CN111580258A - 一种紧凑型大视场小f#折反射光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像领域,涉及一种紧凑型大视场小F#折反射光学***。主要用于大视场高分辨率对地成像。解决现有遥感光学***不能同时满足成像视场大、工作波段较宽与结构紧凑要求的问题。沿光线传播方向依次包括主镜、次镜、三镜、四镜和补偿透镜;主镜、次镜与三镜的轴向中心均开设内孔,三镜嵌入主镜的内孔中;四镜嵌入次镜的内孔中;光线在传播方向上依次经过主镜、次镜、三镜、四镜的反射后透过补偿透镜,到达焦平面成像;主镜、次镜、三镜与四镜均为最高次数为四次的偶次非球面镜,采用四块偶次非球面反射镜对光路进行折转,使得***的总长大大缩减,同时主镜与三镜、次镜与四镜一体加工,减小***的总镜片数量,降低***装调难度。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域,具体涉及一种紧凑型大视场小F#折反射光学***。主要用于大视场高分辨率对地成像,也可用于城市安全监控、国土普查、防灾减灾等领域。
背景技术
随着光学技术发展,光学遥感领域的重要性不断增加,同时对用于遥感的光学***提出了更高性能的要求。为适应新的性能要求,遥感光学***逐步向长焦距、大口径、宽谱段、大视场、结构紧凑等方向发展,而全反射***在实现上述指标上具有独特的优势。传统的RC***具有长焦距、大口径、结构紧凑、易装调等优势,由于采用了透射补偿镜,***的工作波段较窄,且***成像视场很难做大;离轴三反射光学***虽能够实现长焦距、大口径、宽谱段、大视场等功能,但是单***本身的装调较为复杂,总体尺寸也比较大。同时为了扩大视场和校正像差,在离轴三反射的基础上也发展出了离轴四反射结构,进一步加剧了***总体尺寸与装调的复杂度。
北京空间机电研究所葛婧菁等人申请的专利号为CN 109459844 A的专利《一种紧凑型大视场互嵌式折反射光学***》,***采用了复杂化的格里高利***,次镜与三镜之间存在一个中间像面,以同轴四反射的形式实现了一种更优化的***设置,整体结构紧凑、总长度小于有效焦距的1/10,全视场可达3°,成像质量接近衍射极限。说明书中给出了光学***的入瞳直径为1250mm,焦距为7700mm,假定***的遮拦比为1/3,***等效F#=6.7。***可以理解为格里高利***,区别在于补偿镜为反射镜,由于格里高利***本身的成像视场较小,采用反射镜作为补偿镜之后,整体成像视场仍然不大。RC***类似于格里高利***,区别在于没有一次像面,成像视场更大。
因此,本发明根据RC***提出一种基于RC***的同轴四反射光学***,***具有成像视场大,***F#小,***结构紧凑、工作谱段宽、成像质量高等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,以解决现有遥感光学***不能同时满足成像视场大、工作波段较宽与结构紧凑要求的问题。
本发明光学***具有成像视场大,***F#小等特点,同时还具有结构紧凑、工作谱段宽、成像质量高、装调简单等特点。
本发明的技术解决方案是提供一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特殊之处在于:沿光线传播方向依次包括主镜、次镜、三镜、四镜和补偿透镜;还包括设置在次镜上的光阑;
所述主镜、次镜与三镜的轴向中心均开设内孔,所述三镜嵌入主镜的内孔中,三镜的外周面紧贴主镜内孔孔壁;所述四镜嵌入次镜的内孔中,四镜的外周面紧贴次镜内孔孔壁;所述补偿透镜位于三镜内孔中,与三镜内孔孔壁之间具有间隙;光线在传播方向上依次经过主镜、次镜、三镜、四镜的反射后透过补偿透镜,到达焦平面成像;
所述主镜、次镜、三镜与四镜均为最高次数为四次的偶次非球面镜,所述补偿透镜的表面为球面;
所述主镜与次镜、次镜与三镜、三镜与四镜之间的中心间距均相等。
进一步地,所述主镜的曲率半径为-76.80mm,所述主镜与次镜的中心间距为38.70mm,所述主镜的conic系数为-1.00,所述主镜的二次项系数为3.8340e-3,所述次镜的四次项系数为1.9887e-8。
进一步地,所述次镜的曲率半径为-35.05mm,所述次镜与三镜的中心间距为38.70mm,所述次镜的conic系数为-1.16,所述次镜的二次项系数为0.0106,所述次镜的四次项系数为-2.3981e-7。
进一步地,所述三镜的曲率半径为-17.52mm,所述三镜与四镜的间距为38.70mm,所述三镜的conic系数为-1.02,所述三镜的二次项系数为0.0262,所述三镜的四次项系数为-4.9931e-7。
进一步地,所述四镜的曲率半径为-13.68mm,所述四镜与补偿透镜的间距为40.58mm,所述四镜的conic系数为-0.97,所述四镜的二次项系数为0.03468,所述四镜的四次项系数为7.9750e-7。
进一步地,所属补偿透镜的材料为融石英,前表面曲率半径为33.26mm,后表面的曲率半径为29.60mm,透镜中心厚度为2.00mm。
本发明的有益效果是:
1.本发明采用四块偶次非球面反射镜对光路进行折转,使得***的总长大大缩减,同时主镜与三镜、次镜与四镜一体加工,减小***的总镜片数量,降低***装调难度;
2.本发明主镜与次镜、次镜与三镜、三镜与四镜之间的中心间隔均相等,保证了主镜与三镜、次镜与四镜在光轴位置重合,有利于减小主镜与三镜、次镜与四镜一体加工时产生的矢高差,同时降低主镜与三镜、次镜与四镜一体加工时光学加工与光学检测的难度;
3.与背景中提到的同轴四反射光学***相比,在保持了***结构紧凑、成像质量高,工作谱段宽的特性下,光学***的全视场达到5°,***有效F#降低到1.70,且在100lp/mm处的传递函数高于0.4。
附图说明
图1为本发明光学***的结构示意图;
图2为本发明光学***光路结构示意图;
图3为本发明光学***的MTF曲线;
图4为本发明光学***弥散斑图;
图5为本发明光学***场曲畸变曲线;
图中附图标记为:1-主镜;2-次镜,3-三镜,4-四镜、5-补偿透镜,6-焦平面。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
如图1所示,为本实施例光学***的结构示意图,在光学路径上放置主镜1与三镜3的组合镜、次镜2和四镜4的组合镜和补偿透镜5。
主镜1的轴向中心均开设内孔,三镜3嵌入主镜的内孔中,三镜的外周面紧贴主镜内孔孔壁;次镜2的轴向中心均开设内孔,四镜4嵌入次镜2的内孔中,四镜4的外周面紧贴次镜2内孔孔壁;三镜3的轴向中心亦开设内孔,补偿透镜位于三镜内孔中,与三镜内孔孔壁之间具有间隙。***光阑位于次镜2,且***中不存在中间像面。光线在传播方向上依次经过主镜1、次镜2、三镜3、四镜4和补偿透镜5,之后达到焦平面6。
上述紧凑型大视场小F#折反射光学***中,主镜1、次镜2、三镜3与四镜4四个反射镜均为最高次数为四次的偶次非球面镜,补偿透镜5的表面均为球面;主镜1的曲率半径为-76.80mm,主镜1与次镜2的间距为38.70mm,主镜1的conic系数为-1.00,主镜1的二次项系数为3.8340e-3,次镜2的四次项系数为1.9887e-8;次镜2的曲率半径为-35.05mm,次镜2与三镜3的间距为38.70mm,次镜2的conic系数为-1.16,次镜2的二次项系数为0.0106,次镜2的四次项系数为-2.3981e-7;三镜3的曲率半径为-17.52mm,三镜3与四镜4的间距为38.70mm,三镜3的conic系数为-1.02,三镜3的二次项系数为0.0262,三镜3的四次项系数为-4.9931e-7;四镜4的曲率半径为-13.68mm,四镜4与补偿透镜5的间距为40.58mm,四镜4的conic系数为-0.97,四镜4的二次项系数为0.03468,四镜4的四次项系数为7.9750e-7;补偿透镜的材料为融石英,将光束先到达的表面定义为补偿透镜的前表面,补偿透镜前表面曲率半径为33.26mm,后表面的曲率半径为29.60mm,补偿透镜中心厚度为2.00mm。
本实施例所提供的光学***的***焦距为192mm,成像视场为5°,工作波段为400-900nm,***有效F#为1.70(扣除中心遮拦),全视场无渐晕。如图3和图5所示,在400-900nm波段范围内全视场范围内MTF均接近衍射极限,相对畸变小于0.2%。
Claims (6)
1.一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:沿光线传播方向依次包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)和补偿透镜(5);还包括设置在次镜上的光阑;
所述主镜(1)、次镜(2)与三镜(3)的轴向中心均开设内孔,所述三镜(3)嵌入主镜(1)的内孔中,三镜(3)的外周面紧贴主镜(1)内孔孔壁;所述四镜(4)嵌入次镜(2)的内孔中,四镜(4)的外周面紧贴次镜(2)内孔孔壁;所述补偿透镜(5)位于三镜(3)内孔中,与三镜(3)内孔孔壁之间具有间隙;光线在传播方向上依次经过主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)的反射后透过补偿透镜(5),到达焦平面成像;
所述主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)与四镜(4)均为最高次数为四次的偶次非球面镜,所述补偿透镜(5)的表面为球面;
所述主镜(1)与次镜(2)、次镜(2)与三镜(3)、三镜(3)与四镜(4)之间的中心间距均相等。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:所述主镜(1)的曲率半径为-76.80mm,所述主镜(1)与次镜(2)的中心间距为38.70mm,所述主镜(1)的conic系数为-1.00,所述主镜(1)的二次项系数为3.8340e-3,所述次镜(2)的四次项系数为1.9887e-8。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:所述次镜(2)的曲率半径为-35.05mm,所述次镜(2)与三镜(3)的中心间距为38.70mm,所述次镜(2)的conic系数为-1.16,所述次镜(2)的二次项系数为0.0106,所述次镜(2)的四次项系数为-2.3981e-7。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:所述三镜(3)的曲率半径为-17.52mm,所述三镜(3)与四镜(4)的间距为38.70mm,所述三镜(3)的conic系数为-1.02,所述三镜(3)的二次项系数为0.0262,所述三镜(3)的四次项系数为-4.9931e-7。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:所述四镜(4)的曲率半径为-13.68mm,所述四镜(4)与补偿透镜(5)的间距为40.58mm,所述四镜(4)的conic系数为-0.97,所述四镜(4)的二次项系数为0.03468,所述四镜(4)的四次项系数为7.9750e-7。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型大视场小F#折反射光学***,其特征在于:所属补偿透镜(5)的材料为融石英,前表面曲率半径为33.26mm,后表面的曲率半径为29.60mm,中心厚度为2.00mm。
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