CN111812829B - 一种主三镜一体化同轴四反光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主三镜一体化同轴四反光学系统，属于空间光学遥感技术领域，该光学系统包括主反射镜，次反射镜，第三反射镜以及第四反射镜，并且四片反射镜同轴设置，有效压缩光学系统轴向长度，次反射镜与第四反射镜位于主反射镜同侧，主反射镜与第三反射镜一体化加工设计，降低了加工与装调难度。本发明采用四片二次非球面反射镜，便于像散、场曲的校正，并基于二次成像原理在第一像面处对系统杂散光进行高度有效抑制。本发明光学系统结构紧凑，畸变低，杂光抑制性好。

Description

一种主三镜一体化同轴四反光学系统

技术领域

本发明涉及空间光学遥感技术领域，特别是涉及一种主三镜一体化同轴四反光学系统。

背景技术

随着航天技术的迅猛发展，人们对于高分辨率图像的需求也越来越迫切，在满足高分辨率成像的同时，人们对光学系统结构的紧凑性、加工装调难易程度的要求也越来越高。

两反射镜望远系统中RC望远镜综合性能最好，可以校正球差和彗差，但通常会具有较大的像散。通过使用三个二次曲面反射镜可以提供足够的自由度校正全部三阶初级像差，除了校正球差和彗差之外，还可以校正三阶像散。现有的同轴三反光学系统在大视场情况下，中心遮拦过大，对进入系统的能量有很大影响，降低了系统传递函数与成像质量；离轴三反光学系统加工、装调以及光学检测都增加了难度，并且三反光学系统校正畸变的能力较差，可以通过设计四反光学系统来弥补这一技术性的不足。

同轴四反结构可以很好的校正畸变，例如公开号为CN102866487A、名称为“同轴四反超低畸变光学系统”的发明专利，该同轴四反超低畸变光学系统在同轴TMA光学系统的基础上引入小光焦度大非球面系数四镜，四镜位于系统出瞳附近，通过四镜的非球面系数校正系统光瞳像差，使系统实现超低畸变，但是其系统总长较大，三镜、四镜距离主镜过远，体积紧凑性有待提高。因此亟需设计一种结构紧凑、畸变低、可抑制杂散光且便于加工装调的同轴四反光学系统。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种主三镜一体化同轴四反光学系统，该系统具有长焦距、小筒焦比、结构紧凑、畸变低、杂散光抑制特性好且便于加工装调的优点。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所述主反射镜的顶点曲率半径为713.527mm，所述次反射镜的顶点曲率半径为387.386mm，所述第三反射镜的顶点曲率半径为201.258mm，所述第四反射镜的顶点曲率半径为265.212mm，所述主反射镜的口径为420mm；

所述主反射镜、所述次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜同轴设置，且所述主反射镜与所述第三反射镜一体化加工设计，所述次反射镜与所述第四反射镜位于所述主反射镜的同一侧，所述主反射镜、所述次反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜均为二次非球面反射镜，所述第三反射镜和所述第四反射镜均开有通光孔，所述主反射镜作为所述主三镜一体化同轴四反光学系统的孔径光阑；

入射光依次经过所述主反射镜、所述次反射镜反射后通过所述第四反射镜上的通光孔到达所述第三反射镜，所述第三反射镜将光线再次反射至所述第四反射镜上，所述第四反射镜将光线反射，反射光通过所述第三反射镜上的通光孔后会聚至位于焦面处的探测器上，在所述探测器上成像，所述主反射镜(1)、所述次反射镜(2)、所述第三反射镜(3)、所述第四反射镜(4)与光线接触的表面分别为标准面2、标准面3、标准面5、标准面6，所述标准面2与所述标准面3之间的间隔为282.906mm，所述标准面5与所述标准面6之间的间隔为166mm，所述标准面6与所述焦面所在的标准面7之间的间隔为365.211mm，所述主三镜一体化同轴四反光学系统的总长为486mm，畸变小于等于0.12，杂光系数为1.03％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的一种主三镜一体化同轴四反光学系统包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜以及第四反射镜，并且四片反射镜同轴设置，从而有效压缩光学系统轴向长度；主反射镜与第三反射镜一体化加工设计，降低了加工与装调难度；四片反射镜均为二次非球面反射镜，便于像散、场曲的校正，并且本发明基于二次成像原理在第一像面处实现对系统杂散光进行高度有效抑制。本发明的光学系统具有结构紧凑、畸变低以及杂光抑制性好等优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例中主三镜一体化同轴四反光学系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中主三镜一体化同轴四反光学系统的光学传递函数曲线图；

图3为本发明一个实施例中主三镜一体化同轴四反光学系统的场曲和畸变曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

图1为本发明一个实施例中主三镜一体化同轴四反光学系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种主三镜一体化同轴四反光学系统，该系统包括主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4，主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4同轴设置，主反射镜1为光学系统的孔径光阑，且主反射镜1与第三反射镜3一体化加工设计，次反射镜2与第四反射镜4位于主反射镜1的同一侧，主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4均为二次非球面反射镜，第三反射镜3和第四反射镜4均开有通光孔。

本实施例所提出的光学系统采用同轴四反光学结构，如图1所示，包括主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4。其中主反射镜1作为该光学系统的孔径光阑，次反射镜2与主反射镜1同轴设置，且在主反射镜1的反射光路上，主反射镜1与第三反射镜3一体化加工设计、检测，从而免除了第三反射镜3在系统中的装调；第四反射镜4置于一次像面处，第四反射镜4上开有通光孔，允许经次反射镜2反射的光通过该通光孔入射到第三反射镜3上。入射光依次经过主反射镜1、次反射镜2反射后通过第四反射镜4上的通光孔到达第三反射镜3，第三反射镜3将光线再次反射至第四反射镜4上，光线经第三反射镜3反射后，由第四反射镜4反射通过第三反射镜3的通光孔后会聚到位于焦面处的探测器5上，在探测器5上成像，最终实现光学成像。以上主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4全部为二次非球面反射镜，例如是二次非球面圆形反射镜。

本发明的工作原理是：本发明的主三镜一体化同轴四反光学系统采用同轴四反形式压缩轴向总长，主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3和第四反射镜4同轴设置，次反射镜2与第四反射镜4位于主反射镜1同侧，主反射镜1与第三反射镜3一体化光学加工设计，降低了加工与装调难度；本发明中四片反射镜均为二次非球面反射镜，可有效校正像散、场曲；同时，本发明基于二次成像原理抑制杂散光，保证了光学系统的成像质量。

本发明所提出的一种主三镜一体化同轴四反光学系统包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜以及第四反射镜，并且四片反射镜同轴设置，从而有效压缩光学系统轴向长度；主反射镜与第三反射镜一体化加工设计，降低了加工与装调难度；四片反射镜均为二次非球面反射镜，便于像散、场曲的校正，并且本发明基于二次成像原理在第一像面处实现对系统杂散光进行高度有效抑制。本发明的光学系统具有结构紧凑、畸变低以及杂光抑制性好等优点。

可选地，本发明光学系统中各个光学元件的具体参数参见表格1，主反射镜1的顶点曲率半径为713.527mm，次反射镜2的顶点曲率半径为387.386mm，第三反射镜3的顶点曲率半径为201.258mm，第四反射镜4的顶点曲率半径为265.212mm，四片反射镜采用二次非球面反射镜，对于光学系统的像散、场曲起到了良好的抑制作用。

表1

主反射镜1作为光学系统的孔径光阑，也是光学系统的入瞳，其口径为D＝420mm。

表2为本发明光学系统的具体光学参数。四片反射镜采用同轴四反形式(四反射镜均同轴设置)，极大的压缩轴向总长，光学系统的总长d为486mm，优于490mm；光学系统结构轻巧紧凑，外包络尺寸仅为Φ430×640mm；基于二次成像原理设计该光学系统，仿真分析得到光学系统畸变小于等于0.12，杂光系数为1.03％，具有优良的杂散光抑制作用。同时，光学系统的谱段范围为450nm～850nm，焦距为3506mm，F数(F/#)为8.3，在推扫模式下的视场范围为1.24°×0.01°，透过率大于等于0.8。

表2

项目	指标
		谱段范围/nm	全色:450～850
焦距/mm	3506
		口径/mm	Φ420
F/#	8.3
		视场/°	推扫模式:1.24×0.01
光学系统透过率	≥0.80
		光学系统畸变	≤0.12％
杂光系数	1.03％
		外包络尺寸/mm	Φ430×640

图2和图3分别为基于表1和表2得到的光学系统的光学传递函数曲线图和场曲、畸变曲线图，在图2中，横坐标为空间频率，单位为周期/mm，纵坐标为光学传递函数(OTF)模值；在图3中，图3(a)为场曲曲线图，图3(b)为畸变曲线图。由图2与图3可知，全视场平均传函为0.296@90lp/mm；全视场畸变≤0.025％，表明本发明的光学系统场成像质量良好。

本发明达到的积极效果是：本发明光学系统结构紧凑，轴向总长d优于490mm，外包络尺寸为Φ430×640，可满足空间相机轻小型的应用需求。焦距可达3506mm，具有长焦距、小筒焦比的特点。全视场平均传函为0.296@90lp/mm；全视场畸变≤0.025％；全视场波像差≤0.07λ，杂光系数仿真结果为1.03％，整个光学系统具有优良的杂光抑制性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，包括主反射镜(1)、次反射镜(2)、第三反射镜(3)和第四反射镜(4)，所述主反射镜(1)的顶点曲率半径为713.527mm，所述次反射镜(2)的顶点曲率半径为387.386mm，所述第三反射镜(3)的顶点曲率半径为201.258mm，所述第四反射镜(4)的顶点曲率半径为265.212mm，所述主反射镜(1)的口径为420mm；

所述主反射镜(1)、所述次反射镜(2)、所述第三反射镜(3)和所述第四反射镜(4)同轴设置，且所述主反射镜(1)与所述第三反射镜(3)一体化加工设计，所述次反射镜(2)与所述第四反射镜(4)位于所述主反射镜(1)的同一侧，所述主反射镜(1)、所述次反射镜(2)、所述第三反射镜(3)和所述第四反射镜(4)均为二次非球面反射镜，所述第三反射镜(3)和所述第四反射镜(4)均开有通光孔，所述主反射镜(1)作为所述主三镜一体化同轴四反光学系统的孔径光阑；

入射光依次经过所述主反射镜(1)、所述次反射镜(2)反射后通过所述第四反射镜(4)上的通光孔到达所述第三反射镜(3)，所述第三反射镜(3)将光线再次反射至所述第四反射镜(4)上，所述第四反射镜(4)将光线反射，反射光通过所述第三反射镜(3)上的通光孔后会聚至位于焦面处的探测器(5)上，在所述探测器(5)上成像，所述主反射镜(1)、所述次反射镜(2)、所述第三反射镜(3)、所述第四反射镜(4)与光线接触的表面分别为标准面2、标准面3、标准面5、标准面6，所述标准面2与所述标准面3之间的间隔为282.906mm，所述标准面5与所述标准面6之间的间隔为166mm，所述标准面6与所述焦面所在的标准面7之间的间隔为365.211mm，所述主三镜一体化同轴四反光学系统的总长为486mm，畸变小于等于0.12，杂光系数为1.03％。

2.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统的谱段范围为450nm～850nm。

3.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统的焦距为3506mm。

4.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统的F数为8.3。

5.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统在推扫模式下的视场范围为1.24°×0.01°。

6.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统的透过率大于等于0.8。

7.根据权利要求1所述的主三镜一体化同轴四反光学系统，其特征在于，

所述主三镜一体化同轴四反光学系统的外包络尺寸为Φ430×640mm。

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