CN102253480B - 一种大口径大视场小焦比折反光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径大视场小焦比望远镜系统。本发明前端是一个大口径卡塞格林系统，即由口径超过1m的抛物面主镜(1)和双曲面次镜(2)组成；通过采用一块斜放的平面反射镜(3)把光路引入垂直于由主次镜中心组成的主光轴Z的水平光轴Y上，在耐施密斯焦点位置接缩焦系统，其中，缩焦系统包括四组透镜，即只有一片正光焦度镜片的场镜组(I)，由四片透镜组成的正光焦度的第二透镜组(II)，由两片透镜组成的正光焦度的第三透镜组(III)，由三片透镜组成的正光焦度的第四透镜组(Ⅳ)。特别的，在第二透镜组与第三透镜组间有一个光阑(9)，该光阑与主镜共轭，可用于调光。

Description

一种大口径大视场小焦比折反光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统领域，尤其是大口径大视场小焦比光学系统，可应用于地基天文望远镜。

背景技术

大口径大视场小焦比天文望远镜在天文观测中有着重要意义，因为大口径意味着更强的集光能力，大视场意味着更大的单幅画面观测范围，小焦比可以探测更弱的星等。传统的大口径天文望远镜必须使用反射式主镜，而反射式光学系统的自身特点限制了视场的增大。经典的卡塞格林系统(Cassegrain)，由于像面必须拉出到主镜后，所以焦距较长，焦比一般为f/7～f/15左右。卡塞格林望远镜的主镜是旋转抛物面，次镜的旋转双曲面中的一个焦点与主镜抛物面的焦点重合，卡塞格林焦点就是次镜旋转双曲面的另一个焦点。这时像面是消球差的，但存在彗差，也有一定的像散和场曲，但可用视场不大。如果在由反射式主次镜组成的两镜系统中，使平行于光轴的光满足等光程和正弦条件，这时三级像差中的球差和彗差几乎可以同时为零，这时主镜和次镜都具有旋转双曲面的形状，这种系统被称为R-C望远镜系统，R-C系统比卡塞格林系统的可用视场大，但在较大的视场中由于有像散和场曲，理想的焦面是弯曲的。虽然R-C望远镜系统比经典卡塞格林系统有更多的优点，但是，R-C系统的主镜必须是双曲面的，加工检测都比卡塞格林系统的抛物面主镜困难很多，同时，R-C系统的焦比也不能设计得太小。所以，寻求一种加工检测方便，大口径大视场小焦比的光学系统是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明为了针对现有技术存在的不足，解决上述提出的问题，提出了一种结构简单，对光学加工检测要求相对简单的大口径，大视场小焦比望远镜光学系统。

本发明大口径大视场小焦比折反光学系统，包括主镜和次镜，其特征是主镜为口径超过1m的抛物面，次镜为双曲面，在次镜和耐施密斯焦点之间设有平面反射镜，把光路引入垂直于由主次镜中心组成的主光轴Z的水平光轴Y上，沿该水平光轴Y设有由场镜组、第二透镜组、第三透镜组、和第四透镜组组成的透镜缩焦系统，通过二次成像的缩焦系统把主系统的焦距缩短4倍以上，形成一个小焦比大视场系统。

所述场镜组为一片双凸的有正光焦度的第四透镜，安装在耐施密斯焦点附近，通过控制主次镜成像光束的发散角，控制后续光路中光束口径。

所述第二透镜组为正光焦度透镜组，位于场镜组后，包括按成像光束走向依次排列的第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，第五～七透镜为具有正光焦度的凸面朝向物方的透镜，第八透镜为具有负光焦度的凹面朝向像方的弯月透镜，该第二透镜组将一次像面的会聚光束转变成近平行光束。

所述第三透镜组为正光焦度透镜组，包括按成像光束走向依次排列的第十透镜和第十一透镜，其中，第十透镜为具有负光焦度的凹面朝向物方的双凹透镜，第十一透镜具有正光焦度的凸面朝向像方的透镜，该第三透镜组位于孔径光阑后，用于校正色差。

所述第四透镜组为正光焦度镜组组，包括按成像光束走向依次排列的第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜，其中，第十透镜透镜为具有正光焦度的双凸透镜，第十三透镜为具有正光焦度的凸面朝向物方的透镜，第十四透镜为具有负光焦度的双凹透镜，第四透镜组位于像面之前，把发散光束重新会聚成像在像面上。

所述在第二透镜组和第三透镜组之间设有与主镜共轭的孔径光阑，以实现全视场内均匀调光。

本发明大口径大视场小焦比折反光学系统具有以下特点：

1.通过二次成像的方式实现对大口径主次镜长焦距的缩放，从而实现系统小焦比大视场的目的；

2.通过在耐施密斯焦点位置设置场镜，可有效控制后续光路的通光孔径；

3.在二次成像光路中，设置与主镜共轭的光阑，调节该光阑可实现对各个视场内的照度均匀变化；

4.本发明中对长焦距宽波段系统，没有采用特殊玻璃即实现了色差的良好校正。

附图说明

图1是本发明大口径大视场小焦比折反光学系统的光学结构示意图；

图2是图1的局部放大图，即缩焦系统图；

图3是本发明大口径大视场小焦比折反光学系统具体实施方式光学系统点列图；

图4是本发明大口径大视场小焦比折反光学系统具体实施方式光学系统像差曲线；

图5是本发明大口径大视场小焦比折反光学系统具体实施方式光学系统的球差、场曲、畸变曲线。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的大口径大视场小焦比折反光学系统，前端是一个大口径卡塞格林系统，即由口径超过1m的抛物面主镜1和双曲面次镜2组成。通过在主次镜之间离主镜约1m且在由主次镜中心组成的主光轴Z上的位置相对主光轴Z倾斜45°放一块平面反射镜3把光路引入垂直于主光轴Z的水平光轴Y上。按照光路走向，在一次像面位置，即耐施密斯焦点位置接缩焦系统。通过二次成像的缩焦系统，把卡塞格林系统的焦距缩短4倍以上，形成一个小焦比大视场系统。缩焦系统包括四组透镜，即只有一片正光焦度镜片的场镜组I，由四片透镜组成的正光焦度的第二透镜组II，由两片透镜组成的正光焦度的第三透镜组III，由三片透镜组成的正光焦度的第四透镜组Ⅳ。

其中，正光焦度的场镜组I只包括一片双凸的有正光焦度的第四透镜4，其位置在卡塞格林系统的耐施密斯焦点附近，场镜组I通过控制主次镜成像光束的发散角，从而控制后续光路中光束口径。正光焦度的第二透镜组II包括四片透镜，按成像光束走向排列依次是：具有正光焦度的凸面朝向物方的第五透镜5，具有正光焦度的凸面朝向物方的第六透镜6，和具有正光焦度的凸面朝向物方的第七透镜7，以及具有负光焦度的凹面朝向像方的弯月第八透镜8。第二透镜组II主要作用是把一次像面的会聚光束转变成近平行光束。正光焦度的第三透镜组III包括两片透镜，按成像光束走向排列依次是：具有负光焦度的凹面朝向物方的双凹第十透镜10，和具有正光焦度的凸面朝向像方的第十一透镜11；第三透镜组III对光束控制不强，主要起校正色差的作用。正光焦度的第四透镜组Ⅳ包括三片透镜，按成像光束走向排列依次是：具有正光焦度的双凸第十二透镜12，具有正光焦度的凸面朝向物方的第十三透镜13，和具有负光焦度的双凹第十四透镜14。第四透镜组Ⅳ把发散光束重新会聚并成像在像面16上。特别的，在第二透镜组与第三透镜组间有一个光阑9，该光阑与主镜共轭，可用于调光。

实施例的基本参数如下：

主镜通光孔径：φ1800mm

工作视场：2ω＝0.92°

系统焦距：5400mm

系统焦比：F#3

主次镜焦距：21600mm

工作波长：450nm～750nm

实施例的光学结构参数见表1。

表1

基于表1的具体实施方式的光学系统结构，图3是该光学系统点列图，图4是该光学系统综合像差曲线，图5是该光学系统的球差、场曲、畸变曲线，从这些像差曲线可知，本专利的光学系统结构能达到较好的像质水平。

Claims (2)

1.一种大口径大视场小焦比折反光学系统，包括主镜（1）和次镜（2），其特征是主镜（1）为口径超过1m的抛物面，次镜（2）为双曲面,在次镜（2）和耐施密斯焦点之间设有平面反射镜（3），把光路引入垂直于由主次镜中心组成的主光轴Z的水平光轴Y上，沿该水平光轴Y设有由场镜组(Ⅰ)、第二透镜组(Ⅱ)、第三透镜组(Ⅲ)、和第四透镜组(Ⅳ)组成的缩焦系统；

所述第二透镜组(Ⅱ)为正光焦度透镜组，位于场镜组(Ⅰ)后，包括按成像光束走向依次排列的第五透镜（5）、第六透镜（6）、第七透镜（7）和第八透镜（8），其中，第五～七透镜为具有正光焦度的凸面朝向物方的透镜，第八透镜为具有负光焦度的凹面朝向像方的弯月透镜，第二透镜组（Ⅱ）将一次像面的会聚光束转变成近平行光束；

所述第三透镜组(Ⅲ)为正光焦度透镜组，包括按成像光束走向依次排列的第十透镜（10）和第十一透镜（11），其中，第十透镜为具有负光焦度的凹面朝向物方的双凹透镜，第十一透镜（11）具有正光焦度的凸面朝向像方的透镜，该第三透镜组(Ⅲ)位于孔径光阑（9）后，用于校正色差；

所述第四透镜组(Ⅳ)为正光焦度镜组，包括按成像光束走向依次排列的第十二透镜（12）、第十三透镜（13）和第十四透镜（14），其中，第十二透镜（12）为具有正光焦度的双凸透镜，第十三透镜（13）为具有正光焦度的凸面朝向物方的透镜，第十四透镜（14）为具有负光焦度的双凹透镜，第四透镜组(Ⅳ)位于像面(16)之前，把发散光束重新会聚成像在像面(16)上；

在第二透镜组(Ⅱ)和第三透镜组(Ⅲ)之间设有与主镜（1）共轭的孔径光阑（9），以实现全视场内均匀调光。

2.根据权利要求1所述的大口径大视场小焦比折反光学系统，其特征是场镜组(Ⅰ)为一片双凸的有正光焦度的第四透镜（4），安装在耐施密斯焦点附近，通过控制主次镜的成像光束的发散角，控制后续光路中光束口径。

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