CN109324403A - 一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，包括共轴线依次设置的凸面反射镜组件、用于校正由凹面反射镜组件和所述凸面反射镜组件产生球差的前透镜组、所述凹面反射镜组件和用于校正由参与的球差以及所述前透镜组引入色差的后透镜组，所述凸面反射镜组件的两侧均为光学表面，所述凹面反射镜组件的前表面为光学表面且为凹面，所述凹面反射镜组件的后表面为非光学表面，所述凹面反射镜组件采用拼接结，不仅能够具备大口径、长焦距等天文望远镜的指标体系特征，而且所有光学表面均采用球面设计，以最大程度的降低制造的难度，成像质量好，制造成本低。

Description

一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统

技术领域

本发明涉及光学镜头与光学设计领域，特别涉及一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统。

背景技术

随着光学工程技术的不断发展，天文观测对于望远镜分辨能力、集光能力的需求不断攀升，根据光学原理，只有不断提高望远镜的口径，才能够满足观测远距离暗弱天体的需求。

传统的整体式主镜望远镜(例如“哈勃”空间望远镜)受制于光学制造能力等因素，其口径已经没有进一步提升的空间。目前全世界都在全力发展采用拼接式主镜的天基/地基望远镜，例如美国研制的口径6.5m的“詹姆斯·韦伯”空间望远镜(James Webb SpaceTelescope，JWST)，欧洲研制的口径42m的欧洲超大望远镜(European Extremely LargeTelescope，E-ELT)等。

拼接式主镜望远镜突破了光学制造、发射运载工具等的限制，使天基/地基望远镜的口径有了大幅提升。然而，拼接式主镜中，子镜间的高精度共焦、共相位等问题一直是制约拼接式主镜望远镜研制的关键问题。在研制共焦、共相位波前传感系统的过程中，需要通过研制一套缩比系统，既能够模拟拼接镜系统成像的原理，并且其研制成本、研制难度相对可控，以满足实验系统的要求。

常见的全反射式天文望远镜多采用Cassegrain结构或R-C结构，这两种常见结构中均有非球面反射镜，其加工成本比较高昂，不利于成本控制。

发明内容

本发明实施例提供了一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，不仅能够具备大口径、长焦距等天文望远镜的指标体系特征，而且所有光学表面均采用球面设计，以最大程度的降低制造的难度，成像质量好，制造成本低。

本发明提供一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，包括共轴线依次设置的凸面反射镜组件、用于校正由凹面反射镜组件和所述凸面反射镜组件产生球差的前透镜组、所述凹面反射镜组件和用于校正由参与的球差以及所述前透镜组引入色差的后透镜组，所述凸面反射镜组件的两侧均为光学表面，所述凹面反射镜组件的前表面为光学表面且为凹面，所述凹面反射镜组件的后表面为非光学表面，所述凹面反射镜组件采用拼接结构。

作为一种可选的方案，所述凸面反射镜组件采用融石英材料制成，所述凸面反射镜组件的前表面为凸球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件的后表面为平面。

作为一种可选的方案，所述凹面反射镜组件采用微晶玻璃材料制成，所述凹面反射镜组件的前表面为凹球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件的后表面为平面，所述凹面反射镜组件采用六块六边形子镜对称拼接构成。

作为一种可选的方案，所述凹面反射镜组件的外接圆直径为1米，所述六边形子镜额对边尺寸320毫米，对角尺寸369.5毫米。

作为一种可选的方案，所述前透镜组包括3片透镜且分别为第一透镜L101、第二透镜L102和第三透镜L103，所述第一透镜L101、所述第二透镜L102和所述第三透镜L103均采用硼硅酸盐冠状玻璃N-BK7制成。

作为一种可选的方案，所述第一透镜L101的前表面L101f为凸面；

所述第一透镜L101的后表面L101b为凹面；

所述第二透镜L102的前表面L102f为凹面；

所述第二透镜L102的后表面L102b为凸面；

所述第三透镜L103的前表面L103f为凸面；

所述第三透镜L103的后表面L103b为凹面，其中，f为前表面，b为后表面。

作为一种可选的方案，所述后透镜组包括4片透镜且分别为第四透镜L201、第五透镜L202、第六透镜L203及第七透镜L204，所述第四透镜L201采用N-PK52A材料制成，所述第五透镜L202和所述第六透镜L203采用N-LAF33材料制成，所述第七透镜L204采用SF2材料制成。

作为一种可选的方案，所述第四透镜L201的前表面L201f为平面；

所述第四透镜L201的后表面L201b为凸面；

所述第五透镜L202的前表面L202f为凸面；

所述第五透镜L202的后表面L202b为凹面；

所述第六透镜L203的前表面L203f为凹面；

所述第六透镜L203的后表面L203b为凸面；

所述第七透镜L204的前表面L204f为凹面；

所述第七透镜L204的后表面L204b为凸面，其中，f为前表面，b为后表面。

作为一种可选的方案，光学器件的参数为：

其中，M1f为所述凸面反射镜组件的前表面，M2f为所述凹面反射镜组件的前表面。

作为一种可选的方案，所述大口径长焦距成像光学系统的焦距为10m，工作波段为500nm～750nm，视场角为5.6'。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，采用全球面设计，其制造难度较低，可以在最短的周期内以最低的成本完成系统的研制，还具有相对宽松的装调公差，有利于系统的集成装调，缩短研制周期，降低研制成本，也具有良好的成像质量，从实施例中可以看到，本发明的设计结果达到了非常理想的成像质量，另外，在设计时，充分考虑到了拼接式子镜促动器的安装空间、后端波前传感组件安装空间等一系列问题，可以满足拼接式主镜望远镜的相关需求。

附图说明

图1是本发明实施例中面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统的光学结构图；

图2是本发明实施例中面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统的光学系统的三维效果图；

图3是本发明实施例中面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统的波前误差WFE设计结果的示意图；

图4是本发明实施例中面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统的调制传递函数的MTF设计结果的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，包括共轴线依次设置的凸面反射镜组件M1、用于校正由凹面反射镜组件M2和所述凸面反射镜组件M1产生球差的前透镜组L1、所述凹面反射镜组件M2和用于校正由参与的球差以及所述前透镜组LI引入色差的后透镜组L2，所述凸面反射镜组件M1的两侧均为光学表面，所述凹面反射镜组件M2的前表面为光学表面且为凹面，所述凹面反射镜组件M2的后表面为非光学表面，所述凹面反射镜组件M2采用拼接结，不仅能够具备大口径、长焦距等天文望远镜的指标体系特征，而且所有光学表面均采用球面设计，以最大程度的降低制造的难度，成像质量好，制造成本低。

本发明提供的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，采用全球面设计，其制造难度较低，可以在最短的周期内以最低的成本完成系统的研制，还具有相对宽松的装调公差，有利于系统的集成装调，缩短研制周期，降低研制成本，也具有良好的成像质量，从实施例中可以看到，本发明的设计结果达到了非常理想的成像质量，另外，在设计时，充分考虑到了拼接式子镜促动器的安装空间、后端波前传感组件安装空间等一系列问题，可以满足拼接式主镜望远镜的相关需求。

本实施例中，所述凸面反射镜组件MI采用融石英材料制成，所述凸面反射镜组件M1的前表面M1f为凸球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件M1的后表面M1b为平面，平面不进行镀膜，可以通过从后表面入射的光实现对前表面的干涉检测。

结合图2所示，凹面反射镜组件M2采用微晶玻璃材料制成，所述凹面反射镜组件M2的前表面M2f为凹球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件M2的后表面M2b为平面，平面主要用于确定机械基准，所述凹面反射镜组件M2采用六块六边形子镜对称拼接构成，所述凹面反射镜组件M2的外接圆直径为1米，所述六边形子镜额对边尺寸320毫米，对角尺寸369.5毫米，需要说明的是，凹面反射镜组件M2的结构设计可用于结构的轻量化、机械基准的建立等。在实施的过程中，其结构形式一般为拼接式，较多采用的结构形式为6片六边形子镜的对称式拼接结构，也可以根据实际需求设计为其他的拼接结构形式，对此不做限定。

本实施例中，前透镜组L1包括3片透镜且分别为第一透镜L101、第二透镜L102和第三透镜L103，用来校正凸面反射镜组件、凹面反射镜组件的残余球差，所述第一透镜L101、所述第二透镜L102和所述第三透镜L103均采用硼硅酸盐冠状玻璃N-BK7制成，可以节省成本，具体地，所述第一透镜L101的前表面L101f为凸面，所述第一透镜L101的后表面L101b为凹面，所述第二透镜L102的前表面L102f为凹面，所述第二透镜L102的后表面L102b为凸面，所述第三透镜L103的前表面L103f为凸面，所述第三透镜L103的后表面L103b为凹面，其中，f为前表面，b为后表面。

本实施例中，后透镜组L2包括4片透镜且分别为第四透镜L201、第五透镜L202、第六透镜L203及第七透镜L204，所述第四透镜L201采用具有反常色散特性的N-PK52A材料制成，所述第五透镜L202和所述第六透镜L203采用具有高折射率特性的N-LAF33材料制成，所述第七透镜L204采用SF2材料制成，具体地，所述第四透镜L201的前表面L201f为平面，所述第四透镜L201的后表面L201b为凸面，所述第五透镜L202的前表面L202f为凸面，所述第五透镜L202的后表面L202b为凹面，所述第六透镜L203的前表面L203f为凹面，所述第六透镜L203的后表面L203b为凸面，所述第七透镜L204的前表面L204f为凹面，所述第七透镜L204的后表面L204b为凸面，其中，f为前表面，b为后表面。

本实施例中，面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统的光学器件的参数，如表1：

表1

其中，M1f为所述凸面反射镜组件的前表面，M2f为所述凹面反射镜组件的前表面。

本实施例中，所述大口径长焦距成像光学系统的设计指标，如表2：

表2

结合图3和4所示，采用本发明实施例中面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统进行波前误差WFE和调制传递函数的MTF设计结果，可见本发明的方案在试验上证明可行。

本发明提供的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，采用全球面设计，其制造难度较低，可以在最短的周期内以最低的成本完成系统的研制，还具有相对宽松的装调公差，有利于系统的集成装调，缩短研制周期，降低研制成本，也具有良好的成像质量，从实施例中可以看到，本发明的设计结果达到了非常理想的成像质量，另外，在设计时，充分考虑到了拼接式子镜促动器的安装空间、后端波前传感组件安装空间等一系列问题，可以满足拼接式主镜望远镜的相关需求。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，包括共轴线依次设置的凸面反射镜组件、用于校正由凹面反射镜组件和所述凸面反射镜组件产生球差的前透镜组、所述凹面反射镜组件和用于校正由参与的球差以及所述前透镜组引入色差的后透镜组，所述凸面反射镜组件的两侧均为光学表面，所述凹面反射镜组件的前表面为光学表面且为凹面，所述凹面反射镜组件的后表面为非光学表面，所述凹面反射镜组件采用拼接结构。

2.根据权利要求1所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述凸面反射镜组件采用融石英材料制成，所述凸面反射镜组件的前表面为凸球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件的后表面为平面。

3.根据权利要求1所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述凹面反射镜组件采用微晶玻璃材料制成，所述凹面反射镜组件的前表面为凹球面且镀有反射膜，所述凸面反射镜组件的后表面为平面，所述凹面反射镜组件采用六块六边形子镜对称拼接构成。

4.根据权利要求3所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述凹面反射镜组件的外接圆直径为1米，所述六边形子镜额对边尺寸320毫米，对角尺寸369.5毫米。

5.根据权利要求1所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述前透镜组包括3片透镜且分别为第一透镜L101、第二透镜L102和第三透镜L103，所述第一透镜L101、所述第二透镜L102和所述第三透镜L103均采用硼硅酸盐冠状玻璃N-BK7制成。

6.根据权利要求5所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜L101的前表面L101f为凸面；

所述第一透镜L101的后表面L101b为凹面；

所述第二透镜L102的前表面L102f为凹面；

所述第二透镜L102的后表面L102b为凸面；

所述第三透镜L103的前表面L103f为凸面；

所述第三透镜L103的后表面L103b为凹面，其中，f为前表面，b为后表面。

7.根据权利要求1所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述后透镜组包括4片透镜且分别为第四透镜L201、第五透镜L202、第六透镜L203及第七透镜L204，所述第四透镜L201采用N-PK52A材料制成，所述第五透镜L202和所述第六透镜L203采用N-LAF33材料制成，所述第七透镜L204采用SF2材料制成。

8.根据权利要求7所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜L201的前表面L201f为平面；

所述第四透镜L201的后表面L201b为凸面；

所述第五透镜L202的前表面L202f为凸面；

所述第五透镜L202的后表面L202b为凹面；

所述第六透镜L203的前表面L203f为凹面；

所述第六透镜L203的后表面L203b为凸面；

所述第七透镜L204的前表面L204f为凹面；

所述第七透镜L204的后表面L204b为凸面，其中，f为前表面，b为后表面。

9.根据权利要求6或8所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，光学器件的参数为：

其中，M1f为所述凸面反射镜组件的前表面，M2f为所述凹面反射镜组件的前表面。

10.根据权利要求1所述的面向拼接镜实验的大口径长焦距成像光学系统，其特征在于，所述大口径长焦距成像光学系统的焦距为10m，工作波段为500nm～750nm，视场角为5.6'。