CN113759536A - 一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，包括球差校正透镜组、中心开孔的球面主镜、球面副镜、视场像差校正透镜组、卡式焦点位置的焦平面；其中，所述球差校正透镜组位于系统入瞳位置，且其靠近球面主镜的透镜凸面中心区域镀反射膜、边缘环带镀增透膜，该区域为球面副镜位置，球差校正透镜组与球面副镜共用一块光学元件；所述视场像差校正透镜组位于球面主镜的背面、焦平面之前；所述光学系统的焦平面位于卡式焦点处。该光学系统同时兼具小体积、快焦比、大视场、宽波段、终端探测器安装维护便利的特点，可大幅提高望远镜的观测能力和探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测领域光学光学系统，具体涉及一种具有卡式焦点的大视场紧凑型的折反式望远镜光学系统。
背景技术
空间天文望远镜是指搭载于卫星平台之上，用于对宇宙天体进行成像和测量的一类空间光学载荷。为了获取具有高分辨率的星体图像，地基望远镜逐渐向大口径大视场方向发展。但在太空上搭建和启动卫星系统，空间望远镜若尺寸较大，会导致卫星系统的质量和体积过大，不仅增加了向太空携带望远镜的困难，还很大程度的增加了卫星发射成本。因此，新结构形式的具有体积小、灵活性高以及分辨率高的轻量型空间望远镜已经成为本领域的研究热点。
CSTAR望远镜由中国科学院南京天文光学技术研究所首次研制成功并于2008年安装在南极内陆最高点冰穹A上，用于天文观测。本发明以该光学系统的变形结构作为雏形，在保证像质优秀前提下对光学元件进行优化，缩短球差校正透镜间距，扩大通光口径以增加集光能力，拉长后截距以安装大像面探测器，使其更好的满足空间探测的使用要求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，包括球差校正透镜组、中心开孔的球面主镜、球面副镜、视场像差校正透镜组、卡式焦点位置的焦平面；其中，所述球差校正透镜组位于系统入瞳位置，且其靠近球面主镜的透镜凸面中心区域镀反射膜、边缘环带镀增透膜，该区域为球面副镜位置，球差校正透镜组与球面副镜共用一块光学元件；所述视场像差校正透镜组位于球面主镜的背面、焦平面之前；所述光学系统的焦平面位于卡式焦点处。
进一步的，光学系统中的轴上像差和轴外视场像差可独立校正，光焦度集中于反射光学元件上。
进一步的，所述光学系统的成像波段范围为0.4-1μm。
进一步的，所述光学系统中的光学元件为全球面元件。
进一步的，所述球差校正透镜组包括第一球差校正弯月型透镜、第二球差校正弯月型透镜，所述第二球差校正弯月型透镜的中心凸面区域镀反射膜，边缘环带镀增透膜，所述第二球差校正弯月型透镜与球面副镜共用一块光学元件，所述球面主镜与球面副镜的间隔等于第二球差校正弯月型透镜到球面主镜的距离。
进一步的，所述第一球差校正弯月型透镜和第二球差校正弯月型透镜之间的空气间隔为17mm，所述第二球差校正弯月型透镜与球面主镜之间的空气间隔为275.5mm。
进一步的，所述视场像差校正透镜组包括第一视场像差校正透镜、第二视场像差校正透镜，所述球面副镜到第一视场像差校正透镜的距离为350.5mm，所述第一视场像差校正透镜到第二视场像差校正透镜的距离为2mm。
进一步的，所述第二视场像差校正透镜到焦平面的距离为70mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统采用折反式光学架构，获得便于使用的卡式焦点，终端探测器便于安装维护；本发明将将大尺寸球差校正透镜组置于系统光阑位置处，在校正系统像差的同时也替代了光学系统副镜，在靠近焦面位置布置小尺寸视场改正透镜，具有长度短、体积小、重量轻的优点，满足空间望远镜的轻量化要求，节约了系统设计成本。同时兼具快焦比、大视场、宽波段、终端探测器安装维护便利的特点，大幅提高了望远镜的观测能力和探测效率。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例光学系统架构图。
图2为图1光学系统架构的实现原理图。
图3为全视场下光学系统像质展示图(点列图)。
图4为本发明实施例实物图；其中，(a)是正视图；(b)是侧视图。
图中标记：1、第一球差校正弯月型透镜；2、第二球差校正弯月型透镜；3、中心开孔的球面主镜；4、球面副镜；5、第一视场像差校正透镜；6、第二视场像差校正透镜；7、焦平面。
具体实施方式
本发明一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统包括球差校正透镜组、中心开孔的球面主镜3、球面副镜4、视场像差校正透镜组、卡式焦点位置的焦平面7。其中，所述球差校正透镜组位于系统入瞳位置，且其靠近球面主镜的透镜凸面中心区域镀反射膜、边缘环带镀增透膜，该区域为球面副镜4位置，球差校正透镜组与球面副镜4共用一块光学元件；所述视场像差校正透镜组位于球面主镜3的背面、焦平面7之前；所述光学系统的焦面位于卡式焦点处。得益于光学系统中轴上像差和轴外视场像差的独立校正，同时光焦度集中于反射光学元件上，所述光学系统可以获得宽波段(0.4-1μm波段)成像、平像面上全视场像质均匀良好。本发明采用折反式光学架构，获得便于使用的卡式焦点，终端探测器便于安装维护；本发明将大尺寸球差校正透镜组置于系统光阑位置处，在校正系统像差的同时也替代了光学系统副镜，在靠近焦面位置布置小尺寸视场改正透镜组，具有长度短、体积小、重量轻的优点，满足空间望远镜的轻量化要求，节约了系统设计成本。同时兼具快焦比、大视场、宽波段、终端探测器安装维护便利的特点，大幅提高了望远镜的观测能力和探测效率。
如图1、4所示，本实施例中的球差校正透镜组优选由两块正弯月型透镜(即第一球差校正弯月型透镜1和第二球差校正弯月型透镜2)组成，本实施例中的视场像差校正透镜组优选由两块正透镜(即第一视场像差校正透镜5、第二视场像差校正透镜6)组成。图1所示实施例的具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统具体包括第一球差校正弯月型透镜1、第二球差校正弯月型透镜2、中心开孔的球面主镜3、球面副镜4(透镜2中心凸面)、第一视场像差校正透镜5、第二视场像差校正透镜6、卡式焦点位置的焦平面7。该光学系统的实现原理如图2所示。本实施例的光学系统中光学元件为全球面元件；第一球差校正弯月型透镜1和第二球差校正弯月型透镜2位于系统入瞳位置；第二球差校正弯月型透镜2与球面副镜4共用一块光学元件，第二球差校正弯月型透镜2的中心区域镀反射膜，边缘环带镀增透膜；第一视场像差校正透镜5和第二视场像差校正透镜6位于球面主镜3的背面、焦平面7之前；系统焦平面7位于卡式焦点处。
作为本实施例的优选，第一球差校正弯月型透镜1和第二球差校正弯月型透镜2之间的空气间隔为17mm，第二球差校正弯月型透镜2与球面主镜3之间的空气间隔为275.5mm，球面主镜3与球面副镜4的间隔等于第二球差校正弯月型透镜2到球面主镜3的距离，球面副镜4到第一视场像差校正透镜5的距离为350.5mm，第一视场像差校正透镜5距离第二视场像差校正透镜6距离2mm，第二视场像差校正透镜6距离焦平面7的距离为70mm。
由上述镜片组成的光学系统达到了如下的光学指标：
1、焦距：f′＝900mm；
2、相对孔径：D/F＝1/3；
3、视场角：2w＝4.6°；
4、设计波段：0.400～1μm；
5、视场点斑RMS(视场角4.6°)：全视场点列图80％能量集中在半径10.2μm圆域，全视场点列图RMS半径≤7.5μm(具体如图2)；
6、镜筒总长：≤450mm。
本实施例在全视场下光学系统的像质点列图如图3所示。本实施例的光学系统采用2片球差改正透镜，2片视场像差改正透镜，2片反射镜(其中副镜反射镜为共用)，达到良好的光学像质。在优化设计中，合理地选择操作数和权重，使各种像差得到有效的控制。考虑到大口径镜片的加工难度，放松球差改正透镜的顶点曲率半径加工要求，获得实际测量数值后，调整视场改正透镜的顶点曲率半径补偿，获得接近设计值的实施例。
该镜头入瞳口径为300mm，系统焦比f/3。在满足通光能量和保证像质的情况下，结构轻小紧凑，具有长度短、体积小、重量轻的优点，同时兼具大视场、宽波段的特点。由于它的快速f/3焦比和校正后的80mm宽视场，系统在4.6°内视场无渐晕，像质优秀。该望远镜可以胜任天体摄影、天文巡天、空间碎片观测等需要。
综上可见，本发明是获得卡式焦点的快焦比大视场成像质量良好的望远镜光学系统；通过在大尺寸球差改正透镜中心区域上镀反射膜、边缘环带镀增透膜的方式，使球差改正透镜与球面副镜共用透镜的凸面，光路轻巧灵活，体积小，重量轻，节约设计、加工以及检测成本；实施例中采用两块视场像差改正透镜方式校正视场像差，在增大视场时，可以将视场改正透镜增加到3或者4片。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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 (8)
1.一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：包括球差校正透镜组、中心开孔的球面主镜(3)、球面副镜(4)、视场像差校正透镜组、卡式焦点位置的焦平面(7)；其中，所述球差校正透镜组位于系统入瞳位置，且其靠近球面主镜的透镜凸面中心区域镀反射膜、边缘环带镀增透膜，该区域为球面副镜(4)位置，球差校正透镜组与球面副镜(4)共用一块光学元件；所述视场像差校正透镜组位于球面主镜(3)的背面、焦平面(7)之前；所述光学系统的焦平面(7)位于卡式焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：光学系统中的轴上像差和轴外视场像差可独立校正，光焦度集中于反射光学元件上。
3.根据权利要求1所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述光学系统的成像波段范围为0.4-1μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述光学系统中的光学元件为全球面元件。
5.根据权利要求4所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述球差校正透镜组包括第一球差校正弯月型透镜(1)、第二球差校正弯月型透镜(2)，所述第二球差校正弯月型透镜(2)的中心凸面区域镀反射膜，边缘环带镀增透膜，所述第二球差校正弯月型透镜(2)与球面副镜(4)共用一块光学元件，所述球面主镜(3)与球面副镜(4)的间隔等于第二球差校正弯月型透镜(2)到球面主镜(3)的距离。
6.根据权利要求5所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述第一球差校正弯月型透镜(1)和第二球差校正弯月型透镜(2)之间的空气间隔为17mm，所述第二球差校正弯月型透镜(2)与球面主镜(3)之间的空气间隔为275.5mm。
7.根据权利要求6所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述视场像差校正透镜组包括第一视场像差校正透镜(5)、第二视场像差校正透镜(6)，所述球面副镜(4)到第一视场像差校正透镜(5)的距离为350.5mm，所述第一视场像差校正透镜(5)到第二视场像差校正透镜(6)的距离为2mm。
8.根据权利要求7所述的一种具有卡式焦点的大视场紧凑型折反式望远镜光学系统，其特征在于：所述第二视场像差校正透镜(6)到焦平面的距离为70mm。
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