共轴四反长焦光学系统、望远物镜光机和光学器件的制作方法

1.本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种共轴四反长焦光学系统、望远物镜光机和光学器件。


背景技术：

2.反射式远物镜是一类广泛使用的光学镜头，在天文、军工国防、航天光学遥感领域有着众多的应用场景。牛顿于1618年研制的球面牛顿反射式望远镜是反射式望远物镜的开端。近几十年来光电成像器件的使用，对望远物镜的光学性能提出了更高的要求。使用二次曲面的同轴两反系统是比较常用的长焦反射光学系统。通过增加反射镜和非球面项，可以扩大有效视场、提高成像质量，
3.为了提高系统成像质量、扩大视场、抑制杂散光，常会选择使用二次曲面非球面反射镜和两反光学结构。更先进的望远物镜设计还有离轴三反消像散光学系统，乃至四反光学系统。它们能够提供更大的成像视场和更优的光学性能，主要用于指标要求高的航空航天光学遥感应用领域。
4.长焦光学系统主流的方案为同轴两反光学系统和离轴三反消像散光学系统。同轴两反系统使用更普遍，其反射镜数更少，系统透过率高，同轴结构简单可靠易于制造，反射镜加工损耗小，光学加工难度低。离轴三反消像散光学系统应用大视场、大相对孔径的高性能光学成像系统，离轴光学系统无遮拦，三个非球面提供了更多的像差校正变量。同轴四反光学系统也是大视场系统的不错选择，系统变量多，设计自由度高。
5.现有的技术存在以下技术缺陷：同轴两反系统其光路折叠次数少，系统焦长比受限，镜筒长度长，光学后截距短、需要外遮光罩抑制杂光；离轴三反消像散系统，轴向尺寸可进一步减小，但横向尺寸较大，反射镜加工检测困难，装调过程复杂，杂光抑制设计困难；同轴三反系统物像位于主镜同侧，需加折叠镜引出像面，易造成二次遮拦；同轴四反系统的非球面元件过多，装调流程长。


技术实现要素：

6.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中系统焦长比受限，镜筒长度长，装调过程复杂，杂光抑制设计困难等技术缺陷。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种共轴四反长焦光学系统，包括：
8.同轴布局的主镜、次镜、三镜和四镜；
9.所述主镜相对于所述三镜对称设置，所述次镜和所述四镜位于所述主镜的同侧，所述四镜位于所述次镜和所述三镜之间；所述主镜和三镜为高次非球面反射镜，所述次镜和所述四镜为球面反射镜；
10.所述三镜的中心开设有第一中心孔，所述四镜的中心开设有第二中心孔；
11.光线依次经主镜和次镜反射，获得第一反射光，所述第一反射光经所述第二中心孔后入射至三镜上，光线经所述三镜反射获得第二反射光，第二反射光经四镜反射后穿过
所述第一中心孔后汇聚成像至焦平面。
12.作为优选的，所述主镜与所述三镜一体成型。
13.作为优选的，所述四镜的像空间设置有第一平面折叠镜和第二平面折叠镜，所述第一中心孔射出的光线依次经第一平面折叠镜和第二平面折叠镜反射并汇聚成像至焦平面。
14.作为优选的，所述光学系统的孔径光阑设置在主镜上。
15.作为优选的，所述主镜的顶点曲率半径的范围为
‑
146.47mm到
‑
161.89mm；所述次镜的顶点曲率半径的范围为
‑
1099.82mm到
‑
1215.59mm；所述三镜的顶点曲率半径的范围为
‑
39.77mm到
‑
43.96mm；所述四镜的顶点曲率半径的范围为
‑
31.89mm到
‑
35.25mm。
16.作为优选的，所述主镜和三镜为凹面镜。
17.本发明公开了一种望远物镜光机，包括上述的共轴四反长焦光学系统。
18.作为优选的，还包括四辐支撑件，所述次镜和四镜设置在所述四辐支撑件上。
19.作为优选的，所述主镜与所述三镜共基底加工。
20.本发明公开了一种光学器件，包括上述的望远物镜光机。
21.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
22.1、本发明提出的一种含两个球面的共轴四反长焦光学系统，主镜、次镜、三镜和四镜同轴布局，增加了光路折叠次数，压缩了镜片间隔，控制住了光学系统轴向总长。
23.2、次镜和四镜均为球面，减少了元件加工检测成本，降低装调中的元件对准和定位要求；光学系统设计有中间像面，在中间像面处设置实体视场光阑可有效抑制系统杂散光。
24.3、该光学系统具有结构紧凑、加工方便、简化装调、后工作距长、像质高、低畸变、低杂光的优点。
附图说明
25.图1为本发明含两个球面的共轴四反长焦光学系统的结构示意图；
26.图2为光学系统光线包络；
27.图3为系统光学传递函数曲线图；
28.图4为系统场曲和畸变图；
29.图5为光机的结构示意图一，其中，四辐支撑件、四镜和次镜做局部剖视；
30.图6为光机的结构示意图二，其中，第一平面折叠镜和第二平面折叠镜做局部剖视；
31.图7为光机的成像光路剖面图。
32.说明书附图标记说明：1、主镜；2、次镜；3、三镜；4、四镜；5、焦平面；6、主三一体镜；7、四辐支撑件；8、第一安装座；9、第一平面折叠镜；10、第二安装座；11、第二平面折叠镜。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
34.参照图1
‑
图4所示，本发明公开了一种共轴四反长焦光学系统，光学系统为凹
‑
凸
‑
凹
‑
凸结构，包括同轴布局的主镜1、次镜2、三镜3和四镜4。主镜1相对于三镜3对称设置，次镜2和四镜4位于主镜1的同侧，四镜4位于次镜2和三镜3之间。主镜1和三镜3为高次非球面反射镜，次镜2和四镜4为球面反射镜。三镜3的中心开设有第一中心孔，四镜4的中心开设有第二中心孔。
35.光线依次经主镜1和次镜2反射，获得第一反射光，第一反射光经第二中心孔后入射至三镜3上，光线经三镜3反射获得第二反射光，第二反射光经四镜4反射后穿过第一中心孔后汇聚成像至焦平面5。
36.如图2所示，为光学系统的光线包络图。主镜1与三镜3同为凹面，光学设计中主镜1内边缘与三镜3外边缘轴向位置靠近且无径向重叠，光机设计中将主镜1与三镜3组合为一个光学元件进行加工，加工含有主镜1、三镜3的光学元件为主三一体镜6。
37.本发明的工作原理是：本发明中，共轴四反长焦距光学系统采用同轴四反布局，通过折叠光路压缩光学系统轴向长度；通过主镜1与三镜3一体化设计，避免了主三一体镜6对准装调过程，降低了装调难度；通过次镜2与四镜4球面面形设计，减少了光学元件加工难度本，降低了装调中的元件对准和定位要求；通过主镜1与三镜3面形和高次项的优化设计，有效校正像散、场曲，控制了畸变；光学系统基于二次成像原理设计，提高了杂散光抑制能力，提高了光学系统成像对比度。
38.本发明中，主镜1与三镜3一体成型，具体的，主镜1与三镜3共基底加工。如此，结构紧凑，方便安装。
39.四镜4的像空间设置有第一平面折叠镜9和第二平面折叠镜11，第一中心孔射出的光线依次经第一平面折叠镜9和第二平面折叠镜11反射并汇聚成像至焦平面5。第一平面折叠镜9和第二平面折叠镜11，有利于将光路包络进一步折叠压缩，从而缩小整个光学系统的体积。
40.光学系统的孔径光阑设置在主镜1上。
41.本发明中，主镜1的顶点曲率半径的范围为
‑
146.47mm到
‑
161.89mm；次镜2的顶点曲率半径的范围为
‑
1099.82mm到
‑
1215.59mm；三镜3的顶点曲率半径的范围为
‑
39.77mm到
‑
43.96mm；四镜4的顶点曲率半径的范围为
‑
31.89mm到
‑
35.25mm。
42.表1为一具体实施例的光学系统元件设计参数。
43.表1
[0044][0045]
表2为光学系统参数。
[0046]
表2
[0047]
参数项数值波段范围450nm
‑
700nm焦距1000mm口径100
mm
f数10对角线视场1.40
°
光学透过率80.75％光学系统畸变≤0.35％线遮拦系数0.45最大三维尺寸100mm
×
100mm
×
155mm
[0048]
从表2可以看出，光学系统有效口径100mm，焦距为1000mm，f数为10，全视场角1.4
°
，光学系统长度152.36mm。
[0049]
图3是光学传递函数曲线图，从图中可见本实施例光学系统全部视场、全部波长在100l p/mm处的光学传递函数优于0.242。
[0050]
系统场曲和畸变图如图4所示，可见本实施例光学系统最大畸变小于0.35％。
[0051]
参照图5
‑
图7，本发明公开了一种望远物镜光机，包括上述的共轴四反长焦光学系统。
[0052]
本发明还包括四辐支撑件7，次镜2和四镜4设置在四辐支撑件7上。该光机还包括第一安装座8和第二安装座10，第一平面折叠镜9设置在第一安装座8上，第二平面折叠镜11设置在第二安装座10上。完成设计的光机最大三维尺寸小于100mm
×
100mm
×
100mm。在基于金属铝反射镜、单点金刚石超精密加工镜面的技术基础上，进行合适的减重优化设计，完成设计的光机重量小于400g。
[0053]
本发明中的光机设计充分利用了共轴四反长焦光学系统的光学设计特性，具有尺寸小、重量轻、光学性能好的特点。适合立方卫星1u遥感光学成像系统，便携式高性能民用
望远镜，远距离监控光学成像系统使用。
[0054]
本发明公开了一种光学器件，包括上述的望远物镜光机。
[0055]
本发明具备以下优点：
[0056]
1、本发明提出的一种含两个球面的共轴四反长焦光学系统，主镜、次镜、三镜和四镜同轴布局，增加了光路折叠，有效压缩了镜片间隔，控制住了光学系统轴向总长。
[0057]
2、主镜、三镜共基底加工，降低了光机加工与系统装调难度，便于进行单点金刚石车削一体化加工。
[0058]
3、次镜和四镜均为球面，减少了元件加工检测成本，降低装调要求；光学系统设计有中间像面，在中间像面处可有效抑制系统杂散光。
[0059]
4、该光学系统具有结构紧凑、加工方便、简化装调、后工作距长、像质高、低畸变、低杂光的优点。
[0060]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0061]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0062]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0063]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0064]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。