一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统的制作方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统。


背景技术：

2.为了提高光学系统的分辨率，需要增大系统的通光孔径。随着人类探索的深入，大口径光学系统的需求越来越迫切，因此大口径光学系统的研究将会是未来的一个重要方向。
3.而对于超大口径的设计，受到诸如镜面材料、加工工艺、航天器运载能力、发射体积等因素的限制，单口径为主体的传统光学望远镜的设计理念已经难以支撑空间望远镜口径增大的需要。因此，通过小尺寸子镜拼接得到大口径反射主镜的形式成为首选。
4.大口径光学系统的设计一般选择反射式或折反式，但是选择反射式结构，系统的视场较小，一般在秒级，因此折反式结构则成为大口径高分辨率大视场系统的一种选择。1978年美国在亚里桑那建造的mmt(multiple mirror telescope)是最早的稀疏孔径成像系统。它由六块直径为1.8m的子望远镜组成,等效孔径相当于直径4.45m的望远镜。系统内有计算机控制的调整系统和图像的激光稳定系统,视场为3秒。但是该系统只有很小的一部分视场能够被定相,同时需要一个有经验的操作人员进行人工调整。the multi aperture imaging array系统由9个口径10cm的子望远镜排成“y”字形。每个子望远镜为10倍放大率,系统等效孔径0.65m,视场15microradians。该系统的特色是采用了phase diversity波前传感方法在白光照明情况下利用扩展目标进行闭环定相控制。star9系统也是由9个子望远镜组成。每个子望远镜口径为12.5cm,系统等效口径0.61m,视场角1μrad。另一个用于天文观测的地基光学稀疏孔径成像系统是lbt(the large binocular telescope)。它由亚里桑那大学和一些国际研究机构合作共同建造。lbt由两个8.4m的主镜组成,它们被固定在共同的基座上。系统最长基线达到22.8m。当工作波长在550nm时,系统角分辨率达到6.1mas。但以上光学系统的在视场上依然存在不足，不能满足高视场要求。
5.因此，有必要研究一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统，能够提高大口径反射式光学系统的视场大小，获得较大视场的高分辨率成像。
7.一方面，本发明提供一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统，其特征在于，所述光学系统沿着光线传播方向依次设置第一拼接反射主镜、第二反射镜、第一折射镜和第二折射镜；
8.所述第一拼接反射主镜和所述第二反射镜相对而设，所述第一折射镜和所述第二折射镜均设于所述第一拼接反射主镜的外侧；
9.所述光学系统采用矩形视场。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜由若干子镜拼接而成；每个子镜相互独立，所有子镜对称分布。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜的中间设有过孔，由所述第二反射镜反射后的光线通过所述过孔后照射在所述第一折射镜上。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜的光学特性为：
‑
0.15f
′
＜f1′
＜
‑
0.1f
′
，
‑
0.3f
′
＜r1＜
‑
0.2f
′
；所述第二反射镜的光学特性为：0.05f
′
＜f2′
＜0.1f
′
，0.1f
′
＜r2＜0.2f
′
；所述第一折射镜的光学特性为：0.1f
′
＜f3′
＜0.25f
′
，0.03f
′
＜r
31
＜0.05f
′
，0.04f
′
＜r
32
＜0.06f
′
；所述第二折射镜的光学特性为：
‑
0.15f
′
＜f4′
＜
‑
0.04f
′
，
‑
0.15f
′
＜r
41
＜
‑
0.04f
′
，0.045f
′
＜r
41
＜0.006f
′
；
13.其中，f
′
为系统焦距；f1′
、f2′
、f3′
、f4′
依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第一折射镜、第二折射镜的焦距；r1、r2、r
31
、r
32
、r
41
、r
42
依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第一折射镜第一面、第一折射镜第二面、第二折射镜第一面、第二折射镜第二面的曲率半径。
14.一般认为一个光学系统产生的波前在二十分之一个波长以下可以进行完善成像，而现在的大口径光学系统的成像波段一般是红外波段，不能进行可见光波段成像，包括著名的詹姆斯韦伯望远镜(jwst)，如图6和图7所示，在可见光波段形成的波像差大小为五分之一个波长左右，只能成像在短波红外到中波红外波段，因此对于大口径光学系统在可见光波段进行成像，需要对系统的结构参数进行重新优化，包括每个反射镜的曲率半径，二次项系数和镜子之间的距离等，得到一个全新结构参数的光学系统，形成的波像差大小小于二十分之一个波长。正如本技术上述光学特性，使得本技术的光学系统能够实现可见光和红外光的光学成像。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜的填充因子小于1，有效口径小于3m。
16.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜由18块六边形子镜拼接而成。
17.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述光学系统的视场大小为0.8
°×
0.8
°
。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述光学系统的焦距为30
‑
40m，，口径为2.8
‑
3.5m；探测器像元尺寸为5
‑
10μm。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述光学系统的成像谱段为0.5
‑
0.9μm。
20.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据系统成像的波前图、传递函数和标准位置时的波前图、传递函数的比对，得到在整个系统存在无法校正的像差的条件下，所述第一拼接反射主镜的子镜位置与波前变化的关系。该过程可由主控单元实现，所述主控单元为光学系统的一部分。
21.系统采用推扫的成像模式，视场选择为矩形视场。
22.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：能
够实现在可见光波段和近红外光波段的高分辨成像；
23.上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：采用两个折射镜对系统的像差进行校正并对系统的视场大小进行提高。
24.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
26.图1是本发明一个实施例提供的基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统结构示意图；
27.图2是本发明一个实施例提供的拼接主镜结构示意图；
28.图3是本发明一个实施例提供的拼接主镜系统的点列图；
29.图4是本发明一个实施例提供的拼接主镜系统的波前图；
30.图5是本发明一个实施例提供的拼接主镜系统的传递函数曲线图；
31.图6是jwst光学系统在可见光波段的波前图；
32.图7是jwst光学系统在可见光波段的波前图的传递函数曲线图。
33.其中，图中：
34.1、第一反射镜；2、第二反射镜；3、第一折射镜；4、第二折射镜。
具体实施方式
35.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
36.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
38.为了提高系统的视场，需要选择一种新的模式来设计光学系统。本发明所设计的大口径基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统的视场大小达到0.8
°×
0.8
°
，视场的提高是未来大口径高分辨率光学系统实现高分辨成像的同时进行大范围成像的一个重要方面。
39.一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统，沿着光线传播方向依次包括第一反射镜(即拼接主镜)、第二反射镜、第一折射镜、第二折射镜；光阑位于第一反射镜上，采用矩形视场；两个折射镜对系统的像差进行校正并对系统的视场大小进行提高。
40.上述第一反射镜的光学特性为：
‑
0.15f
′
＜f1′
＜
‑
0.1f
′
，
‑
0.3f
′
＜r1＜
‑
0.2f
′
；上述第二反射镜的光学特性为：0.05f
′
＜f2′
＜0.1f
′
，0.1f
′
＜r2＜0.2f
′
；上述第一折射镜的光学特性为：0.1f
′
＜f3′
＜0.25f
′
，0.03f
′
＜r
31
＜0.05f
′
，0.04f
′
＜r
32
＜0.06f
′
；上述第二折射镜的光学特性为
‑
0.15f
′
＜f4′
＜
‑
0.04f
′
，
‑
0.15f
′
＜r
41
＜
‑
0.04f
′
，0.045f
′
＜r
41
＜
0.006f
′
；其中f
′
为系统焦距，f1′
、f2′
、f3′
、f4′
依次为系统第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜、第二折射镜的焦距；r1、r2、r
31
、r
32
、r
41
、r
42
依次为系统第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜第一面、第一折射镜第二面、第二折射镜第一面、第二折射镜第二面所对应的6个曲率半径。
41.大口径的光学设计一般是通过单块主镜进行设计，但不能分析由于子镜位置偏离理想位置而对系统成像质量的影响。系统主镜采用分块设计，通过较小尺寸子镜拼接得到大尺寸主镜，每个子镜相互独立，对系统成像产生的影响可以叠加，因此根据一个光学系统如果正常成像，其产生的波像差的大小要小于二十分之一个波长的理论，可以分解得到每个子镜在考虑到系统固有的无法校正的各种像差产生的波像差的基础上，其由于位置误差而引起的波像差大小，从而获得每个子镜的位置公差容限。子镜的位置为对称分布，每个子镜的位置误差容限相同。
42.第一反射镜由18块小尺寸子镜拼接而成，每个子镜的位置相互之间独立，在整个系统无法校正像差的条件下，，通过调整子镜的位置，可以通过软件分析系统的波前图、传递函数相对于理想位置时的波前图和传递函数进行对比，从而计算得到由于子镜移动而引起的波前变化多少，对系统成像质量进行分析。通过子镜拼接后得到的拼接主镜的填充因子小于1，有效尺寸小于3m。
43.整个系统由反射镜和折射镜组成，折射镜的增加可以增加系统优化变量的自由度，包括折射镜的半径，厚度及材料系数等，自由度的增加可以更好的对系统的像差进行校正并将系统的视场进行提高。
44.光学系统焦距为30
‑
40m，视场大小为0.8
°×
0.8
°
，探测器(探测器就是焦面上的cmos元件，相当于屏幕)像元尺寸大小为5
‑
10μm，系统的口径为2.8
‑
3.5m；成像谱段覆盖0.5
‑
0.9μm，覆盖了可见光到近红外波段，实现宽光谱的探测。
45.实施例1：
46.如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，系统主镜由18块小尺寸子镜拼接而成，每个子镜的位置相互之间独立结合整个系统所自带像差对系统成像质量影响的分析。
47.本实施例所提供的光学系统焦距为32m，视场大小为0.8
°×
0.8
°
，探测器像远尺寸大小为7μm，系统的口径为3m。如图3和图4所示，系统产生的rms值大小为0.0067λ，满足系统完善成像的最低标准0.05λ；产生的像点大小为2μm左右，尺寸较小；在可见光到近红外的波段内，全视场范围内mtf均接近衍射极限，形成的波前大小小于单块主镜的波前大小，主要是由于通过子镜拼接后得到的拼接主镜的填充因子小于1所致。
48.光学系统由两部分组成，入射光线先通过第一反射镜和第二反射镜进行反射，入射到后置的折射镜上，系统的像差通过第一折射镜和第二折射镜进行再次校正，同时视场大小得以提高，通过对系统成像质量分析可以得到整个系统在半视场大小条件下的波前图，mtf曲线(如图5所示)，点列图等，成像质量接近衍射极限。
49.以上对本技术实施例所提供的一种基于折反式拼接主镜的高分辨率光学系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
50.如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员
应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
51.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
52.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
53.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求书的保护范围内。