CN117518438A - 一种折反望远光学系统和调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种折反望远光学系统，所述光学系统包括主镜、次镜和校正器，所述的主镜和次镜构成卡塞格林式折反光学结构，所述校正器是一双片式透镜，第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为光焦度为负且凸面朝向主镜的负弯月型透镜，所述的主镜、次镜和校正器共用同一光轴，卡塞格林式折反光学结构和校正器镜组依次安装于镜架内。

Description

一种折反望远光学系统和调节方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种大口径的折反望远光学系统和调节方法。

背景技术

大口径中视场望远镜在天文观测、空中目标捕捉与监测中有着重要意义。大口径意味着更大的聚光能力，从而使探测更弱的目标成为可能，中视场具有较大的单幅监测画面空间，从而能较快的实现全空间的周期性搜索；

与传统的折射光学系统相比，折反射光学系统具有光路折叠而更加紧凑、口径大、可以很好地校正色差、可以做到从紫外到红外非常宽的波段、反射镜与透镜的匹兹瓦尔曲面的曲率相反，可以实现较平的视场等优点。在两反射镜系统中，次镜构成的孔径的中心拦光(Central Obscuration)不仅会造成能量的损失，也会使光学传递函数的低频至中频部分随着中心拦光面积的增大而显著减小。同时，因为两反射镜系统像的位置接近主镜位置，所以几乎所有的主镜都需要挖一个洞。这个洞的大小限制了最大的像面尺寸，而且洞的大小必须远小于主镜的口径，对于大口径的光学透镜而言，所使用的玻璃是难于炼制的，而且大口径高阶非球面的加工和检测比较困难，所以，开发一种方便工程实现的折反光学系统非常有必要。

发明内容

本申请提出一种折反望远光学系统和调节方法，避免现有技术的大口径折返光学系统带洞透镜、曲面等方面存在的加工困难的问题。

一方面，本申请实施例提出一种折反望远光学系统，包含：

主镜和置于主镜左侧的偶次非球面镜以及主镜右侧的校正镜组；其中主镜和次镜用于构成卡塞格林式光学结构；

所述校正镜组在光轴上从左到右依次排列第一透镜和第二透镜；所述第一透镜为双凸正透镜，位于所述卡塞格林式折反光学结构的焦点以外；所述第二透镜为光焦度为负且凸面朝向主镜的负弯月型透镜；

所述的主镜、次镜、第一透镜和第二透镜共用同一光轴，所述卡塞格林式折反光学结构和校正器镜组依次安装于镜架内。

在本申请的一个实施例中，所述主镜为抛物面反射镜，所述次镜为偶次非球面反射镜。

在本申请的一个实施例中，所述第一透镜和第二透镜各面均为标准球面。

另一方面，本申请还提出一种折反望远光学系统调节方法，用于本申请任意一项实施例所述的折反望远光学系统，包含以下步骤：

沿轴向调节所述第一透镜和/或所述第二透镜，在设定的温度范围内，高温时向主镜靠近，低温时远离主镜，以控制像质。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

光路折叠而使结构更加简单紧凑，仅用两片透镜的校正器就实现了较大视场，并且在全视场内像差校正良好，实现了平场像面，方便使用大靶面焦平面光电探测设备；

实现大口径，方案可应用于口径超过3m的中视场地空望远镜。该光学系统中的透镜材料可采用融石英玻璃。对大多数牌号光学玻璃而言，大口径且具有优良光学性能的坯料使非常难于炼制的，但融石英玻璃是比较容易获得光学性能优良的大口径坯料的，且该材料具有良好的光学加工性能和机械性能；

光学元件加工检验方便。在整个光学系统中，除主镜为抛物面、次镜为偶次非球面外，第一透镜、第二透镜的各面均为标准球面。球面加工可按常规方法加工检验，旋转抛物面用一块等口径的中心带孔平面反射镜即可实现高精度检验；

通常的温度调焦是调节光电探测相机的焦平面轴向位置，而本申请的温度调焦方案是采用轴向移动第一第二透镜的方式实现，操作简便。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为是本发明的光学结构示意图，

图中：1为主镜，2为次镜，J为校正镜组，其中，3为校正器第一透镜、4为校正器第二透镜；

图2(a)～(d)是具体实施方式的像差曲线；其中，图2(a)是光学系统的光线扇形图；图2(b)是光学系统的球差曲线；图2(c)是光学系统的场曲曲线；图2(d)是光学系统的场曲变曲线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为是本发明的光学结构示意图，其中，本申请实施例提出一种折反望远光学系统，包含：主镜1和置于主镜左侧的偶次非球面镜2以及主镜右侧的校正镜组J。

其中主镜和次镜用于构成卡塞格林式光学结构。在本申请的一个实施例中，所述主镜为抛物面反射镜，所述次镜为偶次非球面反射镜。在本申请的一个实施例中，所述主镜和所述次镜的材料为熔石英、微晶玻璃或碳化硅。

所述校正镜组在光轴上依次排列第一透镜3和第二透镜4。所述第一透镜为双凸正透镜，位于所述卡塞格林式折反光学结构的焦点以外；所述第二透镜为光焦度为负且凸面朝向主镜的负弯月型透镜。在本申请的一个实施例中，所述第一透镜和第二透镜由冕牌玻璃制成。

所述的主镜、次镜、第一透镜和第二透镜共用同一光轴，所述卡塞格林式折反光学结构和校正器镜组依次安装于镜架内。在本申请的一个实施例中，其特征在于：镜架材料为铝合金材料、钛合金材料或碳素复合纤维。

在本申请的一个实施例中，所述主镜的反射面的曲率半径约为-22860mm；所述次镜的反射面的曲率半径约为-11630mm；所述第一透镜朝向主镜的凸球面的曲率半径约为4239mm、所述第一透镜朝向像面的凸球面的曲率半径约为-7666.9mm；所述第二透镜朝向主镜的凸球面的曲率半径约为867.7mm，所述第二透镜临近像面的凹球面的曲率半径约为640.3mm。

在本申请的一个实施例中，所述主镜的圆锥系数为-1；所述次镜2的反射镜面为偶次非球面，该镜面的偶次项非球面方程中，2阶项系数为3.699E-13，其余偶次项系数均为0。

在本申请的一个实施例中，所述主镜的反射球面厚度为-7797.8mm，所述次镜的反射球面厚度为8378.2mm，所述第一透镜朝向主镜的凸球面的厚度为50.8mm，所述第一透镜朝向像面的凸球面的厚度为0mm，所述第二透镜朝向主镜的凸球面的厚度为18.8mm，所述第二透镜临近像面的凹球面的厚度为1252.934mm。

在本申请的一个实施例中，所述主镜的通光口径为3800mm。

在本申请的一个实施例中，光学系统工作温度范围为-40-60℃，光学系统可准直365nm、588nm、850nm三个波段。

本申请提出了一种结构简单，光学材料单一，对光学加工要求简单的大口径，中视场的平场望远镜光学系统。由第一透镜和第二透镜组成的校正器置于主镜和次镜的反射光路上，用于校正主镜和次镜的慧差和像散，从而可以增大有效视场，所述主镜1为抛物面反射镜，所述次镜2为偶次非球面反射镜，所述第一透镜3为双凸正透镜，所述第二透镜4为光焦度为负且凸面朝向主镜1的弯月型透镜。其中，主镜1和次镜2构成卡塞格林式光学结构，由于主镜1是抛物面反射镜，次镜2是偶次非球面反射镜，所以主镜1和次镜2组成的光学系统中，每个面上都没有球差，但是每个面上都有慧差和像散，另外，由于两个反射镜的曲率半径不一样，还存在场曲；第一透镜3和第二透镜4对主镜1和次镜2的反射光线起到会聚作用并对像差进行修正。

优选地，所述主镜1为抛物面反射镜，次镜2为偶次非球面反射镜，第一、第二透镜各面均为标准球面。第一、第二透镜采用冕牌玻璃制成。所述第一二透镜沿轴向调整，高温时向主镜靠近，低温时则远离主镜，以保证在一定温度范围的像质水平。

校正器主要校正主镜1的边缘视场像差，从而增大有效视场。其中，校正器按光路走向两片透镜的特征及位置关系依次是：第一透镜3为双凸正透镜，第二透镜4为光焦度为负且凸面朝向主镜1的弯月型透镜。从主镜1反射出来的汇聚光束经次镜2发散一些，确保成像位置原远离主镜1，第一透镜3和第二透镜4主要起到校正像差的作用。工作时，入射光线经主镜1和次镜2反射，进入校正器第一透镜3，经第二透镜4，最后成像在平场像平面上。当环境温度变化时，，通过轴向调节第一第二透镜，即当高温时第一第二透镜向主镜1靠近，当低温时则远离主镜1，从而保证最佳像面调到焦平面光电探测设备上。实施例的基本参数如下：主镜通光孔径：φ3800mm；工作视场：2ω＝0.7°；工作波长：365nm-850nm。实施例的光学结构参数见下表。

另一方面，本申请还提出一种折反望远光学系统调节方法，用于权利要求1～9任意一项所述的折反望远光学系统，沿轴向调节所述第一透镜和/或所述第二透镜，在设定的温度范围内，高温时向主镜靠近，低温时远离主镜，以控制像质。

该实施例的像差曲线见图2(a)和图2(b)，从图中可以看出该光学系统达到了较好的像质水平。

关于附图2，图2(a)中，每幅图中有3条曲线，分别是3个波长的特征，波长分别为0.365um、0.588um、0.850um。ω为视场角，随着视场角和镜头孔径增加，像质波动范围变化不大。横轴为孔径，纵轴表示像点偏移量。

图2(b)～(d)各图中，横轴为孔径，3个波长的特征曲线(图2(c)和图2(d)中的部分波长曲线重合)，球差(μm)、场曲(mm)和畸变(％)的数值都比较小。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，所使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术、术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种折反望远光学系统，其特征在于，包含：

主镜(1)和置于主镜(1)左侧的偶次非球面镜(2)以及主镜(1)右侧的校正镜组(J)；

其中主镜和次镜用于构成卡塞格林式光学结构；

所述校正镜组(J)在光轴上从左到右依次排列第一透镜和第二透镜；所述第一透镜为双凸正透镜，位于所述卡塞格林式折反光学结构的焦点以外；所述第二透镜为光焦度为负且凸面朝向主镜(1)的负弯月型透镜；

所述的主镜、次镜、第一透镜和第二透镜共用同一光轴，所述卡塞格林式折反光学结构和校正器镜组依次安装于镜架内。

2.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜和所述次镜的材料为熔石英、微晶玻璃或碳化硅。

3.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜由冕牌玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜为抛物面反射镜，所述次镜为偶次非球面反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜的反射面的曲率半径约为-22860mm；所述次镜的反射面的曲率半径约为-11630mm；所述第一透镜朝向主镜的凸球面的曲率半径约为4239mm、所述第一透镜朝向像面的凸球面的曲率半径约为-7666.9mm；所述第二透镜朝向主镜的凸球面的曲率半径约为867.7mm，所述第二透镜临近像面的凹球面的曲率半径约为640.3mm。

6.根据权利要求4或5所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜的圆锥系数为-1；所述次镜2的反射镜面为偶次非球面，该镜面的偶次项非球面方程中，2阶项系数为3.699E-13，其余偶次项系数均为0。

7.根据权利要求4或5所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜的反射球面厚度为-7797.8mm，所述次镜的反射球面厚度为8378.2mm，所述第一透镜朝向主镜的凸球面的厚度为50.8mm，所述第一透镜朝向像面的凸球面的厚度为0mm，所述第二透镜朝向主镜的凸球面的厚度为18.8mm，所述第二透镜临近像面的凹球面的厚度为1252.934mm。

8.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：镜架材料为铝合金材料、钛合金材料或碳素复合纤维。

9.根据权利要求1所述的一种折反望远光学系统，其特征在于：所述主镜的通光口径为3800mm。

10.一种折反望远光学系统调节方法，用于权利要求1～9任意一项所述的折反望远光学系统，其特征在于：沿轴向调节所述第一透镜和/或所述第二透镜，在设定的温度范围内，高温时向主镜靠近，低温时远离主镜，以控制像质。