CN111367066A - 一种同轴四反光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的同轴四反光学系统，包括沿光轴回转对称设置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面，物方无穷远物体发出的光束经过第一反射镜反射进入到第二反射镜上，再经第二反射镜反射汇聚在所述一次像面上，光束经过上述一次像面后发散，入射到第三反射镜上，经过第三反射镜反射后，反射到第四反射镜上，经过第四反射镜反射后入射进入分光镜，光束经分光镜分光后分别汇聚在第一焦平面和所述第二焦平面上，本发明采用同轴四反的光学系统结构形式，利用光路的多次折叠，降低系统的总长，光学系统的筒长焦距比进一步减少，提高光学系统的像差平衡能力。

Description

一种同轴四反光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像系统技术领域，特别涉及一种同轴四反光学系统。

背景技术

随着空间探测和对地观测需求的不断提高，高分辨率成像对空间光学载荷的焦距提出较高的要求，一般情况下，焦距越长，成像的分辨率越高。现今主流的商用卫星载荷的焦距已经发展到8～10米或者更高的级别，例如IKONOS相机的焦距为10m，WorldView2相机的焦距达到13m。长焦距相机虽然会带来成像分辨率的提升，同时也会引起光学系统的质量和体积增加，对于卫星或者导弹的反射成本也会相应的增加。所以长焦距光学载荷的轻小化设计是实现载荷本身质量和体积小型化的有效途径。

空间遥感光学系统多采用折反混合式和全反射式光学系统。折反射式光学系统针对不同的成像波段会引入色差，同时系统的重量和体积无法满足长焦距光学载荷的要求，所以大部分空间载荷选择全反射式光学系统。全反射式光学系统分为同轴系统和离轴系统两类，离轴系统可以实现大视场成像，但是体积和重量比同轴要大，同时光学系统的装调难度变大。同轴系统可以通过紧凑型设计将光学系统的体积进行压缩，实现超紧凑式光学布局。

中国专利公开号为CN106094186A，专利名称为“一种长焦距超短筒长同轴全反射光学系统”，该发明中论述了一种像方焦距1000mm，入瞳直径1400mm的光学设计，该系统第一反射镜和第三反射镜为高次非球面，第二反射镜为二次曲面，采用次镜复用(即次镜在光路中参与两次成像)的形式实现同轴四反光学系统的结构布局，在保证成像质量的情况下，缩小了系统的筒长。

现有的技术采用三个反射镜平衡光学系统的像差，无法在保证成像质量的同时，进一步缩小系统的筒长，减少光学系统的体积；现有技术第二反射镜在成像光路中复用，所以第二反射镜的制造公差比较严；同时第二反射镜为凸的二次曲面，凸的二次曲面加工和检测都比较困难，给光学反射镜的制造和面形检测增添很多困难。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够提高光学系统的像差平衡能力同时降低反射镜复用带来的加工公差严的问题的同轴四反光学系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供了一种同轴四反光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面位于同一光轴上，且相对于光轴回转对称。光学系统的结构形式为第一反射镜和第三反射镜采用共体设计，两块反射镜位置接近，第二反射镜位于远离第一反射镜和第三反射镜的一侧，第四反射镜位于第一反射镜和第二反射镜之间，一次像面位于第四反射镜的中心位置，分光镜和第一焦平面以及第二焦平面位于第一反射镜的第三反射镜的另外一侧；其中：

物方无穷远物体发出的光束经过所述第一反射镜反射进入到所述第二反射镜上，再经第二反射镜反射汇聚在所述一次像面上，光束经过上述一次像面后发散，入射到所述第三反射镜上，经过所述第三反射镜反射后，反射到所述第四反射镜上，经过所述第四反射镜反射后入射进入所述分光镜，光束经所述分光镜透分光后分别汇聚在所述第一焦平面和所述第二焦平面上。

在一些较佳的实施例中，所述第一反射镜为凹非球面，所述第一反射镜的反射面具有六次非球面系数。

在一些较佳的实施例中，所述第二反射镜为凸球面。

在一些较佳的实施例中，所述第三反射镜为凹的非球面，所述第三反射镜的反射面具有六次、八次非球面系数。

在一些较佳的实施例中，所述第四反射镜为凸球面。

在一些较佳的实施例中，所述第一反射镜、第三反射镜和第四反射镜中心设置有孔洞，用于光束的通光。

在一些较佳的实施例中，所述一次像面上设置有视场光阑，所述视场光阑可抑制视场外杂散光进入到成像视场内。

在一些较佳的实施例中，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜的材料为碳化硅材料或陶瓷材料或金属材料。

在一些较佳的实施例中，所述陶瓷材料为微晶玻璃，所述金属材料为铝合金或铍或铍铝合金。

本发明采用上述技术方案的优点是：

(1)结构形式紧凑

本发明采用同轴四反的光学系统结构形式，利用光路的多次折叠，降低系统的总长，使得光学系统的筒长焦距比进一步减少，从而实现紧凑的结构形式。

(2)成像质量好

发明采用同轴四反的光学系统结构形式，采用四块反射镜平衡光学系统的像差，提高光学系统的像差平衡能力，同时降低反射镜复用带来的加工公差严的问题。本发明通过设计与优化，使得各视场的传递函数接近衍射极限，全视场平均传函优于0.26，成像质量好。

(3)易于加工制造

本发明第一反射镜和第三反射镜为凹高次非球面，第二反射镜和第四反射镜为凸球面，反射镜都易于加工制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的同轴四反光学系统的结构示意图。

其中，图1中，1—第一反射镜，2—第二反射镜，3—第三反射镜，4—第四反射镜，5—一次像面，6—分光镜，7—第一焦平面，8—第二焦平面。

图2为本发明实施例提供的光学系统传递函数MTF示意图。

具体实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的同轴四反光学系统100的结构示意图，包括：第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、一次像面5、分光镜6、第一焦平面7及第二焦平面8，所述第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4、一次像面5、分光镜6、第一焦平面7及第二焦平面8位于同一光轴上，且相对于光轴回转对称。

本发明提供的同轴四反光学系统100的工作方式如下：

物方无穷远物体发出的光束经过所述第一反射镜1反射进入到所述第二反射镜2上，再经第二反射镜2反射汇聚在所述一次像面5上，光束经过上述一次像面5后发散，入射到所述第三反射镜3上，经过所述第三反射镜3反射后，反射到所述第四反射镜4上，经过所述第四反射镜4反射后入射进入所述分光镜6，光束经所述分光镜6透分光后分别汇聚在所述第一焦平面7和所述第二焦平面8上。

可以理解，本发明提供的同轴四反光学系统100的孔径光阑设置在第一反射镜1上，同时第一反射镜1也是该同轴四反光学系统100的的入瞳。

在一些较佳的实施例中，在所述第四反射镜4的中心孔的所述一次像面上设置有视场光阑(图未示)，所述视场光阑可抑制视场外杂散光进入到成像视场内，提高成像质量；且可将所述第四反射镜4的中心孔设置成视场光阑，从而在不增加额外结构的同时，增强光学系统的外杂光抑制能力。

在一些较佳的实施例中，所述第一反射镜1为凹非球面，所述第一反射镜1的反射面具有六次非球面系数。所述第三反射镜3为凹的非球面，所述第三反射镜3的反射面具有六次或八次非球面系数；所述第二反射镜2为凸球面，所述第四反射镜4为凸球，从而使得反射镜的加工和制造比较容易实现。

在一些较佳的实施例中，所述第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4的材料为碳化硅材料或陶瓷材料或金属材料。所述陶瓷材料为微晶玻璃，所述金属材料为铝合金或铍或铍铝合金。

以下结合具体实施例进一步说明本发明上述技术方案。

实施例

根据图1本实施例提供的同轴四反光学系统100，其中，光学参数为：像方焦距3500mm，入瞳直径为350mm，光学总长为240mm，光谱谱段450nm～850nm，视场角1.24°。

光学系统的设计参数如下表1所示。

表1

请参阅图2，为本发明采用上述设计的各个反射镜，得到的各视场的传递函数曲线。从图2中可以看出，各视场的传递函数接近衍射极限，全视场平均传函优于0.26，成像质量良好。

本发明提供的同轴四反光学系统，包括沿光轴回转对称设置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面，物方无穷远物体发出的光束经过所述第一反射镜反射进入到所述第二反射镜上，再经第二反射镜反射汇聚在所述一次像面上，光束经过上述一次像面后发散，入射到所述第三反射镜上，经过所述第三反射镜反射后，反射到所述第四反射镜上，经过所述第四反射镜反射后入射进入所述分光镜，光束经所述分光镜透分光后分别汇聚在所述第一焦平面和所述第二焦平面上，本发明采用同轴四反的光学系统结构形式，利用光路的多次折叠，降低系统的总长，光学系统的筒长焦距比进一步减少，大大提高光学系统的像差平衡能力，同时降低反射镜复用带来的加工公差严的问题。

当然本发明的同轴四反光学系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种同轴四反光学系统，其特征在于，包括：第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、一次像面、分光镜、第一焦平面及第二焦平面位于同一光轴上，且相对于光轴回转对称，光学系统的结构形式为第一反射镜和第三反射镜采用共体设计，两块反射镜位置接近，第二反射镜位于远离第一反射镜和第三反射镜的一侧，第四反射镜位于第一反射镜和第二反射镜之间，一次像面位于第四反射镜的中心位置，分光镜和第一焦平面以及第二焦平面位于第一反射镜的第三反射镜的另外一侧；其中：

物方无穷远物体发出的光束经过所述第一反射镜反射进入到所述第二反射镜上，再经第二反射镜反射汇聚在所述一次像面上，光束经过上述一次像面后发散，入射到所述第三反射镜上，经过所述第三反射镜反射后，反射到所述第四反射镜上，经过所述第四反射镜反射后入射进入所述分光镜，光束经所述分光镜分光后分别汇聚在所述第一焦平面和所述第二焦平面上。

2.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第一反射镜为凹非球面，所述第一反射镜的反射面具有六次非球面系数。

3.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第二反射镜为凸球面。

4.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第三反射镜为凹的非球面，所述第三反射镜的反射面具有六次或八次非球面系数。

5.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第四反射镜为凸球面。

6.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、第三反射镜和第四反射镜中心设置有孔洞，用于光束的通光。

7.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述一次像面上设置有视场光阑，所述视场光阑可抑制视场外杂散光进入到成像视场内。

8.如权利要求1所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜的材料为碳化硅材料或陶瓷材料或金属材料。

9.如权利要求8所述的同轴四反光学系统，其特征在于，所述陶瓷材料为微晶玻璃，所述金属材料为铝合金或铍或铍铝合金。

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