[發明專利]一種20°視場無中心遮攔的共軸四反射鏡光學系統

有效

• 申請號: 201210544237.7
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN103018890A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 劉偉奇;劉軍;呂博;康玉思;柳華
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06;G02B5/10
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 劉樹清

技術領域

本發明屬于空間光學技術領域中涉及的一種20°視場無中心遮攔的共軸四反射鏡光學系統。

背景技術

現有的三反射鏡光學系統已經在空間光學中得到廣泛的應用，分為共軸三反射鏡光學系統和離軸三反射鏡光學系統。三反射鏡光學系統不易將視場做大，視場角通常小于5°，10°以上視場可稱為大視場。在大視場下，共軸三反射鏡光學系統由于存在較大的中心遮攔，使得進入光學系統的能量減少，從而影響光學系統的成像質量；離軸三反射鏡光學系統通過離軸避免了中心遮攔，增加了設計自由度，但是，每一鏡片偏擺和旋轉自由度都需要矯正調節，光學基準與安裝基準很難高精度重合，給加工、裝調、檢測帶來很大困難；同時，由于三反射鏡光學系統的設計自由度較少，一般畸變過大系統成像變形嚴重，影響了其應用范圍。共軸四反射鏡光學系統擁有足夠的自由度來校正像差，并且同軸結構裝調相對簡單，因此，共軸四反射鏡光學系統在空間光學的應用中具有很大的應用潛力。

與本發明最為接近的已有技術是中國科學院西安光學精密機械研究所申請的一項發明專利，申請號為200810018151.4，發明名稱為共軸四反光學系統。該光學系統如圖1所示，包括虛擬物面1、主鏡2、次鏡3、三鏡4、四鏡5和探測器像面6。次鏡3設置在主鏡2的反射光路上，三鏡4設置在次鏡3的反射光路上，四鏡5設置在三鏡4的反射光路上。成像光束經過虛擬物面1后，被主鏡2反射到次鏡3、再經過三鏡4和四鏡5的兩次反射后成像在探測器像面6上。該成像系統達到11.6°，畸變全視場控制在0.2%，但是還不能滿足某些特殊應用對大視場的要求。

發明和內容

為了克服已有技術存在的缺陷，本發明的目的在于：在保證平像場、光學傳遞函數在50lp/mm處達到0.6和四片反射鏡同軸的前提下，盡可能的擴大四反射鏡光學系統的視場，以獲取更多的信息資源。特設計一種20°視場、無中心遮攔、像差特性優良的共軸四反射鏡光學系統。

本發明要解決的技術問題是：提供一種20°視場無中心遮攔的共軸四反射鏡光學系統。解決技術問題的技術方案：如圖2所示，包括主鏡7、次鏡8、光闌9、三鏡10、四鏡11、探測器像面12。次鏡8放置在主鏡7的反射光路上，三鏡10放置在次鏡8的反射光路上，將光闌9置于次鏡8的鏡框上，兩者固連，四鏡11放置在三鏡10的反射光路上，探測器像面12放置在四反射鏡光學系統的焦面上。主鏡7、次鏡8、三鏡10和四鏡11的光路連接中各鏡之間的距離分別為：d1、d2、d3、d4；主鏡7、次鏡8、三鏡10和四鏡11，四個鏡面的頂點曲率半徑分別為：?R1、R2、?R3、R4、；主鏡7和次鏡8為雙曲面，主鏡7、次鏡8的二次曲面系數為k1、k2；三鏡10和四鏡11為包含二階與六階項的高次非球面，三鏡10二次曲面系數為k3，二階非球面系數為A3，六階非球面系數為C3；四鏡(11)的二次曲面系數為k4，二階非球面系數為A4，六階非球面系數為C4；其中，d1=-418.645mm，d2=420.000mm，d3=-419.000mm，d4=470.000mm；R1=-2263.496mm，R2=-1053.517mm，R3=-1060.361mm，R4=-802.615mm；k1=-5.407，k2=-3.661；k3=-0.578，A3=4.692E-5，C3=1.935E-16；k4=-0.943，?A4=4.544E-4，C4=6.072E-16。這樣就能實現20°視場無中心遮攔的共軸四反射光學系統。

本發明的工作原理：本光學系統為了使20°視場范圍內的目標能清晰成像在探測器像面12上，采用了偏視場設計，成像光束在子午方向偏離光軸8°角進入光學系統，經過主鏡7、次鏡8、三鏡10、四鏡11四片反射面的反射，最終成像在探測器像面12上。為了實現偏視場無中心遮攔的設計，將光闌9設置在次鏡8的鏡框上；為獲取優良的像差特性，利用非球面來校正像差，使得成像系統的成像質量接近衍射極限。在O-xyz右手坐標系中，球面和非球面的數學描述如下：