专利名称：超短距全反射光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电探测、识别成像光学技术领域中的一种小体积、轻型超短距全反射球面光学系统。
背景技术：
以光电探测器作为成像接收器的具有高分辨率、宽谱段的长焦距、小体积、轻型空间光学系统，在航空航天的空间侦察、空间观测中，能获得位于无穷远目标的高清晰度照片，在安防监控等领域有很大的应用前景。目前空间反射光学系统多采用双反射或者三反射光学系统。传统的双反射系统最多只能校正两种像差，而基于双反射的折反射式光学系统又存在镜筒较长的缺点，因此在长焦距的情况下无法满足小体积轻型化的要求。普通的共轴三反射空间光学系统，不可避免地存在着较大的遮拦，因而对传递函数(MTF)有着较大的影响，很难获得比较高的MTF; 而离轴的三反射光学系统，往往存在着成像位置不佳，设计机构复杂，装调难度较大，结构随视场角度增大而急剧增大，从而增加系统重量等问题。在国内已有技术中，与本发明最为接近的是专利CN101576648A，如图1所示该系统由四面反射镜组成，是共轴四反射镜光学系统。此光学系统为大视场光学系统，不能满足空间光学系统长焦距小体积轻型化的要求。为了克服上述缺点，特设计一种，长焦距，小体积，轻型化，主次镜面型易加工和检测，系统的结构简单，并能获得比较高的MTF的空间光学系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在获得长焦距的条件下，缩短镜筒的长度，满足系统小型化的要求。系统镜面面型易加工和检测，且系统的成像质量良好，MTF较高。解决技术问题的技术方案是光学系统采用同轴全反射系统结构形式，主次镜均为球面，主镜反射镜的光轴和次镜反射镜的光轴重合，且为系统的光轴。本发明的详细内容如图2所示，是由主球面反射镜1，第二面次球面反射镜2，孔径光栏3和探测器像面4组成的。本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，ζ轴方向定为光轴方向，y轴在图示3平面内，χ轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。第一面主球面反射镜 1，第二面次球面反射镜2，探测器像面4的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上依次排列。第一面主反射镜1是一个光焦度为正的球面反射镜，第二面次反射镜2是一个光焦度为负的球面反射镜。第一面主球面反射镜1和第二面次球面反射镜2的反射面相对安排，第二面次球面反射镜2沿ζ轴方向到探测器像面4的距离是系统焦距的0. 1倍；两块镜子的中心都在 yz平面上(χ坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。孔径光栏3和第二面次球面反射镜2的位置重合。本发明的工作原理为了使远距离物体能成像在探测器像面4上，采用了同轴全反射式球面光学系统的结构，第一面主球面反射镜1的光焦度为正，第二面次球面反射镜2 的光焦度为负，无穷远的目标经过第一面主球面反射镜1后照射到第二面次球面反射镜2， 经过第二面次球面反射镜2后，再次照射到第一面主球面反射镜1上，最后经由第二面次球面反射镜2第二次反射到探测器元件4上，得到最后的像。有益效果本光学系统焦距可达15000mm，总长度为1500mm，仅为系统焦距的0. 1
倍，是一个超短距全反射球面光学系统，满足空间光学系统体积小，重量轻的要求。系统采用同轴结构形式，便于系统整体支撑和装调，主次镜均为球面，面型易加工和检测。系统成像质量好，结构简单，特别适合作为机载设备上用的高分辨力轻型相机的全谱段光学系统， 应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。
图1是已有技术的结构示意图；图2是本发明的结构示意图；图中，1-主球面反射镜、2-次球面反射镜，3-孔径光阑，4-探测器像面。图3是本发明采用的坐标系示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明本发明按图2所示的结构实施，其详细内容如图2所示，系统由主反射镜1，第二面次反射镜2，孔径光栏3，和探测器像面4组成。主、次反射镜1、2均为球面，材质均采用碳化硅或适用于空间的高比刚度、接近零膨胀的、热畸变较小的替代材料，如ULE、ZER0D0。探测器像面4采用CCD探测器或其它列阵探测器。本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，ζ轴方向定为光轴方向，y轴在图示3平面内，χ轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。各个镜子的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上，依次排列光焦度为正的球面反射镜1，光焦度为负的球面反射镜2，和球面次反射镜2重合的孔径光栏3，探测器像面4。第一面主球面反射镜1和第二面次球面反射镜2的反射面相对安排，第二面次球面反射镜2与探测器像面4相对安排；且第二面次反射镜2沿ζ轴方向到探测器像面的距离是系统焦距的0. 1倍。主次镜的中心都在yz平面上(χ坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。孔径光栏3和第二面次反射镜2的位置重合。系统的主次镜均采用球面，面型易加工和检测。光线在主次镜上都经过二次反射， 缩小了镜筒长度，满足了空间光学系统长焦距，小体积，轻型化的要求。系统成像质量好，结构简单，特别适合作为机载设备上用的高分辨力轻型相机的全谱段光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。
权利要求
1.一种超短距全反射光学系统，其特征在于主次镜均为球面的高分辨率、小体积宽谱段的超短距两镜四反射式光学系统，包括第一面主球面反射镜1，第二面次球面反射镜 2，孔径光栏3，和探测器像面4。反射光束分别两次经过主次镜的反射，在保证成像质量的前提下，极大的减小了镜筒的长度，缩小了系统的体积。本光学系统按χ、y、ζ右手空间坐标系有序排列，ζ轴方向定义为光轴方向，y轴在图示3平面内，χ轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。第一面主球面反射镜1，第二面次球面反射镜2，探测器像面 4的光轴和系统的光轴重合，在光的传播方向上依次排列。
2.根据权利要求1所述的一种超短距全反射光学系统，其特征在于第一面主反射镜 1是一个光焦度为正的球面反射镜，第二面次反射镜2是一个光焦度为负的球面反射镜，孔径光栏3和第二面次反射镜2的位置重合。
3.根据权利要求1所述的一种超短距全反射光学系统，其特征在于第一面主球面反射镜1和第二面次球面反射镜2的反射面相对安排，第二面次球面反射镜2与探测器像面4 相对安排；且第二面次球面反射镜2沿ζ轴方向到探测器像面的距离是系统焦距的0. 1倍。 主次镜的中心都在yz平面上(χ坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。
全文摘要
本发明属于光电探测、识别成像光学技术领域中的一种小体积、轻型超短距全反射球面光学系统。系统由主球面反射镜，第二球面次反射镜，孔径光栏和探测器像面组成的。系统结构简单，体积小，有较高的MTF。系统焦距为15000mm，镜筒长为1500mm，是系统焦距的0.1倍，满足空间光学系统长焦距，小体积，轻型化的要求。系统的主次镜均采用球面，面型易加工和检测，成本较低。采用同轴全反射系统结构形式，成像质量好，结构简单，特别适合作为机载设备上用的高分辨力轻型相机的全谱段光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。
文档编号G02B7/182GK102313974SQ20111026286
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者常军, 张利飞, 欧阳姣 申请人:北京理工大学