CN113835205B - 一种折反射式成像望远光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学镜头与光学设计技术领域，提供了一种折反射式成像望远光学系统，包括沿光轴依次设置的次镜和采用拼接结构的凹面反射镜组件的主镜，还包括用于校正主镜与次镜共同产生的边缘视场的球差的透镜组件和用于折转光路的折叠镜；本发明的折反射式成像望远光学系统中大部分光学表面均为球面，使得折反射式成像望远光学系统的成像质量好、制造成本低、验证效果好。

Description

一种折反射式成像望远光学系统

技术领域

本发明属于光学镜头与光学设计技术领域，具体涉及一种面向拼接式望远镜波前传感与控制技术验证的折反射式成像望远光学系统。

背景技术

拼接式主镜望远镜突破了光学制造、发射运载工具等的限制，使天基/地基望远镜的口径有了大幅提升。然而，为了保证拼接式望远镜的光学成像质量，需要通过波前传感与控制技术(Wavefront Sensing&Control，WFS&C)实现拼接子镜之间的nm量级共相调校精度，才能使望远镜充分发挥大口径的性能优势，该技术应用于大口径拼接式望远镜的目的主要在于解决以下问题：如何在空间环境中无法使用大口径平面镜、大口径平行光管、高精度干涉仪等地面测试设备的前提下，通过多种波前传感硬件、软件获得并处理天文星点目标的图像数据，实现拼接子镜、次镜等关键光学元件毫米量级的失调量检测和解算，达到纳米量级共相位的失调量校正，并最终获得接近光学衍射极限的成像质量。

因此，有必要通过研制缩比系统，开展波前传感与控制技术的试验验证，为下一代大型拼接式望远镜的研制奠定关键技术基础。

常见的全反射式天文望远镜多采用Cassegrain结构或R-C结构，两种常见结构中均有非球面反射镜，其加工成本比较高昂，不利于成本控制。且现有的望远光学结构设计时没有考虑到如何与微位移促动器、波前传感检测硬件系统、后端成像单元系统像质综合测试系统等配合，形成完整的拼接式空间望远镜在轨光学调校技术原理验证样机，无法开展对次镜的六自由度失调校正，以及对拼接式主镜的共焦、共相检测与调整。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种折反射式成像望远光学系统，该光学系统既能够有效模拟拼接式望远镜的主要技术特点，又充分考虑了折反射式成像望远光学系统像面后的成像光路、波前传感检测光路、系统像质综合测试光路之间切换试验的需求。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种折反射式成像望远光学系统，包括沿光轴依次设置的次镜、主镜，主镜为采用拼接结构的凹面反射镜组件，凹面反射镜组件的前表面为光学表面且为凹面，凹面反射镜组件的后表面为非光学表面；折反射式成像望远光学系统还包括用于校正主镜与次镜共同产生的边缘视场的球差的透镜组件和用于折转光路的折叠镜；

次镜为凸面非球面反射镜组件；

反射镜组件包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

第一透镜的前表面为凸面；

第一透镜的后表面为凹面；

第二透镜的前表面为凸面；

第二透镜的后表面为凸面；

第三透镜的前表面为凸面；

第三透镜的后表面为凸面；

第四透镜的前表面为凹面；

第四透镜的后表面为凹面。

优选地，次镜的凸面的二次曲面系数K≥1。

优选地，主镜包括至少三块扇形子镜，主镜由扇形子镜拼接形成，主镜的口径的外接圆直径的范围为10mm-2000mm；相对口径的范围为1:4-1:20。

优选地，第一透镜、第三透镜和第四透镜的材质均为折射率n_d≥1.5的高折射率玻璃；第二透镜的材质为折射率n_d≤1.5的低折射率玻璃。

优选地，第一透镜选取牌号为H-ZF6的火石玻璃；第三透镜选取牌号为H-ZF1的火石玻璃；第四透镜选取牌号为H-LAF3B的火石玻璃。

优选地，第二透镜选取牌号为H-FK61的冕牌玻璃。

优选地，折叠镜为平面镜组件。

优选地，主镜和透镜组件的距离≥150mm。

优选地，折反射式成像望远光学系统的焦距范围为40mm-20000mm，视场角≥1'。

优选地，折反射式成像望远光学系统的工作波段为紫外波段、可见光波段、红外波段、任意两个组合的波段或全波段。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明的折反射式成像望远光学系统不仅具备拼接式望远镜的主要指标体系特征，而且充分考虑了开展波前传感与控制技术验证试验的需求，具有良好的兼容性，适合开展各项验证试验。

2、本发明的折反射式成像望远光学系统中大部分光学表面均为球面，具有成像质量好、制造成本低、验证效果好等特点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种折反射式成像望远光学系统的光学结构示意图；

图2是本发明一个实施例的光路图；

图3是图2的三维效果图；

图4是本发明一个实施例的拼接主镜的示意图；

图5是本发明一个实施例的波前误差设计结果的示意图；

图6是本发明一个实施例的传递函数的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种具备拼接式望远镜的主要指标体系特征，且能够充分开展波前传感与控制技术验证试验的需求的折反射式成像望远光学系统。下面将对本发明提供的一种折反射式成像望远光学系统，通过具体实施例来进行详细说明。

参照图2所示的折反射式成像望远光学系统的光路图，沿光轴依次设置次镜M1、主镜M2、透镜组件L1以及折叠镜M3，平行光入射至主镜M2后发生反射并会聚，会聚的反射光在次镜M1上再次发生反射，反射光入射至透镜组件L1，透过透镜组件L1后达到折叠镜M3，最终会聚在像面S1上。

具体的，参照图1示出的一种折反射式成像望远光学系统的光学结构：

次镜M1的前表面M1f为凸面非球面，镀有高反膜；后表面为平面或凹面，不镀膜，定义朝向主镜M2一侧的表面为次镜M1的前表面。

在本发明的一个优选实施例中，将次镜M1的凸面的二次曲面系数K设置为K＝3.200；为了便于对非球面光学表面实施背部干涉检测，采用透过率较高且便于保证材料均匀性的融石英作为该凸面非球面反射镜组件的材料。

在本发明的另一个实施例中，次镜M1的后表面为平面，利用该平面可以安装纳米级分辨率的六自由度微位移促动器，用于开展关于次镜M1的包括X轴、Y轴偏心，Z轴平移，θ_x、θ_y、θ_z倾斜的六自由度的失调校正。

继续参照图1，主镜M2为凹面反射镜组件，采用拼接结构，其前表面M2f为镀有反射膜的凹面，后表面为非光学表面，定义朝向次镜M1一侧的表面为主镜M2的前表面。

在本发明的一个优选实施例中，为了保证主镜M2在实验室的工作温度范围内具有良好的面形精度，采用膨胀系数较低、可加工性较好的微晶玻璃作为该凹面反射镜组件的材料。

进一步的，主镜M2的后表面为平面，用于确定机械加工基准。

更进一步的，为了模拟真实的望远镜拼接式主镜，将主镜M2设计为拼接结构形式，使其具有多个角度的拼缝方向。

在本发明的另一个优选实施例中，主镜M2由三块扇形子镜拼接而成，主镜M2的口径外接圆直径为200mm，扇形子镜的布局形式如图4所示，具有0°、120°和240°三个方向的拼缝。

继续参照图1，在折反射式成像望远光学系统中引入透镜组件L1，一方面，引入透镜组件L1可以校正主镜M2、次镜M1的残余球差，特别是由主镜M2和次镜M1引起的边缘视场的像差，另一方面可以显著地增大折反射式成像望远光学系统的视场，从而降低对外部测试设备，如平面镜、平行光管等的装调要求，便于开展验证试验。

在本发明的一个优选实施例中，透镜组件L1包括第一透镜L101、第二透镜L102、第三透镜L103和第四透镜L104，各透镜光学表面特性如下：

第一透镜L101的前表面L101f为凸面；第一透镜L101的后表面L101b为凹面；

第二透镜L102的前表面L102f为凸面；第二透镜L102的后表面L102b为凸面

第三透镜L103的前表面L103f为凸面；第三透镜L103的后表面L103b为凸面；

第四透镜L104的前表面L104f为凹面；第四透镜L104的后表面L104b为凹面。

进一步的，为控制制造成本，四片透镜均选用国产材料制作。其中，第一透镜L101、第三透镜L103和第四透镜L104均选用折射率n_d≥1.5的高折射率的火石玻璃制作，牌号依次为H-ZF6、H-ZF1、H-LAF3B；

第二透镜L102选用具有折射率n_d≤1.5的低折射率、高阿贝数的冕牌玻璃制作，其牌号为H-FK61。

参见图2，结合图3所示的三维光路图，会聚光束经透镜组件L1后入射至折叠镜M3，并在折叠镜M3上发生反射，最终成像在像面S1上。

在本发明的一个优选实施例中，折叠镜M3为平面镜组件，选用成本较低且加工性能较好的K9玻璃，一方面用于缩短光路在光轴方向的长度，另一方面可以对光路进行切换，使光束可以进入光学系统像面S1后的成像光路、波前传感检测光路或系统像质综合测试光路，满足各种试验对光路的需求。

在本发明的一个优选实施例中，为了能够对设计的折反射式成像望远光学系统开展波前传感与控制验证试验，满足波前传感与控制验证试验过程中对主镜的各个拼接子镜驱动器的安装空间需求以及对多光路切换设备的安装空间需求，将主镜和透镜组件的距离设计为493.47mm。

本发明的一个优选实施例中，折反射式成像望远光学系统的设计指标，如表一

表一：设计指标

序号	指标项	设计指标
			1	光学口径	200mm(外接圆)
2	焦距	1999.480mm
				相对口径/F/#	1∶10/10
3	工作波段	450nm～750nm
			4	视场角(2ω)	0.5°
5	主镜与透镜组件距离	493.47mm

本实施例中，折反射式成像望远光学系统的各个透镜参数，如表二：

表二：透镜参数

根据表一和表二的参数对本发明的折反射式成像望远光学系统进行测试，得到了如图5和图6所示的测试结果，证明本发明的折反射式成像望远光学系统具有良好的成像质量。

总体上，通过在本发明设计的主镜的每个拼接子镜的背部安装纳米级分辨率六自由度微位移促动器、在非次镜的背部安装微米级分辨率的六自由度微位移促动器，并在像面位置附近安装后端成像单元、波前传感检测硬件系统、系统像质综合测试系统等，形成完整的拼接式空间望远镜在轨光学调校技术原理验证样机。

本发明的折反射式成像望远光学系统的工作波段为紫外波段、可见光波段、红外波段、任意两个组合的波段或全波段。通过平行光管作为本发明的折反射式成像望远光学系统的入射光源，模拟空间星点目标，并通过上述各促动器加入已知或未知的失调量，形成完整的拼接式望远镜光学模拟系统，既能够验证拼接式空间望远镜在轨的拼接式主镜从大幅度失调到共焦、共相的检测与调整过程中的关键技术，又能够验证次镜的失调量检测与校正技术。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种折反射式成像望远光学系统，包括沿光轴依次设置的次镜、主镜，所述主镜为采用拼接结构的凹面反射镜组件，所述凹面反射镜组件的前表面为光学表面且为凹面，所述凹面反射镜组件的后表面为非光学表面；

其特征在于，还包括用于校正所述主镜与所述次镜共同产生的边缘视场的球差的透镜组件和用于折转光路的折叠镜；

所述次镜为凸面非球面反射镜组件，所述凸面的二次曲面系数K≥1，所述主镜包括至少三块扇形子镜，所述主镜由所述扇形子镜拼接形成，所述主镜的口径的外接圆直径的范围为10mm-2000mm；相对口径的范围为1:4-1:20；

所述反射镜组件包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜的前表面为凸面；

所述第一透镜的后表面为凹面；

所述第二透镜的前表面为凸面；

所述第二透镜的后表面为凸面；

所述第三透镜的前表面为凸面；

所述第三透镜的后表面为凸面；

所述第四透镜的前表面为凹面；

所述第四透镜的后表面为凹面。

2.根据权利要求1所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的材质均为折射率n_d≥1.5的高折射率玻璃；所述第二透镜的材质为折射率n_d≤1.5的低折射率玻璃。

3.根据权利要求2所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述第一透镜选取牌号为H-ZF6的火石玻璃；所述第三透镜选取牌号为H-ZF1的火石玻璃；所述第四透镜选取牌号为H-LAF3B的火石玻璃。

4.根据权利要求2所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述第二透镜选取牌号为H-FK61的冕牌玻璃。

5.根据权利要求1所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述折叠镜为平面镜组件。

6.根据权利要求1所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述主镜和所述透镜组件的距离≥150mm。

7.根据权利要求1所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述折反射式成像望远光学系统的焦距范围为40mm-20000mm，视场角≥1'。

8.根据权利要求1所述的折反射式成像望远光学系统，其特征在于，所述折反射式成像望远光学系统的工作波段为紫外波段、可见光波段、红外波段、任意两个组合的波段或全波段。

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