CN106342262B - 大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于空间目标探测的望远镜光学系统，特别是一种大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，包括在同一光轴上沿入射光方向依次设置的光敏感器件、第四校正透镜、第三校正透镜、第二校正透镜、第一校正透镜、主反射镜；光敏感器件和四片校正透镜对主反射镜呈中心遮拦，敏感器件的靶面处在所述第四校正透镜的焦面上；入射光首先经过主反射镜的反射，然后分别依次透过第一校正透镜、第二校正透镜、第三校正透镜、第四校正透镜后，成像在光敏感元件上。本系统克服了目前通光口径大于Φ500mm的目标探测系统难于实现大相对孔径、大视场性能要求的技术难题。

Description

大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统

技术领域

本发明涉及空间目标探测望远镜光学系统，特别是一种相对孔径大于0.7、视场大于3°、光谱范围为500nm～800nm的大相对孔径、大视场和宽光谱的空间目标探测望远镜光学系统。

背景技术

空间目标探测的星等目标要求决定了望远镜系统所成像面的弥散斑小、系统能量集中度直径小和调制传递函数好的特点。这样的性能要求决定了光学系统的相对孔径和视场：相对孔径越大，进入空间目标探测系统的能量就越多，能探测到的星等就越高；视场越大，光学系统所能探测到的范围就越大，系统功能就越全面。随着通光口径的增大，光学系统大相对孔径和大视场的实现就变得越来越困难。因此，在空间目标探测光学系统多采用较大口径(500mm～1000mm)同轴光学系统的前提下，系统探测的大相对孔径(大于0.7)和大视场(大于3°)成为了亟待解决的问题。

目前，通光口径大于500mm的天文光学系统，几乎都采用反射式光学系统。一方面，这样大的高质量透射材料难以制作和加工；另一方面，天文光学系统使用的波段范围往往也较宽，普通的透射材料难以满足透过率要求，对色差的校正也很困难。

在同轴反射式光学系统中，Cassegrain及其改进形式RC系统应用的最为广泛。Cassegrain系统由抛物面和双曲面组成，由于无法消除彗差，无法达到较大视场。其改进形式RC系统主、次镜均为双曲面，虽然可以消除初级彗差，但大视场带来的像散无法消除。

为了增大视场，并保证大视场下整个系统的成像质量，广泛采用在Cassegrain反射式系统中加入折射元件的方法，来校正由反射镜系统引起的像差。添加的折射元件主要是各种校正板和透镜组。根据折射元件添加的位置，大致可以分为两类：

1.在光线进入主反射镜前添加校正元件，如施密特非球面校正板、马克苏托夫弯月镜等等。但由于是在主镜前加入的折射元件，其通光口径要与主镜通光口径相匹配，因此整个系统的口径不能做的太大。

在这一类系统中，当系统主反射镜口径大于500mm时，所添加的折射校正元件需要与主反射镜系统口径相匹配。它有以下几个缺点：

a.这样大口径的折射材料，材料准备就很困难，其材料均匀性、条纹度等性能也都无法保证；

b.添加施密特非球面校正板的系统，能实现大相对孔径和大视场，但由于校正板主要是校正球差，大视场随之带来的像散无法得到有效控制。此外，对于宽光谱波段消色差也使得施密特校正板的结构更加复杂。虽然此时主反射镜面形为球面，但是施密特校正板为高次非球面，对于这样大的口径来说极难加工，加工完成后也很难进行高精度检测；

c.添加马克苏托夫弯月镜的系统，该弯月镜与主反射镜同心时，不仅能消除球差，还能消除彗差和像散，将弯月镜和施密特校正板结合起来，就能实现大相对孔径、大视场。但是对于这样大的口径来说，弯月镜的同心球面加工依旧很难。

2..在最后一片反射镜之后甚至在最终像面之前不远处添加折射元件，以补偿主反射系统的像差。这些折射元件通常处在会聚光路中，其尺寸比系统口径小得多。因此这类系统的整体通光口径可以做得很大，这类系统主要应用在大型天文系统和测量飞行载体弹道的靶场光学设备中。

这一类系统能实现光学系统大相对孔径、大视场和宽光谱的特点。但是它存在一个双曲面凸面次反射镜，且在大相对孔径的情况下，双曲面凸面次反射镜的口径较大，加工和检测相当困难。

随着光学加工与检测技术的飞速发展，利用易加工和检测的面形实现小口径的折射元件校正的功能，使得光学系统实现起来简单而有效，正占据越来越重要的地位。

发明内容

本发明的目的是为克服目前通光口径大于Φ500mm的目标探测系统对实现大相对孔径(大于0.7)、大视场(大于3°)的性能要求存在的诸多难以实现的技术问题，提出一种新型结构的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统。

本发明的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，包括在同一光轴上沿入射光方向依次设置的光敏感器件、第四校正透镜、第三校正透镜、第二校正透镜、第一校正透镜、主反射镜；光敏感器件和四片校正透镜对主反射镜呈中心遮拦，敏感器件的靶面处在所述第四校正透镜的焦面上；入射光首先经过主反射镜的反射，然后分别依次透过第一校正透镜、第二校正透镜、第三校正透镜、第四校正透镜后，成像在光敏感元件上。

所述的主反射镜开有中心孔，中心孔的直径小于中心遮拦直径。

所述的主反射镜为抛物面反射镜，以便于光学加工与检测。

所述的第一校正透镜为非球面透镜，其中凹面为二次曲面，凸面为球面；所述的第二校正透镜、第三校正透镜、第四校正透镜均为球面透镜。

所述光敏感器件可选用高灵敏度电荷耦合器件(CCD)、增强型电荷耦合器件(ICCD)或电子倍增电荷耦合器件(EBCCD)或智能光敏感器件。

本发明望远镜光学系统具有以下优点：

(1)本发明采用一片主反射镜和简单的透射校正镜组，实现了光学系统的大相对孔径、大视场和宽光谱的要求。

(2)本发明中的校正镜组由一片非球面和三片球面镜组成，其中非球曲镜为凹面，便于加工和检测。

(3)本发明中的主反射镜为抛物面，易于光学加工与检测，降低了难度。

附图说明

图1是本发明大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统作进一步详细描述。

参照图1，包括在同一光轴上沿入射光方向依次设置的光敏感器件6、第四校正透镜5、第三校正透镜4、第二校正透镜3、第一校正透镜2、主反射镜1；光敏感器件6和四片校正透镜对主反射镜1呈中心遮拦，敏感器件6的靶面处在所述第四校正透镜5的焦面上；入射光首先经过主反射镜1的反射，然后分别依次透过第一校正透镜2、第二校正透镜3、第三校正透镜4、第四校正透镜5后，成像在光敏感元件6上。

所述的主反射镜1开有中心孔，中心孔的直径小于中心遮拦直径。

所述的主反射镜1为抛物面反射镜，以便于光学加工与检测。

所述的第一校正透镜2为非球面透镜，其中凹面为二次曲面，凸面为球面，在保证大相对孔径和大视场的情况下减少了校正透镜数量，缩小了整个探测系统的尺寸。所述的第二校正透镜3、第三校正透镜4、第四校正透镜5均为球面透镜，降低了光学加工难度。

所述光敏感器件6可以根据情况选择高灵敏度电荷耦合器件(CCD)、增强型电荷耦合器件(ICCD)或电子倍增电荷耦合器件(EBCCD)。同时可以根据工作速度和光谱范围选择智能光敏感器件。光敏感器件的靶面大小应与所述空间目标探测系统的像面大小相匹配。

本实施例光学系统的最终技术参数是：

光学系统的通光口径为Φ750mm、相对孔径为0.76、光学系统的视场角为4°、像面大小为Φ70mm、光学系统的工作波段为500nm～800nm。

采用本望远镜光学系统对指定的空间目标探测，实现了以下最终成像的质量如下：目标像面的RMS弥散斑直径小于两个光敏感器件单元，80％能量集中度直径小于两个光敏感器件单元，在相应的空间频率处的调制传递函数大于0.4。

Claims (6)

1.一种大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，包括在同一光轴上沿入射光方向依次设置的光敏感器件(6)、第四校正透镜(5)、第三校正透镜(4)、第二校正透镜(3)、第一校正透镜(2)、主反射镜(1)；光敏感器件(6)和四片校正透镜对主反射镜(1)呈中心遮拦，光敏感器件(6)的靶面处在所述第四校正透镜(5)的焦面上；入射光首先经过主反射镜(1)的反射，然后分别依次透过第一校正透镜(2)、第二校正透镜(3)、第三校正透镜(4)、第四校正透镜(5)后，成像在光敏感器件(6)上。

2.根据权利要求1所述的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，所述的主反射镜(1)开有中心孔，中心孔的直径小于中心遮拦直径。

3.根据权利要求1所述的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，所述的主反射镜(1)为抛物面反射镜，以便于光学加工与检测。

4.根据权利要求1所述的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，所述的第一校正透镜(2)为非球面透镜，其中凹面为二次曲面，凸面为球面；所述的第二校正透镜(3)、第三校正透镜(4)、第四校正透镜(5)均为球面透镜。

5.根据权利要求1所述的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，所述光敏感器件(6)为高灵敏度电荷耦合器件CCD、增强型电荷耦合器件ICCD、电子倍增电荷耦合器件EBCCD或智能光敏感器件。

6.根据权利要求1所述的大相对孔径、大视场和宽光谱望远镜光学系统，其特征在于，所述光学系统的通光口径为Φ750mm、相对孔径为0.76、视场角为4°、像面大小为Φ70mm，系统工作波段为500nm～800nm。