具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统的制作方法

本发明涉及空间相机、光谱仪照相镜的检测领域，具体涉及一种具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统。

背景技术：

在空间相机、光谱仪照相镜的检测中，需要宽视场和大焦比的平行光管光学系统，用于测试空间相机、光谱仪照相镜的成像质量，空间相机和光谱仪照相镜的入瞳需要与检测光学系统的出瞳面相匹配，因此需要检测光学系统具有实的入瞳。

离轴三反镜光学成像系统具有结构简单、无遮拦、宽视场、无色散、像质好、结构紧凑等特点，可实现高分辨率和高能量利用率，被越来越多地应用于空间相机、成像光谱仪等空间对地成像观测领域，取得了快速的发展。

通常离轴三反光学系统孔径光阑位于主镜或者次镜上，光学系统实际入瞳位于检测光路内部，无法实现与空间相机和光谱仪照相镜的入瞳面的准确匹配。

与本发明较为接近的已有技术是korsch，d.anastigmaticthree-mirrortelescope,appl.opt.16#8(1977)和cook，l.g.three-mirroranastigmatusedoff-axisinapertureandfield,procspie183,207-211(1979).文中所示的光学系统，korsch，d文中所述光学系统的视场只能达到1º-2º；cook，l.g.文中所述光学系统的视场可达到2º-4º。上述两种光阑位于主镜上，没有实入瞳，无法实现被检测空间相机和光谱仪相机的入瞳面准确匹配。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种具有实入瞳的大焦比离轴三反光学系统；本发明的光学系统具有实的入瞳，光学系统焦比大于12，设计视场2º×2º，光学系统波前质量优于rms1/40。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种具有实入瞳的大焦比离轴三反光学系统，整个光学系统包括光阑、主镜、次镜、第三反射镜（简称三镜）和焦平面，其特征在于，在主反射镜前设置实光阑，与主镜的距离大于主次镜间隔，构成离轴三反光学系统的实入瞳；所述主镜的曲率半径r1，所述次镜曲率半径r2，所述第三反射镜采用凸镜，其顶点曲率半径r3近似满足平像场条件1/r1+1/r3=1/r2。

本发明同时采用口径离轴和视场离轴相结合的方式，通过合理的选择孔径离轴量和视场离轴，实现次镜为轴对称结构；主镜和第三反射镜光轴与次镜共轴，减小光学系统的装调难度。

本发明进一步优化：

所述主镜采用凹的正光焦度的离轴双曲面主镜；推荐采用含有4阶高次项的离轴双曲面主镜。

所述次镜采用凸的负光焦度的轴对称的抛物面次镜；推荐采用轴对称的抛物面反射镜。

所述第三反射镜（简称三镜）采用凹的含有4阶高次项的离轴椭球面反射镜。

所述实光阑与所述主镜的距离大于主次镜间隔。

所述实光阑与所述主镜的距离l1大于所述主镜和次镜的距离l2。

本发明的具有实入瞳的大焦比离轴三反光学系统的入瞳直径350mm，光学视场2º×2º，光学系统焦比f13.8。

所述主镜为圆形孔径，孔径离轴327mm；

所述次镜为圆形孔径，为轴对称结构；

所述第三反射镜为方形孔径，孔径离轴326mm。

所述入瞳光阑口径离轴486.6mm，y方向视场离轴3º,x轴方向视场-1º到+1º，y轴方向视场+3º到+5º，焦面尺寸242mm×242mm。

所述主镜、次镜和三镜共光学中心轴。

所述主镜的曲率半径为-7475.000mm，二次系数为-2.4751，四阶非球面系数为-2.402×10^-13；所述次镜的曲率半径为-2723.365mm，二次系数为-1.000；

所述第三反射镜的曲率半径为-4271.640mm，二次系数为-0.1938，四阶非球面系数为-3.181×10^-13。

所述光阑与所述主镜的距离为-2300mm；所述主镜与次镜的距离为-2070mm；

所述次镜与第三反射镜距离为-2070mm；所述三镜与所述焦面的距离为-2775.7mm。

本发明克服了现有技术“光阑位于主镜上没有实入瞳，无法实现被检测空间相机和光谱仪相机的入瞳面准确匹配”的缺陷，本发明的光学系统具有实的入瞳，光学系统焦比大于12，设计视场2º×2º，光学系统波前质量优于rms1/40。

附图说明

图1为本发明的具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统的结构示意图；

图2为本发明的具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统的结构俯视图；

图3为本发明的具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统的rms波前质量。

具体实施方式

实施例1，一种具有实入瞳的大焦比离轴三反光学系统，参照图1所示：整个光学系统包括光阑1、主镜2、次镜3、第三反射镜（简称三镜）4和焦平面5，主镜1为凹的含有4阶高次项的离轴双曲面反射镜，次镜2为凸的轴对称的抛物面，三镜5为凹的含有4阶高次项的离轴椭球面反射镜。

本结构中入瞳口径350mm，光学系统焦比13.8，有效视场2º×2º，入瞳光阑y视场方向孔径离轴486.6mm，中心视场y轴方向视场离轴3º,x轴方向视场-1º到+1º，y轴方向视场+3º到+5º。

本实施方式中，所述实入瞳口径离轴486.6mm；所述主镜通光口径φ484mm，孔径离轴327mm；所述次镜通光口径φ322mm，为旋转轴对称结构；所述三镜通光口径517.5mm×517.5mm，孔径离轴326mm。

本实施方式中，所述孔径光阑与主镜间隔-2300mm；所述主镜与次镜间隔-2070mm；所述次镜与三镜间隔-2070mm；所述三镜与焦平面间隔2755.7mm。

本实施方式中，主镜的曲率半径为-7475.000mm，二次系数为-2.4751，四阶非球面系数为-2.402×10^-13；次镜的曲率半径为-2723.365mm，二次系数为-1.000；三镜的曲率半径为-4271.640mm，二次系数为-0.1938，四阶非球面系数为-3.181×10^-13。

参见附图3，一种具有实入瞳的大焦比宽视场离轴三反光学系统的rms波前质量优于1/40波长。

技术特征：

技术总结
具有实入瞳的大焦比离轴三反光学系统，整个光学系统包括光阑、主镜、次镜、第三反射镜和焦平面，其特征在于，在主镜前设置实光阑，与主镜的距离大于主次镜镜间隔，构成离轴三反光学系统的实入瞳；所述主镜的曲率半径R1，所述次镜曲率半径R2和所述凸的第三反射镜顶点曲率半径R3近似满足平像场条件1/R1+1/R3=1/R2。本发明克服了现有技术“光阑位于主镜上没有实入瞳，无法实现被检测空间相机和光谱仪相机的入瞳面准确匹配”的缺陷，本发明的光学系统具有实的入瞳，光学系统焦比大于12，设计视场2º×2º，光学系统波前质量优于RMS 1/40波长。

技术研发人员：姜海娇
受保护的技术使用者：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所
技术研发日：2018.12.25
技术公布日：2019.05.10