CN201331617Y - 一种全反射光学系统 - Google Patents

Abstract

一种全反射光学系统，包括光轴OO′、对称位于光轴OO′上下两侧的主镜和位于主镜反射光线上的次镜，光轴OO′与次镜的中心垂直，主镜面型为凹的抛物面，次镜面型为凸双曲面，还包括位于光轴OO′一侧的第三镜和位于光轴OO′另一侧的第四镜，次镜的出射光线上一次像面的位置设置有折轴镜和视场光阑，折轴镜将出射光线反射至第三镜上，所述光线经第三镜通过Lyot光阑光线入射至第四镜，经第四镜反射后，光线会聚于焦平面，第三镜面型为凹的高次非球面，第四镜面型为凹的椭球面。本实用新型是像方远心的，并且适合于大口径高分辨率观测应用。

Description

一种全反射光学系统

技术领域

本实用新型是一种全反射的成像光学系统。具体地说，是一种共光轴、线视场、像方远心、偏视场使用的全反射光学系统。

背景技术

相对于折射光学系统，全反射光学系统在长焦距、大口径和宽波段光学系统中有着无可替代的优势。一般来说，在口径大于300mm的光学系统中，由于材料以及光学系统体积和重量的限制，单纯的折射系统就已经不适用了。这些限制对于反射系统来说，则完全不存在。在长焦系统中，可以通过反射镜来回折转光路，从而大大缩小系统体积；在反射系统中，光线并不穿过整个光学元件，而只是在光学元件的一侧反射，可以在保证面型稳定的前提下，挖空背面来减重。这些特征决定了反射系统特别适合于航天遥感应用。目前在轨的高分辨率对地观测卫星，如Sopt V、Ikonos、Quickbird和Worldwile-I等，其光学系统均为全反射光学系统。宽谱段特性是全反射系统的另一个突出的优点。一般反射面镀的金属反射膜从紫外一直到远红外都有比较高的反射率，而且没有色差，非常适合宽谱段应用的光学系统。

在全反射系统中，由于光线来回反射，导致镜片之间的相互遮拦是很大的问题。由于镜片之间互相的遮拦，使得全反射系统中镜片数量相对于折射系统要少得多。镜片数量少，使得校正光学系统像差的变量也就少，所以一般反射系统中镜片面型都使用二次曲面或高次非球面以增加变量个数，从而校正更多的像差，提高成像系统性能。

球面、二次曲面和高次非球面可用以下公式描述：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}+{\mathrm{Hh}}^{18}+{\mathrm{Jh}}^{20}$

这里z为曲面相对于顶点的矢高；

c  为曲面顶点处曲率；

k为二次曲面系数；

k＝0时，为球面；

-1＜k＜0时，为长轴和光轴重合的椭球面；

k＝-1时，为抛物面；

同时，k＝-e²，e为二次曲面离心率；

当k＞0时，曲面由椭圆短轴和光轴重合，绕光轴生成的曲面，此时，k＝e²/(1-e²)，e为椭圆的离心率。

A，B，C，D，E，F，G，H，J分别为4阶，6阶，8阶，10阶，12阶，14阶，16阶，18阶，20阶非球面系数，当以上非球面系数全为零时，曲面为完全的二次曲面。

h＝x²+y²；

习惯上，我们将二次曲面和高次非球面统称为非球面。

传统的反射式光学系统主要有牛顿系统、格里高利系统和卡塞格伦系统。它们的反射镜面型均为二次曲面，其中，牛顿系统由一抛物面构成；格里高利系统由一抛物面和一椭球面组成；卡塞格伦系统由一抛物面和一双曲面组成。这些系统都校正了球差，但其他和视场相关的像差没有得到校正，因此这些系统视场非常小。随后，卡塞格伦系统改进为一种称为RC的反射系统，主镜是非常接近抛物面的双曲面，次镜为双曲面。RC系统同时校正了球差和彗差，使得系统视场得到了扩展。著名的哈勃太空望远镜就是RC系统的一个非常成功的应用。在RC系统焦面附近增加一组校正场曲的平场镜可以进一步扩大成像系统的视场，但是折射元件的引入，大大限制了光学系统的宽谱段性能。

在20世纪六、七十年代，出现了一种称之为三反射镜消象散系统(简称TMA)。TMA由三片非球面反射镜组成，同时校正了球差、彗差和场曲，通过合理分配三片反射镜的光焦度，还可以校正场曲。在TMA系统的基础上，发展出了几种具体的光学系统。

典型的是U.S.Patent 4,101,195(1978)公布的一种结构。它由4片反射镜构成，其中一片平面镜，三片二次曲面镜(一个双曲面，两个椭球面)。有实的一次像面和实的Lyot光阑。整个系统结构紧凑，入瞳位于主镜，其他镜片尺寸明显小于主镜，适合大口径应用，是一个优良的光学系统。它的工作视场为线视场，非常适合工作于推扫模式。美国一米分辨率的对地观测卫星Ikonos就采用了结构。但这种系统不是像方远心的，它的主光线在焦平面入射角比较大，这对焦面照度的均匀性和焦面附近滤光片滤光效果都是很不利的。

U.S.Patent 4,240,707(1980)公布了另一种TMA的结构，由三片非球面镜组成，视场同样视为线视场，但视场比U.S.Patent 4,101,195更大。其光路结构为像方远心，但是其入瞳位于第二反射镜，其他两个反射镜尺寸相近，并且远大于入瞳直径，所以对于大口径高分辨率观测应用来说，这种结构并不适用。这种结构适用于小口径、较大视场、多谱段、工作于推扫模式的成像装置。美国EO-1计划中的ALI多光谱相机，其入瞳口径为125mm，就采用了这种光学系统。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种全反射光学系统，其系统是像方远心的，并且适合于大口径高分辨率观测应用。

本实用新型的技术方案是：

一种全反射光学系统，包括光轴OO′、对称位于光轴OO′上下两侧的主镜1和位于主镜1反射光线上的次镜2，所述光轴OO′与次镜2的中心垂直，所述主镜1面型为凹的抛物面，所述次镜2面型为凸双曲面，

其特殊之处在于：还包括位于光轴OO′一侧的第三镜3和位于光轴OO′另一侧的第四镜4，所述次镜2的出射光线上一次像面的位置设置有折轴镜5和视场光阑6，所述折轴镜5将出射光线反射至第三镜3上，所述光线经第三镜3通过Lyot光阑7光线入射至第四镜4，经第四镜4反射后，光线会聚于焦平面8，所述第三镜3面型为凹的高次非球面，所述第四镜4面型为凹的椭球面。

上述经过该全反射光学系统为线视场，所述各个视场的主光线都垂直入射至焦平面8。

上述第三镜3出射光线为平行光，由主镜1、次镜2、折轴镜5和第三镜3可以构成一个无焦光学系统，其角放大率为主镜1直径和Lyot光阑7直径之比。

上述折轴镜5与光轴OO′夹角可以根据实际应用上下调节，但不能遮拦光线。

上述折轴镜5与光轴OO′夹角是45°为佳。

上述折轴镜5为平面镜。

其中Lyot光阑可翻译为里奥(法国人名)光阑，指光学系统的入瞳在光学系统成有实像，它对消除光学系统杂散辐射非常有效。

本实用新型具有共光轴、线视场、像方远心以及偏视场使用的特点，适合于大口径高分辨率观测应用。

附图说明

图1是整个光学系统侧视剖面图；

图2是主镜至次镜的顶视剖面图；

图3是第三镜至第四镜的前视剖面图；

图4是第四镜至焦平面的前视剖面图。

具体实施方式

参见图1～4，一种全反射光学系统，包括光轴OO′、对称位于光轴OO′上下两侧的主镜1和位于主镜1反射光线上的次镜2，光轴OO′与次镜2的中心垂直，所述主镜1面型为凹的抛物面，次镜2面型为凸双曲面，还包括位于光轴OO′一侧的第三镜3和位于光轴OO′另一侧的第四镜4，次镜2的出射光线上一次像面的位置设置有折轴镜5和视场光阑6，折轴镜5将出射光线反射至第三镜3上，光线经第三镜3通过Lyot光阑7光线入射至第四镜4，经第四镜4反射后，光线会聚于焦平面8，第三镜3面型为凹的高次非球面，所述第四镜4面型为凹的椭球面；经过该全反射光学系统为线视场，所述各个视场的主光线都垂直入射至焦平面8。

其中第三镜3出射光线为平行光，由主镜1、次镜2、折轴镜5和第三镜3可以构成一个无焦光学系统，其角放大率为主镜1直径和Lyot光阑7直径之比。

其中折轴镜5为平面镜，折轴镜5与光轴OO′夹角可以根据实际应用上下调节，但不能遮拦光线。具体地折轴镜5与光轴OO′夹角最佳是45°。

本实用新型是一种紧凑的、由五反射镜组成的全反射光学系统，由一个平面反射镜和四个非球面反射镜组成，我们称之为四反射镜像方远心系统，简称为FMT。

此光学系统入瞳位于主镜，主镜面型为抛物面；光线由主镜反射至次镜，次镜面型为双曲面；光线经由次镜反射后，形成了一次像面；接着光线被倾斜45°放置的平面镜向下反射，在这里系统光轴被折转了90°；光线向下入射至第三镜，第三镜面型为高次非球面；经第三镜反射后，光线平行出射，入瞳在其上方成实像，称之为Lyot光阑；经过Lyot光阑光线入射至第四镜，第四镜面型为椭球面；经第四镜反射后，光线会聚于焦平面。各个视场的主光线都垂直入射至焦平面，是一个比较理想的像方远心成像系统。

Claims (6)

1.一种全反射光学系统，包括光轴OO′、对称位于光轴OO′上下两侧的主镜(1)和位于主镜(1)反射光线上的次镜(2)，所述光轴OO′与次镜(2)的中心垂直，所述主镜(1)面型为凹的抛物面，所述次镜(2)面型为凸双曲面，其特征在于：还包括位于光轴OO′一侧的第三镜(3)和位于光轴OO′另一侧的第四镜(4)，所述次镜(2)的出射光线上一次像面的位置设置有折轴镜(5)和视场光阑(6)，所述折轴镜(5)将出射光线反射至第三镜(3)上，所述光线经第三镜(3)通过Lyot光阑(7)光线入射至第四镜(4)，经第四镜(4)反射后，光线会聚于焦平面(8)，所述第三镜(3)面型为凹的高次非球面，所述第四镜(4)面型为凹的椭球面。

2.根据权利要求1所述全反射光学系统，其特征在于：所述经过该全反射光学系统为线视场，所述各个视场的主光线都垂直入射至焦平面(8)。

3.根据权利要求1或2所述全反射光学系统，其特征在于：所述第三镜(3)出射光线为平行光，由主镜(1)、次镜(2)、折轴镜(5)和第三镜(3)可以构成一个无焦光学系统，其角放大率为主镜(1)直径和Lyot光阑(7)直径之比。

4.根据权利要求3所述全反射光学系统，其特征在于：所述折轴镜(5)与光轴OO′夹角可以根据实际应用上下调节，但不能遮拦光线。

5.根据权利要求4所述全反射光学系统，其特征在于：所述折轴镜(5)与光轴OO′夹角是45°。

6.根据权利要求5所述全反射光学系统，其特征在于：所述折轴镜(5)为平面镜。

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