CN116736514B - 多通道视场分割器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及望远镜系统工程技术领域,具体提供一种多通道视场分割器,包括:分光棱镜和支撑组件,分光棱镜由视场光束指向俯仰角不同的多层镜面拼接而成;每层镜面包括多个子镜面,每层镜面中的多个子镜面对应的子视场光束指向俯仰角相同。并将多通道视场分割器应用在光学系统中,将其设置在光学系统的主镜焦点附近,将光线按不同入射角度分成多路子光束,每路子光束被子镜面反射后,进入后续校正光路进行像差校正,再由探测器进行子视场成像。本发明在保证光学设备的强探测能力的前提下,不仅解决了光学望远镜大视场探测难题,显著提高了望远镜的视场大小,还能提高了光学系统的能量传递效率,适用于大视场、远距离暗弱目标探测。
Description
技术领域
本发明涉及望远镜系统工程技术领域,具体提供一种多通道视场分割器及应用。
背景技术
为实现望远镜光学系统共口径、多功能应用,充分利用望远镜的口径优势,采用多种技术手段高集成化、多终端相结合的望远镜己经成为天文、测控及遥感等领域的必备科学仪器。目前实现光学望远镜多科学目标所采用的技术手段可分为多谐段分光、光路切换等方式,其光学系统前端采用单一光路进行集光,如传统卡塞格林望远镜主次镜的构成方式,为了实现多光谱多光路分光,往往在系统后端或采用透射式分光镜进行分束,或采用复杂的折反式光学平台进行分束,虽实现了多光谱分光应用,但是分光镜会对整体视场造成能量的衰减不利于对远距离暗弱目标的探测,复杂的折反式平台分光机构又过于庞大,无法与前端主光路集成在一起,不利于机动部署应用;同时传统系统后端的多光路分光设计并不能增大望远镜的视场,其仍然受到主系统光路视场的限制,因此,对于需要大视场、远距离暗弱目标探测的应用,仍然受到限制。
现有主流的大视场光电探测系统,以主焦点形式光学系统为主流,例如已研制的1.2m口径大视场望远镜,1.2m口径实现2.5°×2.5°的探测视场。主焦点形式光学系统中探测器位于主镜上方焦点附近,为同轴单一光路探测系统,通过将探测器靶面放置于主镜焦点附近,并用一系列透射式校正镜组来对光束进行校正整形,通过一次折反射实现较大的探测视场,此种光学系统目前广泛应用于空间目标探测感知上。
近年来,随着以小行星防御观测为代表的空间态势感知,对大视场观测望远镜的需求愈加迫切,更大的探测视场是系统更高搜索效率的保障。现有的大视场望远镜受限于总体光学系统的设计,例如通常为主焦点形式光学系统,其视场较难做的更大,现有典型的大口径大视场望远镜,如目前技术领先的美国3.5m口径SST望远镜,视场为3.5°×3.5°,8.4m口径LSST望远镜视场为3°×3°。地基远距离大视场探测望远镜较难突破5°×5°,甚至6°×6°,主要因为按照现有的工程技术,主焦点形式或同轴三反形式的光学系统,视场超过3.5°×3.5°将会导致光学系统设计及工程实现的难度急剧增加,并且传统光学系统设计视场一旦达到一个阈值,随着视场的增大,其轴外像质将下降的非常严重,因此需要探索新形式的大视场光学系统,弥补视场无法做的更大的不足。
发明内容
本发明为解决上述问题,提供了一种多通道视场分割器,本发明的光学系统结构是基于多通道视场分割的概念,在实现保证光学设备的强探测能力的前提下,实现望远镜的多功能应用,不仅能提高光学系统的能量传递效率,还可以增加系统可靠性,在理论上可以将望远镜的光学视场分割成n个局部视场,每个视场为一个独立的光学通道,各个光学通道具有相同的焦距与F数,方便后续光学终端的匹配。
本发明提供的多通道视场分割器,包括:分光棱镜和支撑组件;
分光棱镜为中心对称结构,其由视场光束指向俯仰角不同的多层镜面拼接而成;每层镜面为中心对称结构,其包括多个子镜面,每层镜面中的多个子镜面对应的子视场光束指向俯仰角相同;
支撑组件与分光棱镜的镜面背部连接,用于支撑分光棱镜。
优选的,子镜面为反射面,其形状为四边形或六边形,其对应的竖直投影为四边形格或六边形格。
优选的,子镜面上镀有减反膜。
优选的,分光棱镜包括视场光束指向俯仰角不同的3层镜面,外层镜面和内层镜面均包括4个子镜面,中层镜面包括8个子镜面。
优选的,外层镜面中的子镜面向外延展形成圆弧状倒角。
优选的,分光棱镜的镜面背部为四棱锥状的倾斜平面。
优选的,支撑组件包括:粘接垫、球窝盖和微调球头螺杆,粘接垫连接在球窝盖的端面上,微调球头螺杆的球头端活动安装在球窝盖内;
粘接垫与分光棱镜的镜面背部连接,在每个倾斜平面上均布3个粘接垫,粘接垫通过微调球头螺杆的螺杆端连接在基座上,基座通过转接座将多通道视场分割器安装在工作区。
优选的,粘接垫通过3M-2216低应力胶粘接在分光棱镜的镜面背部。
一种多通道视场分割器的应用,多通道视场分割器设置在光学系统的主镜焦点附近,多通道视场分割器倒置在主镜上方,使每个子镜面与主镜的一个光轴对应,光线聚焦在主镜焦点后,多通道视场分割器将光线按不同入射角度分成多路子光束,每路子光束被子镜面反射后,进入后续校正光路进行像差校正,再由探测器进行子视场成像。
与现有技术相比,本发明能够取得如下有益效果:
本发明基于多通道视场分割原理进行设计,解决了光学望远镜大视场探测难题,显著提高了望远镜的视场大小,提高了系统的搜索效率;同时采用多视场分光探测,有效避免了单一视场光学像差校正与视场大小的矛盾,即降低了子视场光学机械优化设计的难度,各光路可独立进行多谱段、多终端的功能应用,在保证光学入瞳口径的前提下,实现从可见光波段到红外波段的全谱段工作。将视场分为多个部分后,校正镜也相应地细分为多个缩减部分,每个单路的光学元件的物理尺寸随之大幅缩减,并且各个光学通道的光学接口相同,规避了大口径透镜的制备和装调难题。
本发明提高望远镜视场大小的同时,规避了由于光谱分光所产生的光学效率的损失,保证望远镜各个科学终端的光学效率,适用于大视场、远距离暗弱目标探测,并且还提高了系统的设计自由度,以满足不同科学目标的应用,在望远镜系统工程领域,多通道视场分割器的应用及设计尚属首次。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的多通道视场分割器的剖视结构及支撑示意图;
图2是根据本发明实施例提供的分光棱镜的三维结构示意图;
图3是根据本发明实施例提供的分光后子视场光路光学设计图;
图4是根据本发明实施例提供的分光棱镜的竖直投影及对应的分层方式示意图;
图5是根据本发明实施例提供的支撑组件结构图;
图6是根据本发明实施例提供的多通道视场分割及子视场校正的局部光路方案示意图;
图7是背景技术中主焦点形式光学系统的光学设计图。
其中的附图标记包括:
分光棱镜1、支撑组件2、粘接垫21、球窝盖22、微调球头螺杆23、基座3、转接座4。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中,相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下,它们的名称和功能也相同。因此,将不重复其详细描述。
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。
如图1所示,本发明实施例提供的多通道视场分割器,包括:分光棱镜1和支撑组件2,支撑组件2用于对分光棱镜1起支撑作用。
如图2和图4所示,在本实施例中示出的是16路四边形反射面的分光棱镜1,该分光棱镜1整体呈现为中心对称的“金字塔”形状,其由视场光束指向俯仰角不同的多层镜面拼接而成,依据光束指向俯仰角的不同划分为4-8-4的3层排布结构,每层镜面也为中心对称结构,其包括多个子镜面,每层镜面中的多个子镜面对应的子视场光束指向俯仰角相同,即外层镜面(3-1、3-2、3-3和3-4)、中层镜面(2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7和2-8)和内层镜面(1-1、1-2、1-3和1-4),共计三层16个子镜面。每个子镜面均为反射面,并在反射面上镀有减反膜,反射面主体采用四边形,依据具体设计需求也可采用如六边形等其他几何形状。对于外层镜面中的子镜面,在加工制造时向外适当延展形成圆弧状倒角,以满足光学加工要求并保证表面加工精度,需要注意的是外延部分不参与实际的光路传输。分光棱镜1在竖直方向上的投影为四边形格,若采用六边形的子镜面则对应六边形格,每个子镜面的投影面积大小可相等也可不相等,图4示出的为相等面积的方案。分光棱镜1中每层镜面的俯仰角度以及在竖直投影面上各四边形边长的大小,均需要根据系统总体技术指标以及适配的探测器参数,进行分析确定,分光棱镜1可以将大视场分割成多个子视场,每个视场的大小可以是相等也可以是不相等,由分光棱镜1的结构决定,被分割的视场是连续无“缝隙”的。分光棱镜1的镜面背部为四棱锥状的倾斜平面,即“金字塔”结构的内侧采用薄壁内部中空设计,内部为锥形的倾斜平面,边缘的薄壁厚度根据有限元分析优化进行设计。
如图1和图5所示,分光棱镜1的镜面背部通过支撑组件进行支撑,支撑组件2包括:粘接垫21、球窝盖22和微调球头螺杆23,粘接垫21连接在球窝盖22的前端面上,微调球头螺杆23的球头端活动安装在球窝盖22内,微调球头螺杆23的螺杆端穿过球窝盖22后端面上的通孔,球窝盖22与粘接垫21夹紧微调球头螺杆23的球头端,并在粘接垫21外沿位置涂胶适量,通过相应的工艺工序将球窝盖22与粘接垫21进行粘接,待胶层固化及应力充分释放完全后,进行精度检测,并整体再与基座3和转接座4相连接。支撑组件2通过粘接垫21与分光棱镜1的镜面背部的锥形平面粘接固定,在每个倾斜平面上均布3个粘接垫21,均通过3M-2216低应力胶进行粘接,粘接位置以及粘接面积大小,通过有限元分析软件进行优化设计,为了使独立的3个粘接垫21能够与粘接面可靠平行接触,每个粘接垫21设计为球窝-球头配合联接的夹持方式,可分别单独调整每一个粘接垫21的方向,并通过微调球头螺杆23调整与粘接面间的距离,四个倾斜平面4共12个粘接垫21,通过调整角度和距离,使每个粘接垫21可靠地与倾斜平面接触。并且粘接垫21通过微调球头螺杆23的螺杆端连接在基座3上,基座3通过转接座4将多通道视场分割器安装在工作区。
如图6所示,基于上述设计,本发明实施例还提供了多通道视场分割器的应用,其可适用于采用球面反射主镜的光学系统以及其他光学系统,将多通道视场分割器设置在光学系统的主镜焦点附近,并且倒置在主镜上方,多通道视场分割器设置在球面主镜上方是为了其所产生的中心遮拦达到最小,将其放置于主镜焦点附近,缩小了后续光学系统口径的作用。由于球面镜的光轴在理论上可以是n条,分光棱镜1的每一个子镜面对应球面主镜的一个光轴,多通道视场分割器在理论上由n个子镜面组成,在本实施例中是n=16个子镜面。当目标光线首先会聚焦到主镜的焦点上,并由多通道视场分割器上的n个不同指向的子镜面将主光束进行分光,将光线按不同入射角度分成多路子光束,每一路子光束被子镜面反射后,定向传导进入后续校正光路进行像差校正,最后到达探测器进行子视场成像,其中每路子光束的光路图如图3,最后再通过图像拼接技术将子视场图像整体恢复为大视场图像,有效避免了单一视场光学像差校正等与视场大小的矛盾,即降低了子视场光学机械优化设计的难度,同时兼顾工程实现的可行性,可突破现有远距离大视场探测系统视场的限制,同时具备较高的探测能力。
图7为背景技术中的附图,便于对背景技术的认知,在此不做赘述。
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做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 (6)
1.一种多通道视场分割器,其特征在于,包括:分光棱镜和支撑组件;
分光棱镜为中心对称结构,其由视场光束指向俯仰角不同的多层镜面拼接而成,分光棱镜的镜面背部为四棱锥状的倾斜平面;每层镜面为中心对称结构,其包括多个子镜面,每层镜面中的多个子镜面对应的子视场光束指向俯仰角相同;分光棱镜包括视场光束指向俯仰角不同的3层镜面,外层镜面和内层镜面均包括4个子镜面,中层镜面包括8个子镜面;
支撑组件与分光棱镜的镜面背部连接,用于支撑分光棱镜;
支撑组件包括:粘接垫、球窝盖和微调球头螺杆,粘接垫连接在球窝盖的端面上,微调球头螺杆的球头端活动安装在球窝盖内;
粘接垫与分光棱镜的镜面背部连接,在每个倾斜平面上均布3个粘接垫,粘接垫通过微调球头螺杆的螺杆端连接在基座上,基座通过转接座将多通道视场分割器安装在工作区。
2.如权利要求1所述的多通道视场分割器,其特征在于,子镜面为反射面,其形状为四边形或六边形,其对应的竖直投影为四边形格或六边形格。
3.如权利要求2所述的多通道视场分割器,其特征在于,子镜面上镀有减反膜。
4.如权利要求1所述的多通道视场分割器,其特征在于,外层镜面中的子镜面向外延展形成圆弧状倒角。
5.如权利要求1所述的多通道视场分割器,其特征在于,粘接垫通过3M-2216低应力胶粘接在分光棱镜的镜面背部。
6.一种如权利要求1所述的多通道视场分割器的应用,其特征在于,多通道视场分割器设置在光学系统的主镜焦点附近,多通道视场分割器倒置在主镜上方,使每个子镜面与主镜的一个光轴对应,光线聚焦在主镜焦点后,多通道视场分割器将光线按不同入射角度分成多路子光束,每路子光束被子镜面反射后,进入后续校正光路进行像差校正,再由探测器进行子视场成像。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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