CN103226236A - 大视场球面三反射镜光学*** - Google Patents

大视场球面三反射镜光学*** Download PDF

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史广维
张新
王灵杰
张建萍
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Abstract

大视场球面三反射镜光学***属于光学技术领域，主要解决现有全反射光学***成像视场角小、元件加工和检测困难的问题。***由凸球面的第一反射镜、凹球面的第二反射镜、凸球面的第三反射镜和孔径光阑组成，三个反射镜的曲率中心在一条直线上，孔径光阑与第三反射镜重合；入射光先入射到第一反射镜，然后到达第二反射镜，再入射到第三反射镜后返回第二反射镜最终到达像面，光在第二反射镜经过两次反射，第一反射镜和第三反射镜经过一次反射；***采用视场偏置的方式以达到无遮拦的目的。本发明的光学***消除了球差、彗差、像散和场曲的影响，可在较大视场范围内具有良好的成像质量；可应用于航空、航天光电成像领域。

Description

大视场球面三反射镜光学***
技术领域
本发明属于离轴全反射成像光学***技术领域，具体涉及一种大视场球面三反射镜光学***。
背景技术
利用几个反射镜所组成的光学***可以实现对无穷远目标成像，例如望远镜或全反射相机。与透射式光学***相比，反射式光学***具有使用波段范围宽、易于实现轻量化、热性能好、结构紧凑等优点。根据有无中心遮拦，可将反射式光学***分为同轴反射***和离轴反射***。离轴反射***可以通过光阑偏置或视场偏置的方法避免中心遮拦影响，并且能够获得良好的杂散光特性。因此，离轴反射光学***被广泛应用于天文望远镜、空间遥感相机以及红外或紫外成像***之中。
目前，应用最为广泛的离轴反射式光学***为离轴三反镜光学***。根据光学元件光焦度分配方式不同可以分为“正-负-正”形式和“负-正-正”形式。光焦度分配为“正-负-正”的离轴三反镜光学***结构尺寸较小，但不利于实现大视场，当前发表的文献显示该形式的光学***视场最大只能到20°，而“负-正-正”形式为反远距结构，实现的视场较大。采用该结构形式的专利有：美国专利4598981，美国专利5170284，美国专利5331470，欧洲专利0656552A2。这几个光学***存在的问题是：光学元件都采用非球面，元件加工、检测和***装调难度都较大。
发明内容
为了解决现有三反射镜光学***，其光学元件光焦度分配为“正-负-正”形式时视场范围较小，不利于实现大视场，而其光学元件光焦度分配为“负-正-正”形式时又必须采用加工难度更高的非球面光学元件，并因此导致光学***的检测和装调难度加大的技术问题，本发明提供一种大视场球面三反射镜光学***。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
大视场球面三反射镜光学***包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和孔径光阑，所述第一反射镜和第三反射镜的镜面均与第二反射镜的镜面相对设置，三个反射镜的曲率中心在一条直线上；来自远处目标的入射光束顺次经第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜反射，由第三反射镜反射后的出射光再次经第二反射镜反射后汇聚至光学***的像面；所述孔径光阑与第三反射镜重合；所述第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为负，第二反射镜的光焦度为正。
所述第一反射镜的曲率和第三反射镜的曲率之和是第二反射镜的曲率的二倍；所述第二反射镜的曲率半径约为第二反射镜和第三反射镜中心间隔的二倍；所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜都为球面反射镜；第一反射镜和第三反射镜均为光焦度为负的凸球面反射镜，第二反射镜是光焦度为正的凹球面反射镜；光学***采用视场偏置的方式以达到无遮拦的目的。
本发明的有益效果是：该光学***采用的光学元件是三组球面反射镜，且光线两次经过三组球面反射镜中的一组，使得光焦度分配为“负-正-负-正”形式，该***避免了使用非球面反射镜，并采用视场偏置的方式以达到无遮拦的目的，在扩大视场的同时有降低了光学***的检测和装调难度。
附图说明
图1是本发明大视场球面三反射镜光学***的原理图；
图2是本发明在各视场的光学传递函数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的大视场球面三反射镜光学***包括第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3和孔径光阑4。该光学***的入射光束顺次经第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3反射，第三反射镜3的出射光再次经第二反射镜2反射后汇聚至像面5。
第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3都为球面反射镜。第一反射镜1和第三反射镜3均为光焦度为负的凸球面反射镜，第二反射镜2是光焦度为正的凹球面反射镜，并且光线两次经过第二反射镜2，即形成了“负-正-负-正”的光焦度分配形式，孔径光阑4与第三反射镜3重合。
第一反射镜1和第三反射镜3的镜面均与第二反射镜2的镜面相对排列，三个反射镜共轴设置即曲率中心都在一条直线上。第二反射镜2的曲率半径约为第二反射镜2和第三反射镜3中心间隔的二倍，这样就使到达像面5的主光线与光轴近乎平行，即实现了准远心光路设计。
为了校正场曲，本发明将第一反射镜1的曲率
Figure BDA00003074467400031
和第三反射镜3的曲率
Figure BDA00003074467400032
之和设定为第二反射镜2的曲率
Figure BDA00003074467400033
的二倍，即：
Figure BDA00003074467400034
光学***校正了球差、彗差、像散和场曲，并使得焦距满足***要求。本发明的光学***通过约束光线在第四次反射时利用到第二反射镜2的反射面的延伸部分，因此实为四反射光学***，同时采用视场偏置的方式以达到无遮拦的目的。该***利用同一个反射镜实现两次反射，达到简化***结构、减少元件数量的目的，并最终获得了主光线与光轴近乎平行的准远心光路设计。
具体应用本发明的大视场球面三反射镜光学***时，按照表1所示的光学***的结构参数来配置第一反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3各自的曲率半径以及间隔，并使本光学***焦距为100mm，条形视场为64°×3°，相对孔径为1:5.6，将视场偏置设定为18.5°以避免中心遮拦。
表1
名称 曲率半径（mm） 间隔（mm）
第一反射镜 209.33 -134.5
第二反射镜（第一次反射时） 267.82 126.5
第三反射镜（光阑） 383.51 -126.5
第二反射镜（第二次反射时） 267.82 126.5
像面 ∞ -
如图2所示为采用本发明的大视场球面三反射镜光学***各视场的光学传递函数曲线图，图中光学传递函数计算波长为0.6328μm。
采用上述参数配置制成的大视场球面三反射镜光学***用三个简单的球面反射镜即可实现大视场成像，条形视场达60°以上，面视场达20°×30°以上，所采用的球面光学元件易加工、易检测，装调公差宽松。同时，整个***结构简单、布局紧凑，成像质量好。本发明的光学***采用主光线与光轴近乎平行的准远心光路设计，在多光谱相机应用中，可在像面前加窄带滤光片不会引起中心波带漂移。

Claims (3)

1.大视场球面三反射镜光学***，其特征在于：该光学***包括第一反射镜（1）、第二反射镜（2）、第三反射镜（3）和孔径光阑（4），所述第一反射镜（1）和第三反射镜（3）的镜面均与第二反射镜（2）的镜面相对设置，三个反射镜的曲率中心在一条直线上；入射光束顺次经第一反射镜（1）、第二反射镜（2）和第三反射镜（3）反射，由第三反射镜（3）反射后的出射光再次经第二反射镜（2）反射后汇聚至光学***的像面（5）；所述孔径光阑（4）与第三反射镜（3）重合；所述第一反射镜（1）和第三反射镜（3）的光焦度均为负，第二反射镜（2）的光焦度为正。
2.如权利要求1所述的大视场球面三反射镜光学***，其特征在于：所述第一反射镜（1）的曲率和第三反射镜（3）的曲率之和是第二反射镜（2）的曲率的二倍。
3.如权利要求1或2所述的大视场球面三反射镜光学***，其特征在于：所述第一反射镜（1）和第三反射镜（3）均是光焦度为负的凸球面反射镜，第二反射镜（2）是光焦度为正的凹球面反射镜。
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