CN100498414C - 折衍混合望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折衍混合望远镜光学系统，它主要用于天文观察、远距离物体成像等场合。光学系统按从物方至象方的顺序，由校正镜、主反射镜和副反射镜组成，在系统前端的光学元件校正镜是一块二元光学衍射透镜。来自物方的光束通过二元光学衍射元件校正镜后入射在主反射镜上，经主反射镜反射至副反射镜，光束经副反射镜反射后最终在像平面上成像。在光学系统中主反射镜和副反射镜均采用球面反射镜，反射镜的加工、检验、装配的难度大大降低，制造成本也大大下降，加工效率大大提高，此外二元光学衍射元件校正镜可以采用光学塑料通过模压复制工艺进行大批量制造，同样可以使系统的制造成本降低。

Description

折衍混合望远镜光学系统

技术领域

本发明涉及二元光学、光学元件、光学系统设计，具体指一种折衍混合望远镜光学系统，它主要用于天文观察、远距离物体成像等场合。

背景技术

天文望远镜以及各种长焦距望远物镜广泛采用两块反射镜结构的光学系统，这种光学系统结构1672年为卡塞格林所发明，反射镜中大的称为主反射镜，小的称为副反射镜，通常在主反射镜中央开孔，成像于主反射镜后面。苏定强先生对这种经典的卡塞格林望远镜系统结构特点作了详细的剖析和介绍(见http://samuel.lamost.org/basic/dict/baike/twdbk27988.html)。卡塞格林望远镜的主、副反射镜面，可以有种种不同的形式，光学性能也随之而不同。这种系统主要的形式有：

1)主反射镜是旋转抛物面的，这种结构常称为经典的卡塞格林望远镜。根据圆锥曲线的光学性质，副反射镜只要是以F₁、F₂为两焦点的旋转双曲面，则原来无球差地会聚到F₁点的光线，经过这种副反射镜反射后，将无球差地会聚到F₂点。但这种望远镜有彗差，也有一定的像散和场曲。一个主反射镜相对口径1/3，卡塞格林望远镜相对口径1/8，像成在主反射镜后面不远处的系统，在理想像平面(近轴光的像平面)上，若要求像的弥散不超过1角秒，可用视场直径约为9角分。

2)平行于光轴的光满足等光程和正弦条件的卡塞格林望远镜，近似地说，也就是消除了三级球差和彗差的卡塞格林望远镜，这种系统称为里奇-克列基昂望远镜。这种望远镜的主、副反射镜形状是旋转双曲面，由于消除了彗差，可用视场比其他形式的卡塞格林望远镜更大一些，并且像斑呈对称的椭圆形。如果采用弯曲底片，视场会更明显地增大，像斑则呈圆形。一个主反射镜相对口径为1/3，系统相对口径为1/8，且像成在主反射镜后面不远处的这种望远镜，其主反射镜偏心率接近于1.06的双曲面，副反射镜偏心率接近于2.56的双曲面。在理想像平面(近轴光的像平面)上，如要求像斑的弥散不超过1角秒，可用视场直径约为19角分。

3)主反射镜是球面的，为了消除球差，副反射镜近似于旋转扁球面。这种望远镜的优点是主反射镜加工比较容易，但系统的彗差很大，可用视场很小。主反射镜相对口径为1/3，卡塞格林望远镜相对口径为1/8，像成在主反射镜后面不远处的这种望远镜，若要求像在理想像平面上的弥散不超过1角秒，则可用视场直径约为1.3角分。

4)副反射镜是球面的，为了消除球差，主反射镜近似于旋转椭球面。这种系统的像差大小介于抛物面主反射镜和球面主反射镜之间。

从上述介绍中可以看到，为了获得理想的成像质量，卡塞格林系统的主反射镜或副反射镜需加工成如抛物面、椭球面或双曲面非球面曲面，其加工和检验比球面复杂困难得多。

发明内容

本发明的目的是提供一种折衍混合卡塞格林型望远镜光学系统，其主反射镜和副反射镜采用球面反射镜，从而解决了卡塞格林型望远镜非球面主反射镜、副反射镜加工、检验困难的问题。

本发明折衍混合望远镜光学系统结构如附图1所示，光学系统按从物方至象方的顺序，有校正镜1、主反射镜3和副反射镜2组成，即本发明卡塞格林型望远镜光学系统除主反射镜3和副反射镜2外，在系统前端还有一块二元衍射光学元件校正镜1。来自物方的光束从左到右通过二元光学衍射元件校正镜1后入射在主反射镜3上，经主反射镜3反射至副反射镜2，光束经副反射镜2反射后最终在像平面4上成像。

本发明折衍混合望远镜光学系统所说的校正镜1是一块透射的二元光学衍射元件，其靠近物方的表面R11是凸球面，靠近象方的表面R12是以凹球面为基面的二元光学衍射曲面，在小视场或成像质量要求不高的场合，靠近象方的表面R12可以采用以平面为基面的二元光学衍射曲面。校正镜1的材料可以采用光学玻璃，也可以采用光学塑料，采用光学塑料时，可以通过模压复制工艺大批量制造校正镜1，从而有效降低光学系统的制造成本。本发明所说的主反射镜3是中间带有通光孔的凹反射镜，其曲面面型为球面；所说的副反射镜2是凸反射镜，其曲面面型为球面。校正镜1主要用于补偿球面卡塞格林二反射镜系统的球差、彗差以及像散，其二元衍射元件参与系统像差补偿外，还对透射校正镜1靠近物方的表面R11和靠近象方的表面R12引起的色差进行补偿。如要进一步消除系统的场曲，副反射镜2和主反射镜3应采用同一曲率半径的球面。

本发明的优点在于：光学系统的主反射镜3和副反射镜2均采用球面反射镜，与传统卡塞格林系统非球面反射镜相比，加工、检验、装配的难度大大降低，制造成本大大下降，加工效率大大提高。此外二元光学衍射元件校正镜1可以采用光学塑料通过模压复制工艺进行大批量制造，同样可以使系统的制造成本降低。

附图说明

图1为折衍混合望远镜光学系统结构示意图；

图中：1——校正镜；

2——副反射镜；

3——主反射镜；

4——像平面；

R11——校正镜1靠近物方的表面；

R12——校正镜1靠近象方的表面；

R2——副反射镜2的反射曲面；

R3——主反射镜3的反射曲面；

d1——校正镜1中心厚度；

d2——校正镜1与主反射镜3之间的间隔距离；

d3——主反射镜3与副反射镜2之间的间隔距离；

d4——副反射镜2与像平面4之间的间隔距离。

具体实施方式

根据附图1的光学结构，我们设计了一折衍混合望远镜光学系统，校正镜1采用石英玻璃材料，光学系统的视场与里奇-克列基昂望远镜相当，光学设计结果系统成像质量接近衍射限。光学系统具体技术指标如下：

望远镜通光口径：                 φ125mm；

相对孔径D/F：                    1/8；

系统焦距：                       1000mm；

工作波长：                       0.4861μm～0.6563μm；

全视场：                         20’；

光学系统具体结构设计参数如表1所示。

表1

Claims (4)

1.一种折衍混合望远镜光学系统，包括校正镜、主反射镜和副反射镜，其特征在于：

A.光学系统从物方至象方按顺序有一个校正镜(1)、一个主反射镜(3)和一个副反射镜(2)组成，来自物方的光束射向校正镜(1)，透过校正镜(1)后入射至主反射镜(3)上，经主反射镜(3)反射后射向副反射镜(2)，副反射镜(2)最终将光束反射成像在像平面(4)上；

B.所说的校正镜(1)是一个具有二元光学衍射面的透镜，其靠近物方的表面(R11)是凸球面，靠近象方的表面(R12)是以凹球面为基面的二元光学衍射面；

C.所说的主反射镜(3)是一个中间带有通光孔的凹球面反射镜；

D.所说的副反射镜(2)是一个凸球面反射镜。

2.根据权利要求1所述的一种折衍混合望远镜光学系统，其特征在于：所说的校正镜(1)的靠近象方的表面(R12)在小视场或成像质量要求不高的场合可以采用以平面为基面的二元光学衍射面。

3.根据权利要求1所述的一种折衍混合望远镜光学系统，其特征在于：所说的校正镜(1)采用光学玻璃制成，还可以采用光学塑料通过模压复制工艺制成。

4.根据权利要求1所述的一种折衍混合望远镜光学系统，其特征在于：所说的主反射镜(3)和副反射镜(2)可以采用相同曲率半径的球面来消除光学系统的场曲。

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