CN108267850A - 一种反射式光学系统及反射方法 - Google Patents

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郭明
周成
张斯淇
张文颖
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Abstract

本发明实施例提供的一种反射式光学系统及反射方法，属于空间光学遥感技术领域。该反射式光学系统包括：第一主反射镜、第二次反射镜、第三反射镜和第四反射镜，第一主反射镜与第二次反射镜离轴设置；第一主反射镜用于将入射光束进行会聚，使光束的口径变小，并将会聚后的光束射入第二次反射镜；第二次反射镜用于将第一主反射镜会聚的光束进行折转至第三反射镜；第三反射镜用于将第二次反射镜所折转的光束继续折转至第四反射镜；第四反射镜用于将第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使光束在焦面上成像。从而使得整个反射式光学系统成像质量好，空间结构紧凑，易于装调，光学元件加工难度小，具有无遮拦、小型化和轻量化的特点。

Description

一种反射式光学系统及反射方法
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体而言，涉及一种反射式光学系统及反射方法。
背景技术
随着科学技术的发展以及人类对宇宙空间的不断认识，人们的开发领域从地面转向空间。空间技术已经成为科学研究的热点，近年来，随着航空、航天遥感应用的不断发展，对成像光学系统的波段覆盖范围要求越来越高，波段越宽，包含的目标光谱信息就越丰富，波段范围从可见近红外波段扩展到紫外波段，紫外波段的光信号强度比可见光波段光信号强度弱2～3个量级，因此对光学系统的集光能力提出新的挑战。迫切需要解决现有光学系统相对孔径小、集光能力弱等问题。
发明内容
本发明提供的一种反射式光学系统及反射方法，旨在改善上述问题。
本发明提供的一种反射式光学系统，包括：第一主反射镜、第二次反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述第一主反射镜与所述第二次反射镜离轴设置；所述第一主反射镜用于将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜；所述第二次反射镜用于将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至所述第三反射镜，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；所述第三反射镜用于将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至所述第四反射镜，以使所述反射式光学系统紧凑；所述第四反射镜用于将所述第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使所述光束在所述焦面上成像；以及所述第四反射镜还用于校正所述第二次反射镜所引入的像散和场曲。
可选地，所述反射式光学系统的F数为2，入瞳直径为125mm，出瞳直径为39mm，畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于5微米。
可选地，所述第一主反射镜为抛物面镜，所述抛物面镜具有正光焦度。
可选地，所述第二次反射镜为高次非球面镜，所述高次非球面镜具有负光焦度。
可选地，所述第三反射镜为平面反射镜。
可选地，所述第四反射镜为双曲面镜，所述双曲面镜具有正光焦度。
可选地，所述第三反射镜不具有光焦度。
可选地，所述第一主反射镜、所述第二次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的材料均包括微晶玻璃。
可选地，还包括光阑面，所述光阑面设于所述第四反射镜与所述焦面之间；所述光阑面用于将所述第四反射镜所折转至所述光阑面的光束折射至所述焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
一种反射方法，应用于如上述所述的反射式光学系统，所述方法包括：所述第一主反射镜将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜；所述第二次反射镜将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至所述第三反射镜，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；所述第三反射镜将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至所述第四反射镜；所述第四反射镜将所述第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
上述本发明提供的一种反射式光学系统及反射方法，该系统通过将第一主反射镜和第二次反射镜为共轴系统离轴使用，即使用主次镜的部分光学口径，达到消除常规共轴系统存在中心遮拦的目的，从而进一步提高了集光能力且易于装调，以及通过利用第三反射镜折转光路，使整个光路空间结构紧凑，从而有效保证了该系统小型化和轻量化的特点，进而有效克服了现有技术中的孔径小、集光能力弱、系统笨重的不足。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种反射式光学系统的结构示意图；
图2为图1所示的反射式光学系统中的均方根点列图；
图3为图1所示的反射式光学系统中的畸变图；
图4为图1所示的反射式光学系统中的光学传递函数图；
图5为本发明第二实施例提供的反射方法的流程图。
图标：1－第一主反射镜；2－第二次反射镜；3－第三反射镜；4－第四反射镜；5－光阑面；6－焦面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参阅图1至图4，本实施例提供的反射式光学系统，其包括第一主反射镜1、第二次反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、光阑面5和焦面6。
在本实施例中，所述第一主反射镜1与所述第二次反射镜2离轴设置，即所述第一主反射镜1与所述第二次反射镜2的顶点在该反射式光学系统的光轴上，以作离轴使用。
在本实施例中，所述第一主反射镜1用于将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜2。
其中，所述入射光束可以是外部(即指除该反射式光学系统以外的部分)所射入的，也可以是用户基于预设发光设备所射入的。在此，不作具体限定。
作为一种实施方式，优选地，所述第一主反射镜1为抛物面镜，所述抛物面镜具有正光焦度。具体地，所述第一主反射镜1为抛物面凹面镜。
作为一种实施方式，所述第一主反射镜1的材料均包括微晶玻璃。
作为一种实施方式，所述第一主反射镜1的通光口径为126.0mm。
在本实施例中，将所述第一主反射镜1设为抛物面镜，从而使得该反射式光学系统易于加工、检测，进而有效降低了生产成本。
在本实施例中，所述第二次反射镜2用于将所述第一主反射镜1会聚的光束进行折转至所述第三反射镜3，并校正由所述第一主反射镜1产生的部分球差和彗差。
作为一种实施方式，所述第二次反射镜2为凸面镜，所述高次非球面镜具有负光焦度。具体地，所述第二次反射镜2为高次非球面镜。
作为一种实施方式，所述第二次反射镜2的材料均包括微晶玻璃。
作为一种实施方式，所述的第二次反射镜2的通光口径为33.7mm。
在本实施例中，通过将第一主反射镜1和第二次反射镜2为共轴系统离轴使用，即使用主次镜的部分光学口径，达到消除常规共轴系统存在中心遮拦的目的，从而进一步提高系统的集光能力，且易于装调。
在本实施例中，所述第三反射镜3用于将所述第二次反射镜2所折转的光束继续折转至所述第四反射镜4，以使所述反射式光学系统紧凑。
作为一种实施方式，所述第三反射镜3为平面反射镜。所述第三反射镜3没有光焦度。
作为一种实施方式，所述第三反射镜3的通光口径为30.5mm。
作为一种实施方式，所述第三反射镜3的材料均包括微晶玻璃。
在本实施例中，通过利用第三反射镜3的平面反射镜原理，实现折转光路，进而使整个光路空间结构紧凑，进一步使得该反射式光学系统具有小型化和轻量化的特点。
在本实施例中，所述第四反射镜4用于将所述第三反射镜3所折转的光束继续折转至，并校正所述第二次反射镜2引入的像散和场曲，并使光束最终成像在焦面6上。
作为一种实施方式，所述第四反射镜4的材料均包括微晶玻璃。
作为一种实施方式，所述第四反射镜4为双曲面镜，所述双曲面镜具有正光焦度。
作为一种实施方式，所述的第四反射镜4的通光口径为94.8mm。
作为一种实施方式，所述第四反射镜4将所述的第三反射镜3折转的光束继续折转，并校正所述第二次反射镜2引入的像散和场曲，并将校正后的光束折转至所述光阑面5，再由所述光阑面5将所述第四反射镜4所折转的光束折射至所述焦面6，以使所述光束在所述焦面6上成像。
在本实施例中，该反射式光学系统的F数为2，入瞳直径为125mm，像方视场全高为12.3mm，畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于5微米。具体地，各反射镜的具体参数如下表1所示。
表1给出了本发明实施例中的反射式光学系统光学元件具体参数，具体参数请参考表1。
表1
其中，表1中的“表面序号”是沿光线传播方向计数；表1中“半径”表示该面的曲率半径，其正负号判定原则是：以该面顶点作为起点，终点为该面曲率中心，若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负，当该面为平面时，其曲率半径为无穷大。表1中的“厚度”表示相邻两个面在光轴上的距离，其正负判定原则是：以当前面顶点作为起点，下一面顶点作为终点，若连线方向与光线传播方向相同则为正，反之为负。表1中“折反射模式”指光线作用在该面上时按哪种方式继续传播，折射指按照光线折射定律传播，反射指按照光线反射定律继续传播。材料指加工反射镜所用材料。
各面非球面系统和偏心倾斜值如下所示：
第1面(第一主反射镜1)：
K：－1；
偏心量：－148mm；
偏心方式：basicdecenter，YDE；
其中，basicdecenter指偏心基本类型，表示偏心在表面上提供一个坐标断点，坐标断点通过新坐标系中定义的表面在折射/反射之前形成。后续表面的局部坐标系与新坐标对齐，并沿局部Z轴所测量的厚度值进行分隔。YDE指沿Y轴方向偏心。
第2面(第二次反射镜2)：
偏心量：0；
第3面(即第三反射镜3)：
倾斜值：－45度；
倾斜方式：decenter&bend，ADE；
其中，decenter&bend指偏心和弯曲，主要用于折叠反射镜，它自动添加另外的倾斜集以旋转最终坐标系，从而追迹光线，这样无需额外的虚拟表面。ADE指沿X轴方向倾斜。
第4面(即第四反射镜4)
K：－1.0115；
偏心量：－46mm；
偏心方式：basicdecenter，YDE。
对本实施例设计的反射式光学系统采用以下四种评价手段进行评价：
1、点列图均方根直径评价
点列图是利用光路计算程序，将光瞳面划分成许多小面元，计算通过这些面元的光线与像面的交点，交点形成点列图。理想光学系统的点列图为一个点，实际光学系统的点列图是无数个点，由这些点的分布确定光学系统的成像质量，这种方法的优点是可以了解光线的空间走向，粗略估计光斑形状，这种方法是评估照明系统常用的方法，对于设计的反射式光学系统，各视场的点列图如图2所示，点列图均方根直径值小于5微米。
2、畸变评价
畸变是指光主光线的实际角放大率不等于+1时，即像方主光线不和物方主光线平行时，像方主光线和理想像面的交点不和理想像点重合，这种现象称为畸变。在只存在畸变的情况下，这些点落在与光轴垂直的平面上，但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时，图像很清晰，但是有错位。对于设计的反射式光学系统，畸变值如图3所示，随视场角变化，最大畸变值为0.01％。
3、调制传递函数评价
调制传递函数是用于表示光学系统的空间频率响应特性的，是空间频率的函数，同时它也随像面位置、视场角、相对孔径以及空间频率的取向等参量改变而改变，是各参量综合像质评价指标。通常情况下，按照系统使用要求，在最重要的频带上选定一个能反映成像质量的空间频率，即特征频率fk，并以fk对应的调制传递系数M(fk)作为评价指标，如图4所示，取特征频率fk为100线对/mm，对应的调制系统M值＞0.6，成像质量优良，能保证航空、航天遥感应用需求。
在本实施例中，通过将反射式光学系统中的点列图均方根直径设为5um 以内，畸变小于0.5％，从而使得相比较普通离轴三反系统，成像质量大幅提高，使得成像质量优良。
该反射式光学系统的工作原理为：第一主反射镜1将入射光束进行会聚，使光束口径变小；第二次反射镜2将所述第一主反射镜1会聚的光束进行折转，并校正由第一主反射镜1产生的部分球差和彗差；第三反射镜3 将所述的第二次反射镜2折转的光束继续折转；第四反射镜4将所述的第三反射镜3折转的光束继续折转，并校正所述第二次反射镜2引入的像散和场曲，并使光束最终成像在焦面6上。
第二实施例
请参阅图5，是本发明第二实施例提供的反射方法的流程图。所述反射方法应用于第一实施例所述的反射式光学系统，下面将对图5所示的具体流程进行详细阐述。
步骤S101，所述第一主反射镜将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜。
步骤S102，所述第二次反射镜将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至所述第三反射镜，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差。
步骤S103，所述第三反射镜将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至所述第四反射镜。
步骤S104，所述第四反射镜将所述第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
作为一种实施方式，所述第四反射镜将所述的第三反射镜折转的光束继续折转，并校正所述第二次反射镜引入的像散和场曲，并将校正后的光束折转至所述光阑面，再由所述光阑面将所述第四反射镜所折转的光束折射至所述焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
综上所述，本发明提供的一种反射式光学系统及反射方法，该系统通过将第一主反射镜和第二次反射镜为共轴系统离轴使用，即使用主次镜的部分光学口径，达到消除常规共轴系统存在中心遮拦的目的，从而进一步提高了集光能力且易于装调，以及通过利用第三反射镜折转光路，使整个光路空间结构紧凑，从而有效保证了该系统小型化和轻量化的特点，以及通过所述反射式光学系统的F数为2，入瞳直径为125mm，出瞳直径为39mm，畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于5微米，从而使得相比较普通离轴三反系统，成像质量大幅提高，进一步有效克服了现有技术中的孔径小、集光能力弱、系统笨重的不足。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种反射式光学系统，其特征在于，包括：第一主反射镜、第二次反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述第一主反射镜与所述第二次反射镜离轴设置；
所述第一主反射镜用于将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜；
所述第二次反射镜用于将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至所述第三反射镜，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；
所述第三反射镜用于将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至所述第四反射镜，以使所述反射式光学系统紧凑；
所述第四反射镜用于将所述第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使所述光束在所述焦面上成像；以及
所述第四反射镜还用于校正所述第二次反射镜所引入的像散和场曲。
2.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，所述反射式光学系统的F数为2，入瞳直径为125mm，出瞳直径为39mm，畸变小于0.5％，点列图均方根直径小于5微米。
3.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第一主反射镜为抛物面镜，所述抛物面镜具有正光焦度。
4.根据权利要求3所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第二次反射镜为高次非球面镜，所述高次非球面镜具有负光焦度。
5.根据权利要求4所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第三反射镜为平面反射镜。
6.根据权利要求5所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第四反射镜为双曲面镜，所述双曲面镜具有正光焦度。
7.根据权利要求5所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第三反射镜不具有光焦度。
8.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，所述第一主反射镜、所述第二次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜的材料均包括微晶玻璃。
9.根据权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，还包括光阑面，所述光阑面设于所述第四反射镜与所述焦面之间；
所述光阑面用于将所述第四反射镜所折转至所述光阑面的光束折射至所述焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
10.一种反射方法，应用于如权利要求1所述的反射式光学系统，其特征在于，所述方法包括：
所述第一主反射镜将入射光束进行会聚，使所述光束的口径变小，并将会聚后的光束射入所述第二次反射镜；
所述第二次反射镜将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至所述第三反射镜，并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差；
所述第三反射镜将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至所述第四反射镜；
所述第四反射镜将所述第三反射镜所折转的光束继续折转至焦面，以使所述光束在所述焦面上成像。
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