CN105204148B - 一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，它包括主镜、次镜、三镜、偏折反射镜、折叠平面镜和焦平面。主镜、次镜和三镜的回转对称轴重合于主光轴，孔径光阑置于主镜上。主镜和三镜面型均为椭球面，次镜面型为双曲面。偏折反射镜置于三镜的出射光路上，其法线相对于主光轴倾斜，将像面引出光轴。通过合理安排出射光瞳位置，使偏折反射镜不产生二次遮拦。本发明解决了现有的同轴三反系统存在的探测器安装困难、对面视场成像存在二次遮拦的问题，具有长焦距、大口径、遮拦小、体积小、重量轻、结构简单、工作波段宽、成像质量好的优点，适用于凝视相机、视频相机、成像光谱仪前置物镜等光学成像领域。

Description

一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜
技术领域
本发明涉及一种可用于凝视相机、视频相机、成像光谱仪前置物镜的望远物镜，特别涉及一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，属光学成像技术领域。
背景技术
随着非球面加工装调等技术的不断发展，全反射式结构在光学远距离成像领域应用广泛，典型的有两反射镜和三反射镜结构。两反射镜结构由于校正像差的自由参数少，难以兼顾视场、相对孔径、体积和重量等方面的要求。基于两反射镜的折反结构在同轴两反射镜的物方或像方增加透镜校正组，校正轴外像差，扩大视场。然而通常透镜补偿组无光焦度，且为抑制杂光需要很长的外遮光罩，难以缩短系统长度。相比两镜结构，三反射镜结构增加了自由变量，结构形式更加灵活。现有技术（参见文献：Pleiades:a multi missionand multi co-operative program.Acta Astronautica Vol.51,NO.1-9,pp.317-327,2002）Pleiades相机光学系统采用了折轴三反结构，入射光线经主次镜反射后在主镜附近成一次实像，中间像面附近存在平面反射镜折叠光路以缩短轴向长度，系统可对线视场成像，但难以解决面视场带来的二次遮拦问题。现有技术（参见文献：Price M. TopSat--asmall satellite approach to high resolution optical imaging. InternationalSymposium on Optical Science and Technology. International Society for Opticsand Photonics, 2002: 162-172）Topsat光学载荷采用离轴三反结构，虽然无中心遮拦，但离轴反射镜加工装调难度大，此外系统垂轴方向尺寸大，结构不紧凑。上述光学结构在满足某些要求的同时，仍存在体积较大或二次遮拦等问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，在满足成像质量优良的同时，提供一种长焦距、大口径、遮拦小、体积小、重量轻、结构简单、工作波段宽、成像质量好的无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜。
实现本发明目的的技术方案是提供一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，它包括主镜、次镜、三镜、偏折反射镜、折叠平面镜以及焦平面；主镜、次镜和三镜的回转对称轴分别与主光轴重合，孔径光阑位于主镜上，偏折反射镜置于次镜和三镜之间；来自地面景物的入射光线依次经主镜、次镜反射后，在次镜和三镜之间形成一次实像，反射光线无遮拦地穿过偏折反射镜的中心孔，三镜对得到的一次实像中继成像，反射光线再无遮拦地入射到偏折反射镜的通光孔径，依次经偏折反射镜、折叠平面镜转折反射后，在焦平面处形成景物像；主镜和三镜的光焦度为正，面型为椭球面，次镜的光焦度为负，面型为双曲面。
本发明提供的望远物镜主镜的相对孔径为1:0.5～1:1.5。
本发明提供的望远物镜三镜的放大倍率为1.5~5。
本发明提供的望远物镜由次镜遮拦形成的环形入瞳，依次经次镜和三镜成像形成的环形出瞳位于偏折反射镜上。
本发明提供的望远物镜在中间实像处放置视场光阑和内遮光罩。
本发明提供的望远物镜包括一块、两块或多块折叠平面镜。
本发明提供的望远物镜工作波段为紫外到红外。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用有中间实像的同轴三反结构，无二次遮拦，集光能力强，降低了加工装调难度。
2、杂光抑制性能良好，无需外遮光罩，进一步减小系统体积。
3、适应温度范围宽，以普通玻璃为基底材料，研制成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的望远物镜光路示意图；
图2是本发明实施例1提供的望远物镜调制传递函数曲线；
图3是本发明实施例1提供的望远物镜光线追迹点列图；
图4是本发明实施例1提供的望远物镜场曲/象散曲线与畸变曲线图；
图5是本发明实施例1提供的望远物镜轴向像差曲线图；
图6是本发明实施例2提供的望远物镜光路示意图；
图7是本发明实施例2提供的望远物镜调制传递函数曲线；
图8是本发明实施例2提供的望远物镜光线追迹点列图；
图9是本发明实施例2提供的望远物镜场曲/象散曲线与畸变曲线图；
图10是本发明实施例2提供的望远物镜轴向像差曲线图。
图中：1、主镜；2、次镜；3、三镜；4、偏折反射镜；5、第一块折叠平面镜；6、第二块折叠平面镜；7、像面；8、偏折反射镜的法线；9、第一块折叠偏平面镜的法线；10、第二块折叠平面镜的法线；11、主光轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的具体阐述。
实施例1
本实施例的技术方案是提供一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，设计参数为：焦距1400mm，全视场角2.2°×1.65°，F数7，工作波段0.42 μm～0.78μm。
参见附图1，它是本实施例提供的望远物镜光路图。主镜1、次镜2和三镜3共轴，孔径光阑位于主镜1上，偏折反射镜4位于次镜2和三镜3之间。入射光线依次经主镜1、次镜2反射后，在次镜2 和三镜3之间形成一次实像，反射光线无遮拦地穿过偏折反射镜4的中心孔，三镜3对一次实像中继成像，反射光线无遮拦地入射到偏折反射镜4的通光孔径，依次经偏折反射镜4、折叠平面镜5和6转折反射后在焦平面7处形成景物像。
本实施例提供的望远物镜的主要结构参数如表1所列。主镜1和三镜3的光焦度为正，面型为椭球面，次镜2面型的光焦度为负，面型为双曲面。主镜1通光口径最大，为200mm，其中心孔直径为75.0mm。主镜1的相对孔径为1/0.6，三镜3的放大倍率为 3.8。偏折反射镜4的法线8与主光轴11的倾斜角度为17.5°，中心开孔尺寸为8.2×7.0mm。第一块折叠平面镜5的法线9与主光轴11倾斜角度为22.5°，第二块折叠平面镜6的法线10与主光轴11倾斜角度45°。光学总长仅230mm，约为焦距的1/6。
表1
。
参见附图2，它是本实施例提供的望远物镜调制传递函数曲线。由图可见，边缘视场MTF值在探测器奈奎斯特频率处为0.32，成像质量接近衍射极限。
参见附图3，它是本实施例提供的望远物镜点列图，由图可知，各视场点列图大部分能量集中在艾利斑范围内。
参见附图4，它是本实施例提供的望远物镜场曲/象散曲线与畸变曲线图。a图（左图）是场曲/象散曲线，横坐标上对应的两条曲线分别是子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。由图可得场曲最大值小于100μm，在像差容限范围内。b图（右图）是畸变曲线，由图可见系统边缘视场畸变量<0.2%。
参见附图5，它是本实施例提供的望远物镜轴向像差曲线图。横坐标表示不同入射高度光线的聚焦点到像面的轴向距离，纵坐标表示光线在入瞳面的入射高度。由图可知，系统无色差，轴向像差在焦深范围内。
实施例2
本实施例采用实施例1的指标要求，即焦距1400mm，全视场角2.2°×1.65°，F数7，工作波段0.42 μm～0.78μm。
参见附图6，它是本实施例提供的同轴三反望远物镜成像光路图。主镜1、次镜2和三镜3共轴，孔径光阑位于主镜1上，偏折反射镜4位于次镜2和三镜3之间。入射光线依次经主镜1、次镜2反射后，在次镜2和三镜3之间形成一次实像，反射光线无遮拦地穿过偏折反射镜4的中心孔，三镜3对一次实像中继成像，反射光线无遮拦地入射到偏折反射镜4的通光孔径，依次经偏折反射镜4、折叠平面镜5转折反射后在焦平面7处形成景物像。
本实施例提供的望远物镜的主要结构参数如表2所列。主镜1和三镜3的光焦度为正，面型为椭球面，次镜2面型的光焦度为负，面型为双曲面。主镜1通光口径最大，为200mm，其中心孔直径为64mm。主镜1的相对孔径为1/0.65，三镜3的放大倍率为2.7。偏折反射镜4的法线8与主光轴11的倾斜角度为23°，中心开孔尺寸为9.1×7.8mm。折叠平面镜5的法线9与主光轴11的倾斜角度为22°。光学总长245mm，约为焦距的1/5.7。
表2
。
参见附图7，它是本实施例提供的望远物镜调制传递函数曲线。由图可见，边缘视场MTF值在探测器奈奎斯特频率处为0.34，成像质量接近衍射极限。
参见附图8，它是本实施例提供的望远物镜点列图，由图可知，各视场点列图大部分能量集中在艾利斑范围内。
参见附图9，它是本实施例提供的望远物镜场曲/象散曲线与畸变曲线图。a图（左图）是场曲/象散曲线，横坐标上对应的两条曲线分别是子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。由图可得场曲最大值小于120μm，在像差容限范围内。b图（右图）是畸变曲线，由图可见系统边缘视场畸变量<0.2%。
参见附图10，它是本实施例提供的望远物镜轴向像差曲线图。横坐标表示不同入射高度光线的聚焦点到像面的轴向距离，纵坐标表示光线在入瞳面的入射高度。图10表明，系统无色差，轴向像差仍在焦深范围内。

Claims (5)

1.一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，其特征在于：它包括主镜（1）、次镜（2）、三镜（3）、偏折反射镜（4）、折叠平面镜（5）以及焦平面（7）；主镜（1）、次镜(2)和三镜(3)的回转对称轴分别与主光轴（11）重合，孔径光阑位于主镜（1）上，偏折反射镜（4）置于次镜（2）和三镜（3）之间；来自地面景物的入射光线依次经主镜（1）、次镜（2）反射后，在次镜（2）和三镜（3）之间形成一次实像，反射光线无遮拦地穿过偏折反射镜（4）的中心孔，三镜(3)对得到的一次实像中继成像，反射光线再无遮拦地入射到偏折反射镜（4）的通光孔径，依次经偏折反射镜（4）、折叠平面镜转折反射后，在焦平面（7）处形成景物像；主镜（1）和三镜（3）的光焦度为正，面型为椭球面，次镜（2）的光焦度为负，面型为双曲面；主镜（1）的相对孔径为1:0.5～1:1.5；三镜（3）的放大倍率为1.5～5。
2.根据权利要求1所述的一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，其特征在于：由次镜（2）遮拦形成的环形入瞳，依次经次镜（2）和三镜（3）成像形成的环形出瞳位于偏折反射镜（4）上。
3.根据权利要求1所述的一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，其特征在于：在一次实像处放置视场光阑和内遮光罩。
4.根据权利要求1所述的一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，其特征在于：折叠平面镜为一块、两块或多块。
5.根据权利要求1所述的一种无二次遮拦面视场同轴三反望远物镜，其特征在于：工作波段为紫外到红外。
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