CN213302653U - 一种折反式Golay3稀疏孔径光学*** - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学仪器领域，为解决现有同轴稀疏孔径光学***视场角小，填充因子小的技术问题，提出一种折反式Golay3稀疏孔径光学***，该光学***包括：采用面形为双曲面的Golay3阵列主反射镜、面形为双曲面的次反射镜、面形为球面的矫正透镜组，该稀疏孔径光学***的全视场角为1°×1°，F数为5，入瞳直径为300 mm，结构紧凑，适用波段为可见光，其主反射镜采用填充因子为40.3%的Golay3阵列结构，次反射镜口径小于子镜口径，矫正透镜组为采用采用H‑ZK11玻璃（成都光明）的正负正结构，三个透镜均为弯月透镜。本实用新型适用于对遥远的暗弱物体成像。

Description

一种折反式Golay3稀疏孔径光学***

技术领域

本实用新型属于光学仪器领域，涉及一种折反式光学***。

背景技术

本实用新型目的在于提供一种折反式Golay3稀疏孔径光学成像***，稀疏孔径成像***是由多个子孔径按一定规律排列组合在一起，用来代替一个大孔径区域，由于各个子孔径的口径比整个大口径要小得多，因此稀疏孔径不仅能克服由于光学***口径太大所带来的一系列困难，而且能获得和大孔径光学***相当的空间分辨率。比如天文爱好者使用的民用天文望远镜，市面上的天文望远镜一般以200mm口径为界，口径大于200mm的天文望远镜的价格是口径小于200mm的天文望远镜的百倍。采用稀疏孔径代替全口径，从而以十几倍甚至几倍的成本实现百倍的经济效益，充分表明稀疏孔径的研究意义重大。稀疏孔径成像***在实际应用时多为两反式望远镜结构(由主反射镜和次反射镜构成)，主反射镜由各个小的子镜组合构成。在稀疏孔径的具体结构选择方面，Golay3稀疏孔径由于其结构简单因而使用最为广泛。

通常稀疏孔径望远镜的主反射镜为球面形，即主反射镜的圆锥系数为0，这样各个子镜和主反射镜的曲率半径相同，这样易于子镜的批量生产，同时也使得各个子镜的测试和装调更加方便。但是球面的面形也会给整个***带来比较严重的球差，因此次反射镜必须通过增加它的形变才能抵消主反射镜引入的球差，与此同时，整个***还受制于轴外像差如慧差、像散，这些轴外像差严重限制了整个***的视场。文献“光学非球面的设计、加工与检验” ([M]潘君骅，苏州大学出版，2004)指出即使主次反射镜均采用二次曲面，对于两反式望远镜***而言，也不能消除全部初级像差，为了提高***的像质并增大视场，一般采用两种方法。一、采用更为复杂的面形，如Zernike面。二、添加矫正镜。

文献“子孔径拼接成像***结构设计及装调方法的研究”([D]高天元，2009，博士毕业论文)公开了一种稀疏孔径光学成像***实物装置，该稀疏孔径光学成像***的主反射镜为球面反射镜，次反射镜为扁椭球反射镜，加入四块矫正镜后，视场角仅为±0.063°。文献“Golay3望远镜***的设计”([J]光学精密工程，2011,19(12):2877-2883)公开了一种Golay3 稀疏孔径望远镜的设计方法，该方法从近轴光学和三级像差理论出发设计了一套全孔径两反式的望远镜，然后直接利用Golay3稀疏孔径替代主反射镜，其中子镜参数的选择并未考虑实际CCD的像元尺寸和探测能力；另外该稀疏孔径望远镜的视场角较小，加入球面校正镜后视场为±0.15°，填充因子最大为22.2％。文献“三子镜稀疏孔径两反望远***的研究”([D]胡孟孟，2015，硕士毕业论文)也公开了一种Golay3稀疏孔径望远镜的设计，该望远镜的主次反射镜面形均为双曲面，加入球面校正镜后视场为±0.5°，但该望远镜并未考虑次反射镜对主反射镜的遮拦，并且引入透镜矫正镜却没有考虑色差，两块校正镜采用的都是非常规玻璃，价格昂贵。

实用新型内容

为解决现有技术中的同轴稀疏孔径光学***的视场角小、填充因子小的问题，提出一种折反式Golay3稀疏孔径光学***。

该折反式Golay3稀疏孔径光学***，工作波段为可见光，光学***包括面形为双曲面的主反射镜、面形为双曲面的次反射镜、矫正透镜组；遥远处的近似平行光线依次经过主反射镜，次反射镜，矫正透镜组，聚焦于像平面；所述的面形为双曲面的主反射镜由Golay3阵列组成、次反射镜口径小于子镜口径，所述的矫正透镜组沿着光轴正方向依次包括正、负、正的第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜。

优选的：主反射镜采用填充因子为40.4％的Golay3阵列结构。由于填充因子增大，调制传递函数(MTF)在很大的空间频率范围内数值很大(MTF在奈奎斯特频率(50lp/mm)处在0.4以上)，相比于小填充因子，可以实现在更高的空间频率范围内直接成像。

优选的：折反式Golay3稀疏孔径光学***的长度和主反射镜的口径相当。整个光学***结构紧凑，体积小。如果应用于天基***，可以降低运输成本。

优选的：该光学***的全视场角为1°×1°，F数为5，入瞳直径为300mm，适用波段为可见光(F，d，C)。视场角相比于现有的同轴稀疏孔径光学***，有了明显提高，可以看到更广的空间范围。F数相比于现有的同轴稀疏孔径光学***，有了明显减低，可以对暗弱物体成像。

优选的：该光学***的次反射镜口径小于子镜口径。稀疏孔径的目的就是为了采用小的子镜代替大的主镜，从而减低成本。如果次反射镜的口径大，就不能有效减低***的制造成本。

优选的：矫正透镜组为采用H-ZK11玻璃(成都光明)的正负正结构，三个透镜均为弯月透镜。玻璃H-ZK11为成都光明公司的推荐牌号：综合性能优，长年有在库的牌号，相对成本为1，矫正透镜组的价格低廉。采用与三片式摄影镜头类似的正负正结构，有利于增大***的视场。

有益效果

本实用新型具有大视场、大相对孔径、大填充因子的特点，适用于在可见光范围内对遥远的暗弱物体成像。并且整个***结构紧凑，***总长仅为308mm。采用同种材料的矫正透镜组结构，有效平衡了整个***的像差，具有良好的成像质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1为本实用新型折反式Golay3稀疏孔径光学***结构示意图；

图2为本实用新型折反式Golay3稀疏孔径光学***的主反射镜结构图；

图3为本实用新型折反式Golay3稀疏孔径光学***的矫正透镜组结构示意图；

图4为本实用新型折反式Golay3稀疏孔径光学***的场曲、畸变示意图；

图5为本实用新型折反式Golay3稀疏孔径光学***的调制传递函数图。

附图标记

1-主反射镜，2-次反射镜，3-矫正透镜组，4-像平面，5-第一弯月透镜，6-第二弯月透镜， 7-第三弯月透镜。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

一种折反式Golay3稀疏孔径光学成像***，如图1所示，工作波段为可见光，光学***包括面形为双曲面的主反射镜1、面形为双曲面的次反射镜2、矫正透镜组3；光线依次经过主反射镜，次反射镜，矫正透镜组，聚焦于像平面4；所述的面形为双曲面的主反射镜由Golay3 阵列组成、次反射镜口径小于子镜口径，***长度和口径相当；所述的矫正透镜组沿着光轴正方向依次包括正、负、正的第一弯月透镜5、第二弯月透镜6、第三弯月透镜7。

一种折反式Golay3稀疏孔径光学成像***，该光学***由主反射镜、次反射镜、矫正透镜镜组组成。主反射镜为凹的双曲面，次反射镜为凸的双曲面，矫正透镜组为采用H-ZK11 玻璃(成都光明)的正负正结构，三个透镜均为弯月透镜。由于每一个子镜的面形均无非旋转对称性，该光学***属于自由曲面光学***的范畴。光线首先入射至采用Golay3稀疏孔径阵列的主反射镜，主反射镜将光线反射至次反射镜，次反射镜将光线反射依次通过三个矫正透镜，并最终汇聚于像面。该光学***的全视场角为1°×1°，F数为5，入瞳直径为300mm，适用波段为可见光(F，d，C)，***总长为308mm(结构紧凑，***体积小。)，图像探测器像元尺寸为10μm。

具体设计方法如下：采用卡塞格林***为初始结构，根据近轴成像公式(高斯成像公式) 计算出主次反射镜的曲率半径和主次反射镜之间的距离，次反射镜和像面的距离。将该初始结构代入到商业光学设计软件Zemax中，并根据主次反射镜遮拦利用Golay3稀疏孔径阵列代替主反射镜，利用主次反射镜的圆锥系数消除球差和彗差，并在像面附近加入光焦度为0 的矫正透镜组。为了保证***的色差足够小，采用同种材料的三分离透镜消色差。最后利用评价函数保证***结构的同时，以点列图半径为优化目标，将所有的曲率半径、厚度和主次反射镜的圆锥系数设为变量，消除***的剩余像差。沿着光轴方向以面向物方一侧为前，以像方一侧为后，第一弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面；第二弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面；第三弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面，最终得到***的详细参数如表1所示。

表1

光学***的参数还可以根据需要在所述表1基础上按比例整体缩放。

如图2所示为主反射镜的阵列分布，包围圆直径(入瞳直径)为300mm，三个子镜呈Golay3阵列分布，每一个子镜的直径均为110mm。填充因子为40.3％，实际通光口径为190.5mm。

如图3所示为矫正透镜组结构，整体呈正负正分布，三个透镜均为采用成都光明的H-ZK11玻璃的弯月透镜，该矫正镜透镜组在降低***初级单色像差的同时，在可见光范围内，色差很小。玻璃H-ZK11为成都光明公司的推荐牌号：综合性能优，长年有在库的牌号，相对成本为1。

如图4所示整个光学***的场曲和畸变，最大弧矢场曲为0.0567mm，最大子午场曲为 0.0446mm，最大畸变为0.0632％。场曲和畸变都很小，可以忽略不计，图像几乎无形变。

如图5所示为整个光学***的调制传递函数(MTF)，可以看出各个视场的MTF均接近衍射极限，在截止频率范围内无零点，并且在奈奎斯特频率(50lp/mm)处MTF值均大于0.4，成像质量优。定义等效口径为

其中D_max为子午方向截止频率对应的圆形孔径口径，D_min为弧矢方向截止频率对应的圆形孔径口径，可以计算出该***的等效口径为234mm。本实用新型以190.5mm的通过口径获得等效口径为234mm的望远***，在减小***质量上有明显效益。

上述只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种折反式Golay3稀疏孔径光学***，工作波段为可见光，其特征在于：包括面形为双曲面的主反射镜、面形为双曲面的次反射镜、矫正透镜组；光线依次经过主反射镜，次反射镜，矫正透镜组，聚焦于像平面；所述的面形为双曲面的主反射镜由Golay3阵列组成、次反射镜口径小于子镜口径；所述的矫正透镜组沿着光轴正方向依次包括正、负、正的第一弯月透镜、第二弯月透镜、第三弯月透镜。

2.根据权利要求1所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：光学***的全视场角为1°×1°。

3.根据权利要求1所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：光学***的F数为5。

4.根据权利要求1所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：光学***的入瞳直径为300mm。

5.根据权利要求1所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：主反射镜采用填充因子为40.3％的Golay3阵列结构。

6.根据权利要求1所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：沿着光轴方向以面向物方一侧为前，以像方一侧为后，第一弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面；第二弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面；第三弯月透镜的物方一侧为前表面，像方一侧为后表面；其特征在于：光学***的参数见表1，

表1

7.根据权利要求6所述的折反式Golay3稀疏孔径光学***，其特征在于：光学***的参数为在所述表1基础上按比例整体缩放。

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