统100的体积约为0.0828升。本发明中自由曲面离轴三反光学系统100的体积是指该自由曲面离轴三反光学系统100的外包络体积。

请参阅图3，为自由曲面离轴三反光学系统100在长波红外波段8到12微米下部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都接近衍射极限，表明该自由曲面离轴三反光学系统100具有很高的成像质量。

请参阅图4，为所述自由曲面离轴三反光学系统100的波像差，从图中可以看出，所述离轴非球面三反光学系统100的RMS波前误差平均值为0.038869λ，其中λ＝9110.9nm。RMS波前误差比较小。说明该自由曲面离轴三反光学系统100的成像质量很好。

本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100应用领域涉及到对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等。本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统100在长波红外波段达到了衍射极限，可以在红外波段下进行使用。该自由曲面离轴三反光学系统100经过优化后也可以在可见光进行使用。

可以理解，以所述自由曲面离轴三反光学系统100为初始结构，经过简单优化后可以得到结构类似但面形系数不同的系统。这些变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内

本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有以下优点：与现有的自由曲面离轴三反光学系统相比，在相同的系统指标下，例如，焦距、视场和F数等，本发明提供的自由曲面离轴三反光学系统具有更小的体积，且体积更紧凑。所述次反射镜和第三反射镜的反射光束的光路与主反射镜的入射光束的光路相互交叠，进而充分利用空间，进一步使所述自由曲面离轴三反光学系统的结构紧凑，体积小。而且本发明的自由曲面离轴三反光学系统具有较大的矩形视场，成像范围较大。所述自由曲面离轴三反光学系统的F数较小，相对孔径较大，可以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。本发明的自由曲面离轴三反光学系统为无遮拦的光学系统，因此该自由曲面离轴三反光学系统的能量利用率更高。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。