CN109459844B - 一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统，解决空间受限，视场较大的应用需求，通过二次成像折叠光路，缩短整体尺寸，更重要的是利用主镜和三镜、二镜和四镜的相对位置关系，尽可能减少镜片的加工数量，实现简单、紧凑的光学系统结构。本发明解决了空间受限和视场较大的应用需求，并实现简单、紧凑的光学系统结构。

Description

一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统

技术领域

本发明属于光学设计领域，尤其涉及一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统。

背景技术

随着空间遥感领域应用需求的增加，对遥感器光学系统提出了更高性能的要求，整个系统具有高分辨、长幅宽、环境适应性强等优点，光学系统需具备长焦距、重量轻、视场大、系统紧凑、加工制造简单等特点，全反射系统成为了非常好的选择之一。但由于单纯的两反R-C系统虽然具有系统紧凑、加工制造简单的特点，但无法满足长焦距、大视场的成像性能要求，系统的校正像差能力有限。一般的两反系统，为了校正系统像差、扩大视场，往往需要增加透镜组加以补偿，从而增加了系统的复杂度。然而普通的三反或是四反系统，虽能满足性系统的成像性能要求，但系统长度过长，也并不具有优势。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统，解决了空间受限和视场较大的应用需求，通过二次成像折叠光路，缩短整体尺寸，更重要的是利用主镜和三镜、二镜和四镜的相对位置关系，尽可能减少镜片的加工数量，实现简单、紧凑的光学系统结构。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统，包括：主镜、次镜、三镜、四镜和焦平面；其中，光线依次经过所述主镜、所述次镜、所述三镜和所述四镜到达所述焦平面；其中，一次实像位于所述次镜和所述三镜中间位置，二次实像位于所述焦平面的位置。

上述紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统中，所述主镜的曲率半径为-1563.7mm，所述主镜与所述次镜的间距为513mm，所述主镜的二次项系数为0.9，所述主镜的四次项系数为-4.153e-12。

上述紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统中，所述次镜的曲率半径为20130mm，所述次镜与所述三镜的间距为578mm，所述次镜的二次项系数为0.02，所述次镜的四次项系数为-2.590e-10。

上述紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统中，所述三镜的曲率半径为-428.8mm，所述三镜与所述四镜的间距为540mm，所述三镜的二次项系数为-0.18，所述三镜的四次项系数为5.774e-12。

上述紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统中，所述四镜的曲率半径为-330.7mm，所述四镜与所述焦平面的间距为622mm，所述四镜的二次项系数为-6.8，所述四镜的四次项系数为-2.345e-8。

上述紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统中，主镜和次镜的组合焦距为f₁，主镜和次镜的组合焦距与次镜之间的距离为a，主镜和三镜沿光轴方向的距离为d，主镜和次镜的合成视场角为β，主镜的口径尺寸为h₀，次镜的口径尺寸为h₁，三镜的口径尺寸为h₂，上述各参数满足如下公式：a＝f₁-d/2；tan(β)＝h₀/(2f₁)；h₁＝tan(β)·a＝a·h₀/f₁；h₂＝2·(d-f₁)tan(β)＝h₀·(d-f₁)/f₁。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用四块非球面镜进行光路折转，将长焦系统的系统整体总长度降低，同时采用主镜和三镜一体加工、次镜和四镜一体加工，减少了镜片的使用总数量，降低了系统装调的难度，结构简单，光路紧凑；

(2)与现有的同轴三反相比，四反射系统提升了视场，但由于现有的四反系统的长度增加，加工和装调的难度也增大，为了满足尺寸和性能的要求，本发明提供了一种更优化的系统设置，整体结构紧凑、总长度小于有效焦距的1/10,全视场可达3°，成像质量接近衍射极限。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的几何关系模拟示意图；

图3是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的MTF曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统在不同视场下的点列图；

图5是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的畸变示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的结构示意图。如图1所示，该紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统包括主镜1、次镜2、三镜3、四镜4和焦平面5。其中，

按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过主镜1、次镜2、三镜3、四镜4和焦平面5。光线系统采用二次成像结构，一次实像位于次镜2和三镜3中间位置，二次实像位于焦平面5的位置。

通过光线设计计算，得到光学系统的具体结构参数列于表1。

表1系统参数

本发明的系统的工作谱段为400-900nm，有限焦距7700mm，F数6，入瞳直径1250mm，全视场角0.2×1.3°。

图2是本发明实施例提供的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统的几何关系模拟示意图。本实施例提供了一种无二次遮拦，大口径、体积小、长焦距、低成本、尺寸短的互嵌式紧凑型长焦距望远物镜。按照光线入射方向，依次包括主镜、次镜、三镜、四镜以及焦平面；主镜、次镜、三镜、四镜呈主光轴对称结构，无二次遮拦视场成像；主镜为孔径光阑，一次实像位于次镜和三镜的中间，二次像面位于焦平面处；所述主镜、次镜、三镜、四镜的面型均为二次曲面。光路依次经过主镜、次镜、三镜、四镜反射后，最后光线汇聚在焦平面上。

整个设计是一个改进型的格里高利望远系统。图2给出了系统的光线光路模拟图，构造出四反系统的光线光程变化。光学系统的次镜、三镜采用透射式的方式给出(当光线从右向左穿过透镜传播时，次镜起屈光作用，三镜忽略不计；当光线从左向右穿过透镜传播时，三镜起屈光作用，次镜忽略不计)，具体的几何关系如下公式所示：

a＝f₁-d/2

tan(β)＝h₀/(2f₁)

h₁＝tan(β)·a＝a·h₀/f₁

h₂＝2·(d-f₁)tan(β)＝h₀·(d-f₁)/f₁

其中，f₁是主镜和次镜的组合焦距；a是主镜和次镜的组合焦距与次镜之间的距离；d是主镜和三镜沿光轴方向的距离；β是主镜和次镜的合成视场角；h₀是主镜的口径尺寸；h₁是次镜的口径尺寸；h₂是三镜的口径尺寸。

系统的次镜尺寸大小与三镜的尺寸大小基本一致，比值接近1:1，遮拦比在30％左右。但如果系统的F数较小或视场很大时，三镜的尺寸要大于次镜的尺寸，遮拦比将持续增加，甚至达到40％以上。

图3给出了光学系统的MTF曲线，系统的横坐标是空间频率，纵坐标是系统的调制传递函数MTF，可以看出，全视场的MTF曲线接近衍射极限，表明各个视场下的成像质量良好；图4给出了光学系统的点列图，黑色圆圈表示艾里斑，可以看出像斑能量均集中在艾里斑范围之内，表明各个视场下的系统像差校正情况良好，具有较好的成像质量；图5给出了光学系统畸变，全视场的相对畸变小于0.6％。

本实施例的光线系统采用四块非球面镜进行光路折转，将长焦系统的系统整体总长度降低，同时采用主镜和三镜一体加工、次镜和四镜一体加工，减少了镜片的使用总数量，降低了系统装调的难度，结构简单，光路紧凑。与现有的同轴三反相比，四反射系统提升了视场，但由于现有的四反系统的长度增加，加工和装调的难度也增大，为了满足尺寸和性能的要求，本发明提供了一种更优化的系统设置，整体结构紧凑、总长度小于有效焦距的1/10,全视场可达3°，成像质量接近衍射极限。本实施例可以应用在多种成像谱段(紫外、可见、微光、红外灯)下，系统焦距适应范围广(10-10000mm)，系统具有结构紧凑、系统尺寸小、加工装调简单、应用范围广等优点。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统，其特征在于包括：主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)和焦平面(5)；其中，

光线依次经过所述主镜(1)、所述次镜(2)、所述三镜(3)和所述四镜(4)到达所述焦平面(5)；其中，一次实像位于所述次镜(2)和所述三镜(3)中间位置，二次实像位于所述焦平面(5)的位置；

所述主镜(1)的曲率半径为-1563.7mm，所述主镜(1)与所述次镜(2)的间距为513mm，所述主镜(1)的二次项系数为0.9，所述主镜(1)的四次项系数为-4.153e-12；

所述次镜(2)的曲率半径为20130mm，所述次镜(2)与所述三镜(3)的间距为578mm，所述次镜(2)的二次项系数为0.02，所述次镜(2)的四次项系数为-2.590e-10；

所述三镜(3)的曲率半径为-428.8mm，所述三镜(3)与所述四镜(4)的间距为540mm，所述三镜(3)的二次项系数为-0.18，所述三镜(3)的四次项系数为5.774e-12；

所述四镜(4)的曲率半径为-330.7mm，所述四镜(4)与所述焦平面(5)的间距为622mm，所述四镜(4)的二次项系数为-6.8，所述四镜(4)的四次项系数为-2.345e-8。

2.根据权利要求1所述的紧凑型大视场互嵌式全反射光学系统，其特征在于：主镜和次镜的组合焦距为f₁，主镜和次镜的组合焦距与次镜之间的距离为a，主镜和三镜沿光轴方向的距离为d，主镜和次镜的合成视场角为β，主镜的口径尺寸为h₀，次镜的口径尺寸为h₁，三镜的口径尺寸为h₂，上述各参数满足如下公式：

a＝f₁-d/2；

tan(β)＝h₀/(2f₁)；

h₁＝2·tan(β)·a＝a·h₀/f₁；

h₂＝2·(d-f₁)tan(β)＝h₀·(d-f₁)/f₁。

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