CN212207826U - 一种紧凑型长焦四反望远光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型长焦四反望远光学系统，其组成包括四个光学反射面与两个反射镜元件，按照光线入射顺序，光学反射面依次经过主镜、次镜、三镜、四镜和焦平面，主镜和三镜后成一次像面，后经三镜、四镜成像至焦平面，无二次遮拦设计，四个反射镜呈轴光轴对称结构，孔径光阑位于主镜处，组合加工为主三一体反射镜，可加工为次四一体反射镜，本实用新型的有益效果，通过控制出光瞳位置和反射镜间距，采用面向新型加工工艺的设计方法，实现了简单可靠的系统结构，具有焦距长、光学总长短、体积小、光路结构紧凑、成像质量好、加工成本低等优点，满足中小口径空间遥感相机光学系统需求，适用于实现超紧凑、超轻量化的空间遥感光学成像系统。

Description

一种紧凑型长焦四反望远光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学设计和空间光学成像探测技术领域，具体为一种紧凑型长焦四反望远光学系统，可用于紧凑型，轻量化空间遥感相机。

背景技术

望远光学系统是一类广泛使用的光学系统，在天文学、国防、航天领域有着众多的应用。望远光学系统根据所用的光学元件，可分为反射式、折射式和折反混合三类，其中反射式望远物镜具有焦距长、无色差和结构紧凑的技术特点，使用广泛。

近年来，航天遥感卫星有向小型化发展的趋势，其中质量在50kg左右的微纳卫星因其具有更低研制和发射成本、周期短、灵活性高、体积轻小的优势，成为行业关注热点；为制造适配微纳卫星平台能够获取较高质量图像的遥感光学载荷，需在体积和质量的限制下，设计高空间分辨力的望远光学系统。

空间相机光学系统常采用同轴三反射结构，为避免二次遮拦和缩短尺寸，通常添加多块平面镜折叠光路或倾斜视场使用，使得光学系统复杂，且尺寸缩短有限；同轴四反光学系统物像位于系统异侧，可直接引出像面，并且具有更多的优化自由度；但在提高望远光学系统性能的同时，设计和装调要求也更高；缩短系统总长会使非球面反射镜的相对孔径增大，面形加工难度显著增加，光学元件加工的周期和成本上升；四反光学结构使每个光学元件的装调公差更为严格，增加装调难度和复杂性，特别是大孔径长焦望远物镜，以上问题更为突出。

作为对比，参考专利：北京空间机电研究所.同轴四反超低畸变光学系统:CN201210334328.8[P].2013-01-09中提出的四镜反射结构望远物镜光学系统指标同为入瞳直径625mm，焦距10000mm，F数16，全线视场1.5°，系统全长1158mm采用了同轴三反TMA加低光焦度四镜的光学系统结构，孔径光阑位于主镜，系统倾斜视场使用并且增加一片平面镜实现光路折叠，系统长径比接近2，所有5片光学元件均需要进行独立的加工、安装和装校。长径比、装调难度均大于本实用新型中的设计实例。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种紧凑型长焦四反望远光学系统，适用于微纳卫星星载对地遥感相机，可实现高分辨率，紧凑化、轻量化，光学元件数量少，并大大降低光学系统装调难度。

上述目的主要是通过如下技术方案实现：

一种紧凑型长焦四反望远光学系统，包括有效光学面主镜、次镜、三镜、四镜和焦平面，所述主镜、所述次镜、所述三镜和所述四镜呈轴光轴对称结构，所述主镜、所述次镜后设有中间像，所述三镜、所述四镜后设为成像焦平面，所述主镜与所述三镜为椭球面，所述次镜、所述四镜为双曲面，所述次镜、所述三镜、所述四镜含高次非球面项，所述主镜、所述三镜组合加工为主三一体反射镜，所述次镜、所述四镜组合加工为次四一体反射镜，且所述次镜与所述四镜的面形参数一致，共用同一表面。

优选的，所述主镜与所述三镜的顶点轴向间距为8～10mm。

优选的，所述次镜与所述四镜面形参数完全一致并且面顶点位置重合。

优选的，所述紧凑型长焦四反望远光学系统的总长度为有效焦距的1/8～1/7。

优选的，所述紧凑型长焦四反望远光学系统的遮拦系数为0.4～0.5。

优选的，所述主镜外缘设置外遮光罩和所述次镜、所述三镜之间设置内遮光罩均用于抑制一次杂散光，且外遮光罩长度不超出所述次镜的轴向位置。

优选的，更加适于采用单点金刚石车削工艺加工光学反射面，实现主三一体反射镜和次四一体反射镜的高精度一体化加工。

优选的，所述主镜、所述次镜、所述三镜和所述四镜四块反射镜的顶点曲率半径满足平像场条件1/R1-1/R2+1/R3-1/R4＝0和共面形条件R2＝R4，其中，所述R1、R2、R3、R4分别为顶点曲率半径，且对应为所述主镜、所述次镜、所述三镜和所述四镜的顶点曲率半径，所述R1取值范围在-320～-250mm，所述R2与R4取值范围在-200～-160mm，所述R3取值范围在-137～-100mm。

有益效果

本实用新型与现有技术相比有如下有益效果：

本实用新型在常规长焦同轴四反光学系统的基础上，通过次镜、四镜共面，主镜、三镜同轴嵌套设计，压缩了同轴四反系统的结构总长，光学系统总长度为有效焦距的1/8～1/7，并且成像质量接近衍射极限，结构紧凑，总体积仅为同类指标系统的1/3左右，作为星载遥感相机光学系统十分有优势。

本实用新型光学系统中的次镜、四镜共面，主镜、三镜同轴嵌套设计，将四反光学系统的光学元件数量减少至两个，将装调对准要求前移至光学元件加工阶段，精度提升至超精密加工误差水平，可减少光学元件的加工数量，减轻系统质量，简化反射镜支撑结构设计，节约加工成本，减少装调步骤，缩短研制周期，十分有利于星载遥感相机的快速、批量化制造。

附图说明

图1为本实用新型的紧凑型长焦四反望远光学系统光路结构图；

图2为本实用新型实施例中光学系统的调制传递函数曲线；

图3为本实用新型实施例中光学系统的点列图；

图4为本实用新型实施例中光学系统的网格畸变图；

图5为本实用新型实施例中光学系统配套的一种遮光罩结构示意图。

附图标记

1-主镜，2-次镜，3-三镜，4-四镜，5-焦平面，6-主三一体反射镜，7-次四一体反射镜。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例1

紧凑型长焦四反望远光学系统为凹-凸-凹-凸结构，主镜1、次镜2、三镜3、四镜4均为非球面；光学系统入瞳位于主镜处，直径200mm，光学长度211mm，焦距为1400mm，F数为7，全视场角1.33°工作波段为400～900nm，遮拦比0.48；

该实施例光学系统结构如图1所示，光路描述如下：成像光路中光线经主镜1反射至次镜2、由次镜2反射成像至一次像面，成像光线再经三镜3反射至四镜4，经四镜4反射光线通过三镜3中心孔后成像至焦平面5。主镜1与次镜2轴向间距118mm，次镜2与三镜3轴向间距123mm。

如图1所示实施例光学系统光线包络，主镜1与三镜3同为凹椭球面。光学设计中三镜3同轴嵌套于主镜1中心孔内，并且三镜3外边缘与主镜1内边缘共圆，主镜1与三镜3组合为主三一体反射镜6进行加工。

如图1所示实施例光学系统光线包络，次镜2与四镜4为凸双曲面，面形参数完全一致并且表面重合。次镜2与四镜4通光口径都为环形，并有部分口径重叠，次镜2与四镜4按重叠孔径尺寸组合为次四一体反射镜7进行加工。

主镜二次项系数为-1～-0.6，次镜和四镜二次项系数为-2～-3，三镜二次项系数为-1～-0.7。主镜、次镜、三镜和四镜顶点曲率半径满足平像场条件1/R1-1/R2+1/R3-1/R4＝0和共面形条件R2＝R4，其中，R1、R2、R3、R4分别对应为主镜、次镜、三镜和四镜的顶点曲率半径，R1取值范围在-350～-250mm，R2、R4取值范围在-200～-150mm，R3取值范围在-150～-100mm。

主三一体反射镜6和次四一体反射镜7材料为6061-T6铝合金，经单点金刚石超精密加工镜面面形，镀银膜提高反射率。

图2为实施例光学系统的调制传递函数曲线，纵坐标为视场，横坐标为分辨率(单位lp/mm)，取参考波长632.8nm，取0.665°、0.498°、0.332°、0.166°、0°共5个参考视场，可见50lp/mm处各视场的MTF值0.4，并且接近衍射极限。

图3为实施例光学系统的点列图，同样取0.665°、0.498°、0.332°、0.166°、0°共5个参考视场，可见各视场点列图像斑能量集中在艾里斑范围内，成像质量接近衍射极限。

图4为实施例光学系统的网格畸变图，可见系统最大畸变小于0.1％，十分有利于航天对地遥感应用。

图5给出了实施例光学系统配套的一种消杂光遮光罩设计和次四一体反射镜支撑结构的模型。

本实施例具体的系统设计参数如下：

成像光学系统参数：

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型性的保护范围之内的实用新型内容。

Claims (7)

1.一种紧凑型长焦四反望远光学系统，包括有效光学面主镜（1）、次镜（2）、三镜（3）、四镜（4）和焦平面（5），所述主镜（1）、所述次镜（2）、所述三镜（3）和所述四镜（4）呈轴光轴对称结构，所述主镜（1）、所述次镜（2）后设有中间像，所述三镜（3）、所述四镜（4）后设为成像焦平面，所述主镜（1）与所述三镜（3）为椭球面，所述次镜（2）、所述四镜（4）为双曲面，所述次镜（2）、所述三镜（3）、所述四镜（4）含高次非球面项，所述主镜（1）、所述三镜（3）组合加工为主三一体反射镜（6），所述次镜（2）、所述四镜（4）组合加工为次四一体反射镜（7），且所述次镜（2）与所述四镜（4）的面形参数一致，共用同一表面。

2.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述主镜（1）与所述三镜（3）的顶点轴向间距为8～10mm。

3.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述次镜（2）与所述四镜（4）面形参数完全一致并且面顶点位置重合。

4.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述紧凑型长焦四反望远光学系统的总长度为有效焦距的1/8～1/7。

5.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述紧凑型长焦四反望远光学系统的遮拦系数为0.4～0.5。

6.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述主镜（1）外缘设置外遮光罩和所述次镜（2）、所述三镜（3）之间设置内遮光罩均用于抑制一次杂散光，且外遮光罩长度不超出所述次镜（2）的轴向位置。

7.根据权利要求1所述的紧凑型长焦四反望远光学系统，其特征在于：所述主镜（1）、所述次镜（2）、所述三镜（3）和所述四镜（4）四块反射镜的顶点曲率半径满足平像场条件1/R1-1/R2+1/R3-1/R4=0和共面形条件R2=R4，其中，所述R1、R2、R3、R4分别为顶点曲率半径，且对应为所述主镜（1）、所述次镜（2）、所述三镜（3）和所述四镜（4）的顶点曲率半径， 所述R1取值范围在-320～-250mm， 所述R2与R4取值范围在-200～-160mm， 所述R3取值范围在-137～-100mm。

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