CN1350190A - 消象散三反射镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消象散三反射镜光学系统,该系统包括主反射镜、第二反射镜和第三反射镜。第二反射镜为球面反射镜,其光轴就是光学系统的光轴。主反射镜和第三反射镜的光轴与系统光轴在同一平面内,且偏离系统光轴,与系统光轴无任何角度倾斜。主反射镜和第三反射镜的反射面为二次椭球面。该系统主要用于作为空间望远镜光学系统,也可用于光通信领域。由于系统的反射镜曲面为球面和二次椭球面,形状简单,而反射镜的位置相对光学系统的光轴仅平移偏离一定距离无任何倾斜,因此该系统比一般的离轴消象散三反射镜系统更易于加工、装校。

Description

消象散三反射镜光学系统

                          技术领域

本发明涉及光学系统，具体是一种消象散三反射镜光学系统，它主要应用于空间对地观察望远镜，在光通信领域中也有应用。

                          背景技术

在反射式望远镜系统中，由于两反射镜系统光学设计自由变量只有四个，象差校正和系统轮廓尺寸之间的矛盾在很大程度上限制了设计，如果系统在增加一个反射镜，则系统设计的自由变量可增加至七个，从而大大增加了系统消象差的可能性，这也是大视场、大相对口径空间望远镜系统大多采用三反射镜光学结构的原因。

在美国专利US 4,131,485中，Korsch给出了一个同轴的消象散三反射镜式的空间望远镜光学系统结构，该系统的主反射镜和第三反射镜的反射面为椭球面，第二反射镜的反射面为双曲面，在第一、第二反射镜成像面附近安放了45°反射镜使系统光路结构更有利于探测器或照相机的安放。这种同轴三反射镜系统在德国专利DE 4229874A1和DE 4226723A1中也有具体的类似的光学系统结构的描述。

同轴三反射镜光学系统存在中心遮拦的缺点，人们在解决这一问题的过程中，研究出离轴三反镜光学结构。美国专利US 4,265,510给出了离轴三反射镜光学系统的具体结构，系统的主反射镜光轴为系统光轴，主反射镜的反射面为椭球面，第二反射镜为离轴双曲面，它偏离系统光轴并与光轴倾斜某一角度，第三反射镜为离轴椭球面，同样偏离光轴并与光轴倾斜一定的角度。

离轴三反镜系统在光学设计上是完美的，其系统设计性能可以达到光学衍射极限。但是由于系统的反射镜为离轴的二次或高次非球面，其加工难度大，制造成本高，反射镜的位置要偏离光轴并倾斜一定角度，这又给系统装校带来前所未有的困难。

                         发明内容

本发明的设计方案是：通过采用尽可能简单的反射镜曲面来降低光学加工的难度和费用，通过采用反射镜位置只离轴不倾斜的方法来降低系统光学装校的难度，从而使三反镜系统更易于加工、制造。

本发明的消象散三反射镜系统如图1所示，包括主反射镜1、第二反射镜5、第三反射镜2和光阑4。第二反射镜5光轴为光学系统的光轴，主反射镜1光轴和第三反射镜2光轴与系统光轴在同一平面内，并分别向系统光轴上、下二边偏离，主反射镜1偏离系统光轴距离D1，第三反射镜2偏离系统光轴距离D2。主反射镜1与第二反射镜5之间轴向间隔距离L1，第三反射镜2与第二反射镜5之间轴向间隔距离L2，光学系统的光阑4位于第二反射镜5上，但根据需要可作一定的调整，如安放在主反射镜1的前端，安放在主反射镜1上，安放在主反射镜1与第二反射镜4之间或安放在第二反射镜4与第三反射镜2之间。主反射镜1和第三反射镜2的反射曲面为离轴二次椭球面，第二反射镜5为普通的球面反射镜。

光学系统成像原理为：来自远方物体发出与系统光轴偏离一定角度α的平行光束6经主反射镜1、第二反射镜5及第三反射镜2反射后汇聚在离第三反射镜2轴向间距为L3的像平面3上，像平面中心偏离系统光轴距离为D3，在像平面3位置上安置像敏感器件，如：胶片、CCD器件、CMOS器件等，就可以获得远方物体的信息。

本发明的优点在于：

1.光学系统的第二反射镜5为普通的球面反射镜，第二反射镜的光轴就是系统的光轴，因此该三反射镜光学系统的光轴很容易确定，这给系统光学装校带来很大的方便；

2.第二反射镜5为普通的球面反射镜，而主反射镜1和第三反射镜2的反射面也仅为离轴的二次椭球面，这与常规的三反射镜系统相比，其反射镜的加工难度大大降低了，加工费用也有所降低；

3.主反射镜1和第三反射镜2仅与系统光轴偏离一定的距离，与系统光轴无任何倾斜角度的要求，这大大减轻了系统在光学调整时的难度。

                       附图说明

图1为离轴消象散三反射镜光学系统结构图，1为光学系统主反射镜；2为光学系统第三反射镜；3为光学系统像平面；4为光学系统光阑；5为光学系统第二反射镜；6为来自远方物体的平行光束。

图2为实施例1光学系统的光学传递函数曲线图。

图3为实施例2光学系统的光学传递函数曲线图。

                      具体实施方式

实施例1：

根据图1所示的光学系统结构我们设计了一星载望远镜的光学系统结构，星载望远镜的主要技术指标为：

     卫星轨道高度：    686Km

    地面分辨率：     4m

    光谱范围：       全色

    刈幅宽度：       24Km

    探测器：         6000元CCD线阵(单元尺寸：7μm×7μm)

由望远镜的总体技术指标制定的光学系统的技术指标为：

    焦距：        1200mm

    口径：        φ300mm

    波长：        0.5-0.8μm

    视场：        2°(线视场)

具体光学结构参数设计结果附后，光学系统传递函数曲线见图2。

实施例2：

根据图1所示的光学系统结构我们设计了一星载望远镜的光学系统结构，星载望远镜的主要技术指标为：

    卫星轨道高度：    600Km

    地面分辨率：      4.5m

    光谱范围：        全色

    刈幅宽度：        27Km

    探测器：       6000元CCD线阵(单元尺寸：10μm×10μm)由望远镜的总体技术指标制定的光学系统的技术指标为：

    焦距：             1333.33mm

    口径：             φ300mm

    波长：             0.5-0.8μm

      视场：            2.83°(线视场)

具体光学结构参数设计结果附后，光学系统光学传递函数曲线见图3。光学结构参数设计结果：

                     实施例1                实施例2主反射镜1：曲率半径：            2500.873mm(凹面)      2661.427mm(凹面)二次曲线系数：        -1.558309             -1.363062偏离系统光轴距离D1：  160mm                 155mm与第二反射镜5间距L1： 690mm                 779.693mm第二反射镜5：曲率半径：            979.0873mm(凸面)      836.574mm(凸面)二次曲线系数：        0                     0偏离系统光轴距离：    0                     0与第三反射镜2间距L2： 698.374mm             779.693mm光阑4直径：           135.1361mm            134.78mm第三反射镜2曲率半径：            1165.723mm(凹面)      1214.02mm(凹面)二次曲线系数：        0.199226              0.192241偏离系统光轴距离D2：  160mm                 155mm与像平面间距L3：      810mm                 800mm像平面3偏离系统光轴距离D3：    125mm              110mm

Claims (2)

1.一种消象散三反射镜光学系统，包括主反射镜(1)、第二反射镜(5)、第三反射镜(2)和光阑(4)；其特征在于：

A.第二反射镜(5)光轴为光学系统的光轴，主反射镜(1)光轴和第三反射镜(2)光轴与系统光轴在同一平面内，并分别向系统光轴上、下二边偏离；

B.主反射镜(1)和第三反射镜(2)的反射曲面为离轴二次椭球面，第二反射镜(5)为普通的球面反射镜；

C.主反射镜(1)、第二反射镜(5)和第三反射镜(2)的光轴与光学系统的光轴无角度倾斜；

D.来自远方物体发出与系统光轴偏离一定角度α的平行光束(6)经主反射镜(1)、第二反射镜(5)及第三反射镜(2)反射后汇聚在像平面(3)上，在像平面(3)位置上安置有像敏感器件，如：胶片、CCD器件、CMOS器件等。

2.根据权利要求1一种消象散三反射镜光学系统，其特征在于：所说的光阑(4)位于第二反射镜(5)上，但根据需要可作一定的调整，如安放在主反射镜(1)的前端，安放在主反射镜(1)上，安放在主反射镜(1)与第二反射镜(5)之间或安放在第二反射镜(5)与第三反射镜(2)之间。

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