CN107561674A - 一种分光三反射光学系统 - Google Patents

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巩盾
田铁印
王红
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Abstract

本发明公开了一种分光三反射光学系统，在离轴三反系统基础上进行改进，将次镜的非球面反射镜设计为一个光学表面为非球面的内反射透镜，非球面内反射透镜加工、检测技术成熟，使得光学系统在保持离轴三反系统原有结构优点的前提下，通过光学在次镜第一表面的折射以及在第二表面的内反射，来校正分光棱镜产生的色差、球差等残余像差，从而解决了由于加入分光棱镜引起的分光离轴三反系统成像质量下降的问题。

Description

一种分光三反射光学系统
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，尤其涉及一种分光三反射光学系统。
背景技术
折射光学系统受光学材料的限制，在系统波段较宽时难以校正色差，且口径过大的透镜材料均匀性难以保证，这些因素都影响到物体最终的成像质量。全反射光学系统不受色差影响，成像质量好，且口径可以做的较大，具备轻量化特点，是空间长焦距光学系统的理想结构。其中，两反射系统结构简单但自由度少，不能完全校正较大视场的像散、彗差等像差。三反射系统结构由三片非球面反射镜组成，优化自由度更多，视场较大时也具有良好的成像质量，因而得到广泛应用。为了避免同轴反射系统的中心遮拦造成的成像质量下降，对三反射系统的视场进行离轴处理形成离轴三反系统，可以在宽波段范围、大视场下实现高分辨率成像。
由于不同的光电探测器对各个波段的响应度不同，反射系统的成像质量又与波长无关，因此，当离轴三反系统在较宽波段范围内成像时，需要采用对各个波段响应度不同的多个探测器进行成像。为了在像面处放置多个不同波段的探测器，就要在像面前利用分光棱镜进行分光。分光棱镜可以将不同波段的光束分为不同的传播路径，根据棱镜分光原理，可以将分光棱镜等效为光学平板。由于不同波长、不同口径与角度的光线在光学平板中传输会产生光程差，因此会使成像质量良好的离轴三反系统产生色差、球差等残余像差，影响成像质量。
发明内容
为此，需要提供一种分光三反射光学系统，用以解决分光离轴系统产生残余像差导致成像质量下降的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种分光三反射光学系统，所述光学系统包括第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)、孔径光阑(4)、分光棱镜(5)、第一像面(6)和第二像面(7)；所述孔径光阑(4)设置在次镜(2)上，次镜(2)设置在系统光轴(8)上；第一反射镜(1)和第三反射镜(3)相对于系统光轴(8)分别相向离轴；所述次镜(2)为非球面内反射透镜，包括第一表面(9)和第二表面(10)；
入射光线在第一反射镜(1)反射后进入次镜(2)，在次镜(2)的第一表面(9)发生折射透过次镜(2)的光学玻璃材料，在次镜(2)的第二表面(10)发生内反射后再次透过光学玻璃材料并在次镜(2)的第一表面(9)折射穿出，再在第三反射镜(3)反射聚焦至分光棱镜(5)，经过分光棱镜(5)进行分光后，形成不同波段的光束分别在第一像面(6)和第二像面(7)进行成像。
进一步地，所述第一反射镜(1)和第三反射镜(3)均为光焦度为正的凹非球面透镜；所述次镜(2)为光焦度为负的非球面内反射透镜。
进一步地，所述第一表面(9)为球面，所述第二表面(10)为非球面。
进一步地，所述第二表面(10)为凸非球面。
进一步地，所述第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)的曲率中心均位于系统光轴(8)上。
进一步地，所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔与次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔相等；所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔为：第一反射镜(1)的中心至次镜(2)的中心沿光轴方向的距离；所述次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔为：次镜(2)的中心至第三反射镜(3)的中心沿光轴方向的距离。
本发明具有以下特点：在离轴三反系统基础上进行改进，将次镜的非球面反射镜设计为一个光学表面为非球面的内反射透镜，非球面内反射透镜加工、检测技术成熟，使得光学系统在保持离轴三反系统原有结构优点的前提下，通过光学在次镜第一表面的折射以及在第二表面的内反射，来校正分光棱镜产生的色差、球差等残余像差，从而解决了由于加入分光棱镜引起的分光离轴三反系统成像质量下降的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例涉及的分光三反射光学系统的示意图；
图2为本发明一实施例涉及的非球面内反射透镜次镜的示意图。
附图标记：
1、第一反射镜；
2、次镜；
3、第三反射镜；
4、孔径光阑；
5、分光棱镜；
6、第一像面；
7、第二像面；
8、系统光轴；
9、第一表面；
10、第二表面。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，为本发明一实施例涉及的分光三反射光学系统的示意图。所述光学系统包括第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)、孔径光阑(4)、分光棱镜(5)、第一像面(6)和第二像面(7)。
所述孔径光阑(4)设置在次镜(2)上，次镜(2)设置在系统光轴(8)上；孔径光阑(4)不离轴，使系统结构具有一定的对称性，有利于加工生产，也有利于像差的平衡与校正。
第一反射镜(1)和第三反射镜(3)相对于系统光轴(8)分别相向离轴，避免光学系统的遮拦对成像质量的影响。优选的，在本实施方式中，所述第一反射镜(1)和第三反射镜(3)均为光焦度为正的凹非球面镜，所述次镜(2)为光焦度为负的非球面内反射透镜。光学系统整体遵循“正、负、正”对称式结构，即次镜(2)设置在系统光轴(8)上，第一反射镜(1)和第三反射镜(3)分别设置于光轴两侧，次镜(2)的光焦度为负，第一反射镜(1)和第三反射镜(3)的光焦度为正。所述第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)的曲率中心均位于系统光轴(8)上。
如图1、2所示，所述次镜(2)包括第一表面(9)和第二表面(10)。入射光线在第一反射镜(1)反射后进入次镜(2)，在次镜(2)的第一表面(9)发生折射透过次镜(2)的光学玻璃材料，在次镜(2)的第二表面(10)发生内反射后再次透过光学玻璃材料并在次镜(2)的第一表面(9)折射穿出，再在第三反射镜(3)反射聚焦至分光棱镜(5)，经过分光棱镜(5)进行分光后，形成不同波段的光束分别在第一像面(6)和第二像面(7)进行成像。通过非球面内反射透镜校正分光棱镜产生的色差、球差等残余像差，解决了由于加入分光棱镜引起的分光离轴三反系统成像质量下降的问题。
非球面可以由公式(1)进行描述：
其中，r2＝x2+y2；c为非球面顶点曲率；k为二次曲面系数；
当k＝0时，公式(1)表示球面；
当k＝-1时，公式(1)表示抛物面；
当-1<k<0时，公式(1)表示椭球面；
当k<-1时，公式(1)表示双曲面；
当k>0时，公式(1)表示扁球面。
在某些实施例中，所述第一表面(9)为球面，所述第二表面(10)为非球面。进一步地，所述第二表面(10)为凸非球面。次镜(2)第一表面(9)与第二表面(10)的曲率半径较接近(即两者的差值在预设误差范围内，预设误差的选取可以根据实际需要进行调整)。这样，可以使得次镜(2)的光焦度较小，次镜(2)的光焦度主要由第二表面(10)的凸内反射镜提供，从而不影响对校正像差有利的三反射镜光焦度分配原则。光焦度(focal power)是指像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，用于表征光学系统偏折光线的能力。
在某些实施例中，次镜(2)采用的光学玻璃材料与分光棱镜(5)所采用的光学玻璃材料相匹配，从而实现校正残余单色像差的同时不产生额外的色差。
为了便于光学系统的装调与结构支撑，在某些实施例中，所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔与次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔相等；所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔为：第一反射镜(1)的中心至次镜(2)的中心沿光轴方向的距离；所述次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔为：次镜(2)的中心至第三反射镜(3)的中心沿光轴方向的距离。
为了避免光路被遮挡，在某些实施方式中，将物方视场向光轴下方进行倾斜，使得倾斜后入射光线可以避开次镜遮挡。具体操作如下：可以先倾斜物方视场角，并保持次镜在系统光轴上位置不动，通过沿垂直光轴方向相向平移第一反射镜和第三反射镜，使得第一反射镜和第三反射镜可以分别接收倾斜入射的成像光束。
在配置第一反射镜、次镜、第三反射镜时，可以通过调整各个镜片的曲率半径以及曲面系数，来校正分光棱镜产生的色差、球差等残余像差。具体可以设置一个预设误差，当调整各个镜片的各项参数后，若计算得出的残余像差低于预设像差的误差值时，记录此时光学系统各个镜片的各项参数，并以这些参数进行装调。
以某一像方焦距为2200mm、相对口径1/9、物方视场7°×0.7°、视场倾斜角为5°的光学系统为例，光学系统各表面参数与间隔如表1所示：
表1
表1中的“间隔”表示当前光线所在的光学表面距离下一个光学表面的水平间隔，例如第一行中的1219.36mm表示第一反射镜和次镜第一表面的水平间隔。再比如，光线透过次镜第一表面后在第二表面反射，之后返回再次透过第一表面，间隔是相同的，即第一表面与第二表面间隔是18.5mm，第二表面反射返回第一表面的间隔也是18.5mm(表1中的第2行和第3行)。之后光线再次透过第一表面到达第三反射镜，第一表面与第三反射镜的间隔是1219.36mm。
本发明具有以下特点：在离轴三反系统基础上进行改进，将次镜的非球面反射镜设计为一个光学表面为非球面的内反射透镜，非球面内反射透镜加工、检测技术成熟，使得光学系统在保持离轴三反系统原有结构优点的前提下，通过光学在次镜第一表面的折射以及在第二表面的内反射，来校正分光棱镜产生的色差、球差等残余像差，从而解决了由于加入分光棱镜引起的分光离轴三反系统成像质量下降的问题。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分光三反射光学系统，其特征在于：所述光学系统包括第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)、孔径光阑(4)、分光棱镜(5)、第一像面(6)和第二像面(7)；所述孔径光阑(4)设置在次镜(2)上，次镜(2)设置在系统光轴(8)上；第一反射镜(1)和第三反射镜(3)相对于系统光轴(8)分别相向离轴；所述次镜(2)为非球面内反射透镜，包括第一表面(9)和第二表面(10)；
入射光线在第一反射镜(1)反射后进入次镜(2)，在次镜(2)的第一表面(9)发生折射透过次镜(2)的光学玻璃材料，在次镜(2)的第二表面(10)发生内反射后再次透过光学玻璃材料并在次镜(2)的第一表面(9)折射穿出，再在第三反射镜(3)反射聚焦至分光棱镜(5)，经过分光棱镜(5)进行分光后，形成不同波段的光束分别在第一像面(6)和第二像面(7)进行成像。
2.如权利要求1所述的分光三反射光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(1)和第三反射镜(3)均为光焦度为正的凹非球面透镜；所述次镜(2)为光焦度为负的非球面内反射透镜。
3.如权利要求1或2所述的分光三反射光学系统，其特征在于：所述第一表面(9)为球面，所述第二表面(10)为非球面。
4.如权利要求3所述的分光三反射光学系统，其特征在于：所述第二表面(10)为凸非球面。
5.如权利要求1或2所述的分光三反射光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(1)、次镜(2)、第三反射镜(3)的曲率中心均位于系统光轴(8)上。
6.如权利要求1所述的分光三反射光学系统，其特征在于：所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔与次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔相等；所述第一反射镜(1)到次镜(2)的间隔为：第一反射镜(1)的中心至次镜(2)的中心沿光轴方向的距离；所述次镜(2)到第三反射镜(3)的间隔为：次镜(2)的中心至第三反射镜(3)的中心沿光轴方向的距离。
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