CN105334607A - 一种无遮拦纯反射光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无遮拦纯反射光学系统，该光学系统采用偏心三反式结构，包括从物方到像方沿光路依次设置的主镜、次镜、孔径光阑、三镜和探测器焦平面，主镜、次镜、和三镜均为反射镜，其中，主镜为凹抛物面镜，次镜为凸双曲面镜，三镜为自由曲面镜；光线依次在主镜、次镜和三镜的表面反射而不产生遮拦，并且经三镜反射后的光线垂直入射至焦平面。本发明提供的纯反射光学系统具有宽波段、大视场、小畸变、小F数、无遮拦、像方远心、无色差、无热差等优点，适合高分辨率观测使用。

Description

一种无遮拦纯反射光学系统

技术领域

本发明涉及一种无遮拦纯反射光学系统，具体是一种偏心三反光学系统。

背景技术

折射式光学系统比较适合用于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大，波段较窄的场合，而目前国内外空间光学系统的发展趋势是向着宽波段、长焦距、大视场、轻量化、小型化、大相对孔径、高成像质量方向发展，这使得人们对于反射系统设计的需求日益增加。与折射式系统相比，全反射系统有诸多优点：

(1)、全反射系统不存在色差，二级光谱也就不存在，因此可以用于很宽的谱段成像；

(2)、光学系统口径可以做得很大，且容易实现轻量化设计，并且零件数很少；

(3)、设计形式很灵活，可以借助折转反射镜来折叠光路使结构紧凑，还可以用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统：

(4)、反射式光学系统的铝或介质膜的反射层，在很宽的波段范围内有很高的反射率，能量损失少，而折射元件一方面有可能材料内部吸收降低透过率，另一方面容易产生鬼像的问题；

(5)、可以根据所需视场的形状合理安排结构，即可以用同轴系统，也可以用孔径偏轴，还可以用视场离轴：

(6)、可以设计成带有中间成像的系统，从而使系统具有良好的消杂光的能力。

传统的纯反射式系统包括：仅消除球差的卡塞格林系统、格里高利系统、可消球差和彗差的RC系统和马克苏托夫系统。格里高利系统的主镜是凹面的抛物面，副镜位于主镜焦点之后，是凹的椭球面，将主镜焦距放大。经典的卡塞格林系统是使用最广泛的两镜系统，只消除球差，主镜为抛物面。副镜是凸面，并且将主镜焦距放大。两反系统存在以下缺点：一是视场较小，纯两镜系统的视场角不大，一般在0.5°左右；二是具有中心遮拦，对口径内能量的利用和像点光能的集中程度都有较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种无遮拦纯反射光学系统，用以解决传统的反射系统视场小的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种无遮拦纯反射光学系统，该光学系统采用偏心三反式结构，包括从物方到像方沿光路依次设置的主镜(1)、次镜(2)、孔径光阑(3)、三镜(4)和探测器焦平面(5)，主镜(1)、次镜(2)、和三镜(3)均为反射镜，其中，主镜(1)为凹抛物面镜，次镜(2)为凸双曲面镜，三镜(4)为自由曲面镜；光线依次在主镜(1)、次镜(2)和三镜(4)的表面反射而不产生遮拦，并且经三镜(4)反射后的光线垂直入射至焦平面(5)；

工作波段：400～900nm；焦距：78.6mm；F数：4；视场：10°。

所述三镜(4)的自由曲面的形状满足以下公式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+k|Y^2/R^2}}+A\×Y^4+B\×Y^6,$

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度Y的位置时距非球面顶点的距离矢高，R为镜面曲率半径，k为二次曲线常数，A、B为高次非球面。

所述主镜(1)的半径为-714.5658mm，所述次镜(2)的半径为-186.4541mm，所述三镜(4)的半径为-171.8186mm。

所述主镜(1)和次镜(2)之间的间隔为80mm，所述次镜(2)和孔径光阑(3)之间的间隔为71.63mm，所述孔径光阑(3)和三镜(4)之间的间隔为71.63mm，所述三镜(4)与探测器焦平面(5)之间的间隔为117.2631mm。

所述主镜(1)的偏心类型：Decenter&Return；偏心量：alf＝-27.56°，y＝217.60mm。

所述光学系统设置在一个镜筒内，该镜筒由铝合金材料制成。

该光学系统的光学传递函数：MTF80lp/mm≥0.5；畸变：≤1％。

本发明提供的纯反射光学系统具有宽波段、大视场、小畸变、小F数、无遮拦、像方远心、无色差、无热差等优点，适合高分辨率观测使用。其中，系统无色差可以实现很宽工作波段的成像；光学口径可以做得很大，可以非常方便的实现轻量化设计，并且光学系统零件很少；光路多次反射，系统紧凑；宽波段镀膜性能较好；通过主镜偏心和倾斜使用，实现无遮拦设计；该光学系统为方视场，且具有很小的畸变值。

附图说明

图1是该光学系统的结构示意图；

图2是主镜至次镜的顶视剖面图；

图3是次镜至三镜的顶视剖面图；

图4是三镜至焦平面的顶视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的无遮拦纯反射光学系统采用偏心三反式结构，如图1所示，该光学系统包括从物方到像方沿光路依次设置的主镜1、次镜2、孔径光阑3、三镜4和探测器焦平面5，主镜1、次镜2和三镜4均为反射镜，其中，主镜1为凹抛物面镜，其面形为凹的抛物面；次镜2为凸双曲面镜，其面形为凸的双曲面；三镜4为自由曲面镜；其面形为自由曲面。通过主镜1的偏心和倾斜使用，使得光线依次在主镜1、次镜2和三镜4的表面反射而不产生遮拦，如图2和3所示，并且，如图4所示，经三镜4反射后的各个视场入射的主光线全部垂直入射至焦平面5。通过像面偏心、倾斜使用，使得经由三镜反射后的光线垂直入射至焦平面。

纯反射光学系统的设计参数指标为：工作波段：400～900nm；焦距：78.6mm；F数：4；视场：10°。另外，通过参数设置，可以使该光学系统的光学传递函数：MTF80lp/mm≥0.5；畸变：≤1％。

三镜4的自由曲面的形状满足以下公式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+k|Y^2/R^2}}+A\×Y^4+B\×Y^6,$

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度Y的位置时距非球面顶点的距离矢高，R为镜面曲率半径，k为二次曲线常数，A、B为高次非球面。

孔径光阑3设置在次镜2和三镜4之间，使得主镜1与三镜4的尺寸不会太大，进而使得该光学系统整体较为紧凑。

主镜1的半径为-714.5658mm，次镜2的半径为-186.4541mm，三镜的半径为-171.8186mm。主镜1和次镜2之间的间隔为80mm，次镜2和孔径光阑3之间的间隔为71.63mm，孔径光阑3和三镜4之间的间隔为71.63mm，三镜4与探测器焦平面5之间的间隔为117.2631mm。

另外，主镜1的偏心类型：Decenter&Return；偏心量：alf＝-27.56°，y＝217.60mm。

该光学系统的一组具体参数如表1所示。

表1

另外，光学系统设置在一个镜筒内，并且为了使该光学系统轻量化，该镜筒由质量较轻、且硬度较高的铝合金材料制成。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，该光学系统采用偏心三反式结构，包括从物方到像方沿光路依次设置的主镜(1)、次镜(2)、孔径光阑(3)、三镜(4)和探测器焦平面(5)，主镜(1)、次镜(2)、和三镜(3)均为反射镜，其中，主镜(1)为凹抛物面镜，次镜(2)为凸双曲面镜，三镜(4)为自由曲面镜；光线依次在主镜(1)、次镜(2)和三镜(4)的表面反射而不产生遮拦，并且经三镜(4)反射后的光线垂直入射至焦平面(5)；

工作波段：400～900nm；焦距：78.6mm；F数：4；视场：10°。

2.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，所述三镜(4)的自由曲面的形状满足以下公式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+k|Y^2/R^2}}+A\×Y^4+B\×Y^6,$

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度Y的位置时距非球面顶点的距离矢高，R为镜面曲率半径，k为二次曲线常数，A、B为高次非球面。

3.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，所述主镜(1)的半径为-714.5658mm，所述次镜(2)的半径为-186.4541mm，所述三镜(4)的半径为-171.8186mm。

4.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，所述主镜(1)和次镜(2)之间的间隔为80mm，所述次镜(2)和孔径光阑(3)之间的间隔为71.63mm，所述孔径光阑(3)和三镜(4)之间的间隔为71.63mm，所述三镜(4)与探测器焦平面(5)之间的间隔为117.2631mm。

5.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，所述主镜(1)的偏心类型：Decenter&Return；偏心量：alf＝-27.56°，y＝217.60mm。

6.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，所述光学系统设置在一个镜筒内，该镜筒由铝合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的无遮拦纯反射光学系统，其特征在于，该光学系统的光学传递函数：MTF80lp/mm≥0.5；畸变：≤1％。