CN110426836A - 一种施密特卡塞格林望远镜*** - Google Patents

一种施密特卡塞格林望远镜*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种施密特卡塞格林望远镜***，包括：第一施密特改正板、第二施密特改正板、主反射镜和副反射镜；第一施密特改正板、第二施密特改正板、主反射镜和副反射镜共光轴；第一施密特改正板，用于对信号源的发射光进行调制；第二施密特改正板，用于对调制后的发射光进行二次调制，以校正第一改正板带来的色差；主反射镜，用于对二次调制的发射光进行汇聚并反射；副反射镜，用于接收主反射镜的反射光并在焦点处汇聚成像。本发明以施密特卡塞格林望远镜***为基础，采用双施密特改正板结构来校正普通施密特卡塞格林***存在的色差问题，实现了像质良好、视场角大、光圈大且结构紧凑的成像***。

Description

一种施密特卡塞格林望远镜***
技术领域
本发明属于光学***和器件设计领域，更具体地，涉及一种施密特卡塞格林望远镜***。
背景技术
大视场大光圈的光学***广泛运用于光学波段的探测***中，大视场能够使得探测器在同一时间探测较大的范围，大光圈意味着焦距与口径的比值较小，能够有效提升***通光效率，提高***探测目标成像的亮度，从而达到减小光学***曝光时间，提升***响应速率的效果。但是大视场会造成***边缘像质相较于***中心快速下降，大光圈则影响***整个像质，特别是放大了***的色差。
卡塞格林反射镜组是主凹镜和次凸镜的组合，是望远镜设计常用的一种镜面组合方式。这种光学结构是劳伦特·卡塞格林在1672年提出的，它可以大限度的利用空间，使得在相对短的***长度下使***拥有更长的焦距；同时，反射镜能够有效避免色差的产生，使得***能够获得优秀的近轴像质，但离轴像质受到彗差影响而较差，而在大视场大光圈***中，由于离轴范围较大，因此***的视场边缘像质将剧烈的下降，从而导致***的工作受到影响。
施密特***是在通常的卡塞格林反射式望远镜前端添加施密特改正板而形成的结构，这种结构在中小口径的望远镜中比较常见，它是由伯恩哈特·施密特在1931年发明的。这种结构能够在不改变***焦距的情况下校正***的像差，提升***像质，同时能够获得更大的光圈，但该校正方式引入了额外的色差，而在大视场大光圈***中，这种引入的色差将大大降低***的像质。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种施密特卡塞格林望远镜***，旨在解决现有施密特卡塞格林望远镜***在校正***像差过程中，由于引入了额外的色差，导致***像质降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种施密特卡塞格林望远镜***，包括：第一施密特改正板、第二施密特改正板、主反射镜和副反射镜；所述第一施密特改正板、第二施密特改正板、主反射镜和副反射镜共光轴；
所述第一施密特改正板，用于对信号源的发射光进行调制；
所述第二施密特改正板，用于对调制后的发射光进行二次调制，以校正所述第一施密特改正板带来的色差；
所述主反射镜，用于对二次调制的发射光进行汇聚并反射；
所述副反射镜，用于接收主反射镜的反射光并在焦点处汇聚成像。
进一步地，所述第一施密特改正板一面为平面，另一面为最高次数为六次的偶次非球面；所述第二施密特改正板一面为平面，另一面为最高次数为六次的偶次非球面。
进一步地，偶次非球面的面型满足如下的方程：
其中，z(r,θ)为光学表面的矢高，r为子午面截面圆的半径，θ为方向角，A2为0，A4、A6为常数项，c为曲率，k是圆锥系数。
进一步地，第一施密特改正板、第二施密特改正板的平面和偶次非球面分布位置相同或相反。
进一步地，所述第一施密特改正板和第二施密特改正板以胶合方式粘接，或中间相隔空气平板连接。
进一步地，第一施密特改正板、第二施密特改正板采用折射率差值为0.2以内，阿贝数差值为15以上的两种玻璃材料。
进一步地，所述主反射镜和副反射镜为球面镜。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的施密特卡塞格林望远镜***中，主反射镜和副反射镜构成基本的卡塞格林***，能够在缩短***总长的情况下消除色差并成像，第一块施密特改正板能够校正反射镜带来的球差及彗差，第二块施密特改正板则通过采用与第一块施密特改正板相适应的消色散材料，校正第一改正板带来的色差，使***在实现大视场与大光圈的同时，获得较高的成像质量。
(2)本发明的施密特卡塞格林望远镜***，采用了两片反射镜，有效利用了***空间，缩短了***长度，使得整个光学***结构紧凑，体积较小。
(3)本发明的施密特卡塞格林望远镜***，仅采用四个光学元件，相较于传统的以主焦改正镜为基础的大视场大光圈望远镜***，成本低廉，制造容易。
附图说明
图1是本发明的施密特卡塞格林望远镜***结构图；
其中，1为第一施密特改正板、2为第二施密特改正板、3为主反射镜，4为副反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种施密特卡塞格林望远镜***，包括：第一施密特改正板1、第二施密特改正板2、主反射镜3和副反射镜4；第一施密特改正板1、第二施密特改正板2、主反射镜3和副反射镜4共光轴；第一施密特改正板1，用于对信号源的发射光进行调制；第二施密特改正板2，用于对调制后的发射光进行二次调制，以校正第一改正板带来的色差；主反射镜3，用于对二次调制的发射光进行汇聚并反射；副反射镜4，用于接收主反射镜3的反射光并在焦点处汇聚成像。其中，第一施密特改正板1和第二施密特改正板2结构相同，均是一面为平面，另一面为最高次数为六次的偶次非球面；偶次非球面的面型满足如下的方程：
其中，z(r,θ)为光学表面的矢高，r为子午面截面圆的半径，θ为方向角，A2为0，A4、A6为常数项，c为曲率，k是圆锥系数；在实际应用中，面型式中的常数r、A4、A6，根据***的口径、焦距、视场以及像质的需求设计。
需要说明的是，图1中第一施密特改正板1、第二施密特改正板2的平面和偶次非球面分布位置相同，但本发明不限于此，本发明中，第一施密特改正板、第二施密特改正板的平面和偶次非球面分布位置也可以相反。本发明中，第一施密特改正板1和第二施密特改正板2可以以胶合方式粘接，或中间相隔空气平板连接。本发明中，第一施密特改正板1、第二施密特改正板2材料采用折射率差值为0.2以内，阿贝数差值为15以上的两种玻璃材料，如火石玻璃与冕牌玻璃，常用的材料组为BK7/F2、BK7/SF2，这两种材料引入的色差正负相反，能够使得不同色光的发散被控制。第一片施密特改正板在调制光线的同时引入了色差，而第二片施密特改正板由于使用了与第一片改正板折射相同或相近，阿贝数差异较大的另一种材料，因此能够减少引入的色差的大小。主反射镜3和副反射镜4采用球面镜设计，能够有效降低制造难度和制造成本。
望远镜***的工作任务不同，对于视场、口径、焦距以及工作波段的需求也不同，本发明实施例以用于空间碎片探测的望远镜为例，具体说明本发明的施密特卡塞格林望远镜***的设计过程。
空间碎片望远镜基本设计指标如表1所示。
表1
指标名称 指标参数
口径 ≥600mm
光学视场角 ≥6°
焦距 1100mm
80％能量集中半径 ≤9um
等效集光口径 ≥500mm
工作波段 400nm～900nm
各元件位置参数如表2所示，位置坐标系为一维坐标系，规定向右为正方向，坐标原点位于第一个光学表面，即第一施密特改正板的第一个表面。
表2
元件表面 坐标(mm)
第一改正板前表面 0
第一改正板前表面 30
第二改正板前表面 100.822
第二改正板后表面 130.822
主反射镜表面 1886.931
副反射镜表面 1216.248
像面 1521.248
实际应用中，各元件位置应结合***光学性能的要求确定。由于施密特改正板不引入光焦度，因此首先应根据***需求的焦距确定卡塞格林***的两片反射镜的曲率半径及相对位置，两片反射镜在初始情况(对***进行最后的优化之前)应该共用一个球心，由于曲率半径数值的大小为焦距的两倍，故确定焦距即可计算各反射镜曲率半径的大小。***各反射镜焦距与总焦距在初始情况下的关系为其中f是***焦距，f1、f2分别为主反射镜和副反射镜的焦距，d为两反射镜的轴向距离，再加上***两反射镜共球心的初始结构关系，即可解出各反射镜焦距，从而确定曲率半径；然后根据成本和性能的平衡选用合适的施密特改正板材料，根据加工水平选择施密特改正板的厚度(越薄性能越好但需求的加工水平也随之提高)，根据***需求的视场角、卡塞格林***的初始结构和***的光圈数确定施密特改正板面型的各个参数及它与卡塞格林***的相对位置；最后对上述得到的初始结构进行优化以得到一个较好的设计结果。
各元件面型参数如表3所示，
表3
表3中，第一改正板后表面的四次项系数A4为1.36395E-10，六次项系数A6为6.26701E-17；第二改正板后表面的四次项系数A4为-6.23310E-11，六次项系数A6为-2.72993E-17。
对上述设计的望远镜***进行成像性能分析，其各视场散斑RMS半径及角半径、80％能量集中度半径及角半径如表4所示，
表4
该***对应的80％能量集中度衍射极限半径为4.002um，从表4可以看出，该***全视场的80％能量集中度半径分别为4.661um/0°、4.505um/1°、4.052um/2°、5.127um/3°，与衍射极限对应的半径相当，故可以认为该***能够接近衍射极限成像。同时，在通常的中小口径望远镜中，角半径小于1″可以认为像质符合基本需求，因此可以认为该***拥有良好的像质。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，包括：第一施密特改正板(1)、第二施密特改正板(2)、主反射镜(3)和副反射镜(4)；所述第一施密特改正板(1)、第二施密特改正板(2)、主反射镜(3)和副反射镜(4)共光轴；
所述第一施密特改正板(1)，用于对信号源的发射光进行调制；
所述第二施密特改正板(2)，用于对调制后的发射光进行二次调制，以校正所述第一施密特改正板带来的色差；
所述主反射镜(3)，用于对二次调制的发射光进行汇聚并反射；
所述副反射镜(4)，用于接收主反射镜(3)的反射光并在焦点处汇聚成像。
2.根据权利要求1所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述第一施密特改正板(1)一面为平面，另一面为最高次数为六次的偶次非球面；所述第二施密特改正板(2)一面为平面，另一面为最高次数为六次的偶次非球面。
3.根据权利要求2所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述偶次非球面的面型满足如下的方程：
其中，z(r,θ)为光学表面的矢高，r为子午面截面圆的半径，θ为方向角，A2为0，A4、A6为常数项，c为曲率，k是圆锥系数。
4.根据权利要求2所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述第一施密特改正板(1)、第二施密特改正板(2)的平面和偶次非球面分布位置相同或相反。
5.根据权利要求4所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述第一施密特改正板(1)和第二施密特改正板(2)以胶合方式粘接，或中间相隔空气平板连接。
6.根据权利要求5所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述第一施密特改正板(1)和第二施密特改正板(2)选取折射率差值0.2以内，阿贝数差值15以上的两种玻璃材料。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种施密特卡塞格林望远镜***，其特征在于，所述主反射镜(3)和副反射镜(4)为球面镜。
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