自由曲面反射式掃描系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種掃描系統，尤其涉及一種自由曲面反射式掃描系統。
【背景技術】
[0002] 掃描成像系統是指利用光束的掃描運動來計量物體的幾何尺寸或者實現對物體 進行特定掃描的光學系統。對于現代掃描成像系統，光學系統視場與孔徑更大，對像質、體 積、重量提出了更高的要求。自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的非傳統曲面， 通常是非回轉對稱的。自由曲面的結構靈活，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，減小系統體積與重量。
[0003] 現有的掃描系統較少采用自由曲面來設計，原因是自由曲面的變量較多，自由度 太大，系統的體積、重量與鏡片數量等考慮因素很多，很難設計出結構簡單、成本低廉且具 有較好成像效果的自由曲面掃描系統。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，確有必要提供一種結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果的自由曲 面反射式掃描系統。
[0005] -種自由曲面反射式掃描系統，其包括：一光源，用于輸出一激光；一光闌，設置 在所述激光的出射光路上；一第一自由曲面反射鏡設置在所述光闌遠離光源的一側，該第 一自由曲面反射鏡用于將所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射鏡 設置在所述第一反射光的光路上，用于將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；該 第一自由曲面反射鏡所處的空間定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z)，所述光闌中心設置 在Z軸所在的直線上；該第二自由曲面反射鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標系（X'， Y'，Z'），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)在YZ 平面內沿逆時針方向旋轉90度得到，且該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的坐標原點設 置在所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z)的Y軸所在的直線上，所述第一自由曲面反射鏡的 自由曲面為一 4次的xy多項式曲面，所述第二自由曲面反射鏡的自由曲面為一 4次的x'y' 多項式曲面。
[0006] 與現有技術比較，本發明提供的自由曲面反射式掃描系統中，采用兩個全反射的 自由曲面反射鏡，使該自由曲面反射式掃描系統無色差,成像品質高；該自由曲面反射式掃 描系統中僅采用兩個自由曲面反射鏡，自由曲面反射鏡數量較少，該自由曲面反射式掃描 系統具有結構簡單且成本低廉等特點；該自由曲面反射鏡使用的xy多項式曲面次數較低， 比較容易加工，易于批量生產。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統的結構以及光路示意圖。
[0008]圖2為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統的掃描范圍示意圖。
[0009] 圖3為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統的效果圖。
[0010] 圖4為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統的掃描誤差示意圖。
[0011] 圖5為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統部分視場角的調制傳遞函 數MTF曲線。
[0012] 圖6為本發明實施例提供的自由曲面反射式掃描系統的部分視場點列圖。
[0013] 主要元件符號說明
【主權項】
1. 一種自由曲面反射式掃描系統，包括： 一光源，用于輸出一激光； 一光闌，設置在所述激光的出射光路上； 一第一自由曲面反射鏡設置在所述光闌遠離光源的一側，該第一自由曲面反射鏡用于 將所述激光反射，形成一第一反射光； 以及一第二自由曲面反射鏡設置在所述第一反射光的光路上，用于將所述第一反射光 二次反射，形成一第二反射光； 該第一自由曲面反射鏡所處的空間定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z)，所述光闌中 心設置在Z軸所在的直線上；該第二自由曲面反射鏡所處的空間定義一第二三維直角坐標 系（X'，Y'，Z'），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)在YZ平面內沿逆時針方向旋轉90度得到，且該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的坐 標原點設置在所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z)的Y軸所在的直線上，所述第一自由曲面 反射鏡的自由曲面為一 4次的xy多項式曲面，所述第二自由曲面反射鏡的自由曲面為一 4 次的x'y'多項式曲面。
2. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，所述激光與所述第一三維直角坐標系 (X，Y，Z)的Z軸形成一夾角0，其中，0°彡0彡8°。
3. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，所述第一自由曲面反射鏡的自由曲面 為一不使用X的奇次項的4次的xy多項式曲面，其解析形式為：
4. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，所述第二自由曲面反射鏡的自由曲面 為不使用X的奇次項的4次的x'y'多項式曲面，其解析形式為：
其中，曲率C'、二次曲面系數K'以及系數4'、4'、、'、~'、、'、4。'、42'以及44'分 別為：
5. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，所述光闌中心到所述第一三維直角坐 標系（X，Y，Z)原點的距離為113. 328_。
6. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'） 原點到所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z)原點的距離為336. 649mm。
7. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，進一步包括一像面，該像面到所述光闌 中心沿所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z)Z軸方向的距離為180mm。
8. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，在所述第一三維直角坐標系（X， Y，Z)中，所述第一自由曲面反射鏡實際使用到的范圍為-3mm 彡3mm，-3mm < 17.77337mm。
9. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，在所述第二三維直角坐標系（X'，Y'， Z'）中，所述第二自由曲面反射鏡實際使用到的范圍為-1.35205mm彡x'彡1.35205mm， 67. 95944mm彡y' 彡 78. 21945mm。
10. 如權利要求1所述的掃描系統，其特征在于，以所述光闌中心為原點建立一第三三 維直角坐標系（X''，Y''，Z''），在該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，掃描像高h 與視場角9的關系式為h(mm) =-80+5 0，其中視場角0的單位為度。
【專利摘要】本發明涉及一種自由曲面反射式掃描系統，包括：一光源；一光闌；一第一自由曲面反射鏡設置在所述光闌遠離光源的一側，用于將所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射鏡設置在所述第一反射光的光路上，用于將所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第一自由曲面反射鏡的自由曲面為一4次的xy多項式曲面，所述第二自由曲面反射鏡的自由曲面為一4次的xy多項式曲面。
【IPC分類】G02B26-10
【公開號】CN104714297
【申請號】CN201310665525
【發明人】楊通, 朱鈞, 金國藩, 范守善
【申請人】清華大學, 鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月11日
【公告號】US20150160453