CN1173203C - 三反射镜消像散系统 - Google Patents
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Abstract
三反射镜消像散系统，属于光学系统领域。为了解决现有反射式光学成像系统中反射镜加工和装调难度大，系统研制成本高的问题，本发明公开一种三反射镜消像散系统，包括主镜、次镜和第三镜三块反射镜，所述三块反射镜中主镜和第三镜为球面镜，次镜的反射曲面为二次扁球面；三块反射镜光学面所在曲面具有一个公共光轴；该系统还包括一个孔径光阑，所述的孔径光阑位于次镜上或在次镜附近的前后光路上；次镜的光轴与公共光轴重合，主镜和第三镜的通光孔径分别位于公共光轴的两侧；所述消像散系统的工作视场是离轴的；平行光束入射到主镜，依次经主镜、次镜和第三镜反射后在像平面成像。本发明既利于装调，降低成本，同时还可以获得较大的工作视场。
Description
技术领域
本发明属于光学系统领域，尤其涉及一种反射式光学成像系统。
背景技术
反射式消像散光学系统一般借助于非球面进行设计，近年来随着非球面制造工艺和装调工艺的日益成熟，得到越来越广泛的应用，尤其是长焦距的反射式消像散光学系统在航空航天方面应用更为多见。一般三反射式消像散系统是研究较多的一种类型，如在美国专利US4,131,485，公开日1978年12月26日中提到的三反射式消像散系统，就采用三个二次非球面设计，在焦距确定的情况下具有7个独立变数，可以较好地安排消像差和外形尺寸，有时为了扩大设计视场也采用高次非球面，并借助于平面反射镜折叠光路缩小外形尺寸。而2000年1月18日公布的美国专利US6016220提供了一个离轴三反式系统，由二次非球面和高次非球面平面校正板构成，而且孔径具有偏心和倾斜。虽然三反射式系统可以达到紧凑的结构、较大的视场角、有利于消杂光的结构，但毕竟因为其3个非球面带来的加工装调的复杂性和较高的研制成本而在很大程度上受到限制。在2002年5月22日公开的公开号为CN1350190A的中国专利中，提出了一个改进的三反射式消像散系统，它将三反射式系统中3个非球面反射镜中的一个设计成球面反射镜，而另外两个反射镜保留二次非球面，但是两个非球面反射镜加工和装调的难度仍很大，因此，长焦距光学系统的研制成本居高不下，难以进行批量生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术中存在的不足，提供一种同时具有工作视场较大、成像质量较高、系统的装调难度和研制成本较低的三反射式消像散系统。
为了达到上述目的，本发明公开了一种三反射镜消像散系统，包括主镜、次镜和第三镜三块反射镜，其特征在于：
A.所述的三块反射镜中主镜和第三镜为球面镜，次镜的反射曲面为二次扁球面，三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴；
B.该系统还包括一个孔径光阑，所述的孔径光阑位于所述次镜上或在次镜附近的前后光路上；
C.次镜的光轴与公共光轴重合，所述的主镜和第三镜的通光孔径分别位于公共光轴的两侧；
D.所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离一定角度的平行光束入射到主镜，依次经主镜、次镜和第三镜反射后在像平面成像。
为了缩短系统轴向尺寸，减轻系统体积和重量，本发明的一种改进如下：三反射镜消像散系统，包括主镜、次镜和第三镜三块反射镜，其特征在于：
A.所述的三块反射镜中主镜和第三镜为球面镜，次镜的反射曲面为二次扁球面，三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴；
B.该系统还包括一个孔径光阑和一块用来折射次镜出射光路的折叠平面反射镜，所述的孔径光阑位于所述次镜上或在次镜附近的前后光路上；
C.次镜的光轴与公共光轴重合，所述的主镜和第三镜的通光孔径分别位于公共光轴的一侧或两侧；
D.所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离一定角度的平行光束入射到主镜，依次经主镜、次镜、折叠平面反射镜和第三镜反射后在像平面成像。
本发明的优点是：
1)所有反射镜具有公共光轴，利于装调，使用了偏轴视场，消除了遮拦影响；
2)所有的离轴光学零件的光学面形均为球面(平面为球面的特例)，由于采用了球面设计，因此离轴反射镜的加工就转化为同轴球面镜加工，大幅度降低了加工难度和成本，适合批量生产，装调难度也相应降低。
3)可以借助于折叠平面反射镜来缩短系统外型尺寸到焦距以内。
4)次镜的非球面化使本系统具有与三个非球面镜组成的反射镜消像散系统同等的成像质量(MTF)和工作视场，比三个球面镜组成的反射镜消像散系统具有更高的成像质量(MTF)和更大的工作视场；而次镜是系统中尺寸最小的轴对称的二次非球面，因此，次镜的加工和检测难度较小，以较小代价提高系统性能，具有较高的性价比。
本发明在Y方向进行偏视场处理，存在偏轴视场a，因此在Y方向上工作视场较小，而在X方向上的视场较大，可以适合于电荷耦合器件(CCD)或者积分延时电荷耦合器件(TDI CCD)等类型的探测器，尤其适合线阵光电探测器件。其视场角可以达到(10°×1°)，例如对于线阵推扫型遥感器而言是非常实用的。
附图说明
图1为三反射镜消像散系统的光学结构布局示意图。
图2为折叠型式的三反射镜消像散系统的光学结构布局示意图。
1-主镜 2-次镜； 3-折叠平面反射镜； 4-第三镜；
5-像平面； 6-孔径光阑； 7-公共光轴； 8-入射光束；
d1-主镜1到次镜2间距； d2-次镜2到平面反射镜3间距；
d3-平面反射镜3到第三镜4间距； d4-第三镜4到像面5距离；
d5-次镜2到第三镜4距离。
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图来说明本发明。
实施例1为一个航空航天推扫成像光学系统，其结构型式如图1所示的：
焦距f’＝500mm；视场角为10°×1°；相对孔径为1/12；
外型尺寸：(900×300×120)mm3；光谱段：(0.5-0.78)微米；
系统工作视场：X方向为(-5°至5°)；Y方向为(5°至6°)。
主镜1的结构参数：曲率半径为-1571.067mm(凹面)；主镜次镜间距d1为-446.731mm；Y离轴量为-102.48mm；倾斜量为0；偏心系数为0；通光孔径为(53.2×35.7)mm2。
次镜2的结构参数：曲率半径为-473.5mm(凸面)；偏心系数为2.2510；次镜到第三镜间距d5为875mm；Y离轴量为0；倾斜量为0；通光孔径直径为10.7mm。
第三镜4的结构参数：曲率半径为-715.217mm(凹面)；第三镜到像面距离d4为-455mm；Y离轴量为194.376mm；倾斜量为0；偏心系数为0；通光孔径：(74.6×38.4)mm2。
系统的成像质量为：当特征频率为50线对/毫米时，全视场全谱段加权平均调制传递函数(MTF)大于0.5。
此系统采用同轴球面光学系统设计，孔径光阑6位于次镜2上，为了去除遮拦的影响，采用偏视场使用，即使用轴外视场作为工作视场，即偏视场。
此系统的三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴7，次镜2的光轴与公共光轴7重合，主镜1和第三镜4的通光孔径分别离开光轴并位于光轴7的两侧，所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离a角度的平行光束8入射到主镜1，经主镜1反射到次镜2，经第三镜4反射后在像平面5成像。
实施例2为一个微小卫星用或者侦察飞机用推扫光学系统，其结构型式如图2所示：
焦距f’＝500mm；视场角为10°×1°；相对孔径为1/12；
外型尺寸：(482×440×260)mm3；光谱段：(0.5-0.78)微米；
偏视场：X方向为(-3°至3°)；Y方向为(4.2°至5.0°)。
主镜1的结构参数：曲率半径为-1519.828mm(凹面)；主镜1和次镜2的间距d1为-440.791mm；Y离轴量为-101.35mm；倾斜量为0；偏心系数为0；通光孔径为(67.7×31.9)mm2。
次镜2的结构参数：曲率半径为-472.85mm(凸面)；偏心系数为2.1866；次镜2和折叠反射镜3的间距d2为450mm；Y离轴量为0mm；倾斜量为0；通光孔径直径为9mm；当给出一定的倾斜量时，第三镜可以和主镜在光轴同侧。
折叠平面反射镜3的结构参数：曲率半径为无穷大；折叠平面反射镜3和第三镜4间距d3为-425mm；Y离轴量为104.32mm；倾斜量为0；偏心系数为0；通光孔径为(62.0×25.2)mm2。
第三镜4的结构参数：曲率半径为715.117mm(凹面)；第三镜4和像面5的间距d4为455.027mm；Y离轴量为193.65mm；倾斜量为0；偏心系数为0；通光孔径为(105.5×35.0)mm2。
系统的成像质量为：当特征频率为50线对/毫米时，全视场全谱段加权平均调制传递函数(MTF)大于0.5。
本系统的三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴7，次镜2的光轴与公共光轴7重合，孔径光阑6位于次镜2上，主镜1和第三镜4的通光孔径分别离开光轴并位于光轴7的两侧，所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离a角度的平行光束8入射到主镜1，经主镜1反射到次镜2，经次镜2反射到折叠反射镜3，再经第三镜4反射后在像平面5成像，在成像面上可以安装探测器来成像。
本发明的光学系统在焦距缩放时，其它结构参数按照同样缩放因子缩放时，像质仍然保持良好。
Claims (2)
1.一种三反射镜消像散系统，包括主镜(1)、次镜(2)和第三镜(4)三块反射镜，其特征在于：
A.所述的三块反射镜中主镜和第三镜为球面镜，次镜的反射曲面为二次扁球面，三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴(7)；
B.该系统还包括一个孔径光阑(6)，所述的孔径光阑(6)位于所述次镜(2)上或在次镜(2)附近的前后光路上；
C.次镜(2)的光轴与公共光轴(7)重合，所述的主镜(1)和第三镜(4)的通光孔径分别位于公共光轴(7)的两侧；
D.所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离一定角度的平行光束(8)入射到主镜(1)，依次经主镜(1)、次镜(2)和第三镜(4)反射后在像平面(5)成像。
2.一种三反射镜消像散系统，包括主镜(1)、次镜(2)和第三镜(4)三块反射镜，其特征在于：
A.所述的三块反射镜中主镜和第三镜为球面镜，次镜的反射曲面为二次扁球面，三块反射镜光学面所在的曲面具有一个公共光轴(7)；
B.该系统还包括一个孔径光阑(6)和一块用来折叠次镜(2)出射光路的折叠平面反射镜(3)，该反射镜相对公共光轴垂直放置，或相对公共光轴按一定的倾斜角放置，所述的孔径光阑(6)位于所述次镜(2)上或在次镜(2)附近的前后光路上；
C.次镜(2)的光轴与公共光轴(7)重合，所述的主镜(1)和第三镜(4)的通光孔径分别位于公共光轴(7)的一侧或两侧；
D.所述消像散系统的工作视场是离轴的；与光轴偏离一定角度的平行光束(8)入射到主镜(1)，依次经主镜(1)、次镜(2)、折叠平面反射镜(3)和第三镜(4)反射后在像平面(5)成像。
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