CN110543006A - 一种大视场宽波段天文望远镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，包括反射式施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜、焦面；其中，光线依次经过施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜到达焦面；其中，焦面位于平面折转镜的背面。施密特矫正板位于球面反射镜的球心，施密特矫正板为正轴高次非球面。本发明在反射式施密特矫正板与球面镜之间插入折转镜，使焦面位于系统外部，方便目视，同时缩短了筒长，使光学结构更加紧凑；更重要的是，设计的反射式施密特矫正板属于正轴高次非球面，并且设计阶段控制非球面度在易加工检测范围内，使得施密特系统加工成本较低。

Description

一种大视场宽波段天文望远镜光学系统
技术领域
本发明属于光学仪器领域，具体涉及一种大视场、宽波段、低成本的天文望远镜光学系统，具体涉及一种改进型的全反射式施密特光学系统。
背景技术
光学天文望远镜是观测天体的重要仪器之一，低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。
按照物镜的种类，可将望远镜光学系统分为三类：折射系统、反射系统和折反系统。大口径、大相对孔径的折射系统透镜材料及加工费用都很高，因此价格十分昂贵。反射式望远镜光学系统常用的有牛顿系统、卡塞格林系统、格里高利系统等，此类反射系统，对轴外像差校正能力较弱，清晰成像的视场角较小，一般小于±1°，不能满足大视场望远镜的需求。折反射系统以球面镜为基础，加入适当的折射元件，用来矫正轴外球差，可取得良好的光学质量。
施密特系统具有视场大、像质好等优点，是应用最广泛的折反射系统之一。传统施密特系统由球面反射镜和施密特矫正板组成，矫正板可以是透射元件或反射元件。传统反射式施密特系统的矫正板位于球面镜心处，是离轴高次非球面，加工检测成本较高，镜筒较长，体积庞大，且焦面位于系统内部，不方便目视，故很少在批量生产的科普天文望远镜中应用。
发明内容
本发明提供了一种大视场、宽波段、低成本天文望远镜光学系统，在反射式施密特矫正板与球面镜之间插入折转镜，使焦面位于系统外部，方便目视，同时缩短了筒长，使光学结构更加紧凑；更重要的是，设计的反射式施密特矫正板属于正轴高次非球面，并且设计阶段控制非球面度在易加工检测范围内，使得施密特系统加工成本较低。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，包括反射式施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜、焦面；其中，光线依次经过所述施密特矫正板、所述平面折转镜、所述球面反射镜到达所述焦面；其中，所述焦面位于所述平面折转镜的背面。
更进一步地，所述施密特矫正板位于球面反射镜的球心，所述施密特矫正板为正轴高次非球面。
更进一步地，所述施密特矫正板与入射光光轴成10°夹角。
更进一步地，所述施密特矫正板的光学面为无光焦度非球面，面型由如下公式确定，
x＝Ay2+By4+Cy6+Dy8+····
式中，A、B、C、D为施密特矫正板的特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的失高。
更进一步地，所述平面折转镜的中心有让光线通过的开孔，所述平面折转镜与所述施密特矫正板平行放置，或者与光轴成45°夹角。
更进一步地，所述施密特矫正板和/或所述平面折转镜和/或所述球面反射镜为金属或玻璃反射镜。
本发明的技术效果如下：
1、本发明提供一种大视场、宽波段、低成本天文望远镜光学系统，该系统为全反射光学系统，不存在宽波段带来的色差，成像质量好；
2、本发明采用三块反射镜进行光路折转，将长焦距系统的整体长度降低，使光路结构更加紧凑；
3、本发明中的施密特矫正板为高次非球面，在设计过程中精确控制施密特矫正板的加工去除量，最大非球面度仅为0.005mm，加工周期短，且易实现高精度检测。
4、与现有的同等口径三反系统相比，本发明的光学系统提升了视场；同等口径三反系统主镜、次镜和三镜均为非球面，加工周期较长，成本较高。
附图说明
图1为本发明光学结构示意图；
图2为本发明所提供的光学系统MTF曲线图；
图3为本发明实施例1光学结构示意图；
图4为本发明实施例1光学系统MTF曲线图；
图中标记：1、施密特矫正板；2、平面折转镜；3、球面反射镜4、焦面。
具体实施方式
下面结合附图与实施例1对本发明作进一步阐述：
光学系统设计指标如下：
有效口径：400mm
光学视场：全视场4°
系统焦距：1700mm
像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.3
工作波段：400nm～900nm
所述400mm口径望远镜光学系统的结构示意图如图1所示，图2为本发明所提供的光学系统MTF曲线图。该望远镜光学系统包括施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。施密特矫正板位于球面反射镜的球心，这样能使整个系统的球差得到很好的矫正，且系统不产生慧差、像散和畸变，而仅有场曲。
大视场施密特光学系统设计参数如下：
矫正板非球面系数：2次项系数：A＝-1.70×10-7，4次项系数：B＝3.112×10-12，6次项系数：C＝4.177×10-19，8次项系数：D＝-1.662×10-25，施密特矫正板方程为
x＝-1.7×10-7y2+3.112×10-12y4+4.177×10-19y6+(-1.662×10-25)y8
本发明系统的工作谱段为400nm～900nm，系统焦距为f＝1700mm，视场角2ω＝4°，有效通光口径400mm。像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.35，畸变小于2.5％，成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与接近球面最大偏差为0.005mm，采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计可为大视场宽波段天文望远镜的开发提供参考。
实施例1，大口径望远镜光学系统，参照图3：光学设计指标如下：
口径：1000mm
全视场：4°
焦距：5100mm
像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.25
工作波段：400nm～900nm
所述1000mm口径望远镜光学系统的结构示意图如图3所示，图4为实施例1的光学系统MTF曲线图。该望远镜光学系统包括施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。施密特矫正板位于球面反射镜的球心，这样能使整个系统的球差得到很好的矫正，且系统不产生慧差、像散和畸变，而仅有场曲。
通过光线设计计算，得到所述1000mm口径望远镜光学系统的具体结构参数：
矫正板非球面系数：2次项系数：A＝-5.790×10-8，4次项系数：B＝1.12×10-13，6次项系数：C＝8.253×10-20，8次项系数：D＝-1.057×10-24，施密特矫正板方程为
x＝-5.79×10-8y2+1.12×10-13y4+8.25×10-20y6+(-1.057×10-24)y8
实施例1增大光学系统口径至1000mm，焦距放大至5100mm，而施密特矫正板最大修磨量仅为0.007mm，与同等口径的抛物面相比加工周期缩短一半，从而节约大口径光学系统的加工成本。实施例1像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.3，畸变小于2.5％，成像质量达到了衍射极限。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：包括反射式施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜、焦面；其中，光线依次经过所述施密特矫正板、所述平面折转镜、所述球面反射镜到达所述焦面；其中，所述焦面位于所述平面折转镜的背面。
2.根据权利要求1所述的一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：所述施密特矫正板位于球面反射镜的球心，所述施密特矫正板为正轴高次非球面。
3.根据权利要求1所述的一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：所述施密特矫正板与入射光光轴成10°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：所述施密特矫正板的光学面为无光焦度非球面，面型由如下公式确定，
x＝Ay2+By4+Cy6+Dy8+····
式中，A、B、C、D为施密特矫正板的特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的失高。
5.根据权利要求1所述的一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：所述平面折转镜的中心有让光线通过的开孔，所述平面折转镜与所述施密特矫正板平行放置，或者与光轴成45°夹角。
6.根据权利要求1所述的一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，其特征在于：所述施密特矫正板和/或所述平面折转镜和/或所述球面反射镜为金属或玻璃反射镜。
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