專(zhuān)利名稱：一種全反射光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種全反射的成像光學(xué)系統(tǒng)。具體地說(shuō)，是一種共光軸、線 視場(chǎng)、像方遠(yuǎn)心、偏視場(chǎng)使用的全反射光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
相對(duì)于折射光學(xué)系統(tǒng)，全反射光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)焦距、大口徑和寬波段光學(xué)系
統(tǒng)中有著無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。 一般來(lái)說(shuō)，在口徑大于300mm的光學(xué)系統(tǒng)中，由于 材料以及光學(xué)系統(tǒng)體積和重量的限制，單純的折射系統(tǒng)就已經(jīng)不適用了。這些 限制對(duì)于反射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則完全不存在。在長(zhǎng)焦系統(tǒng)中，可以通過(guò)反射鏡來(lái)回 折轉(zhuǎn)光路，從而大大縮小系統(tǒng)體積；在反射系統(tǒng)中，光線并不穿過(guò)整個(gè)光學(xué)元 件，而只是在光學(xué)元件的一側(cè)反射，可以在保證面型穩(wěn)定的前提下，挖空背面 來(lái)減重。這些特征決定了反射系統(tǒng)特別適合于航天遙感應(yīng)用。目前在軌的高分 辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，如Sopt V、 Ikonos、 Quickbird和Worldwile-1等，其光
學(xué)系統(tǒng)均為全反射光學(xué)系統(tǒng)。寬譜段特性是全反射系統(tǒng)的另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。 一般反射面鍍的金屬反射膜從紫外一直到遠(yuǎn)紅外都有比較高的反射率，而且沒(méi) 有色差，非常適合寬譜段應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)。
在全反射系統(tǒng)中，由于光線來(lái)回反射，導(dǎo)致鏡片之間的相互遮攔是很大的 問(wèn)題。由于鏡片之間互相的遮攔，使得全反射系統(tǒng)中鏡片數(shù)量相對(duì)于折射系統(tǒng) 要少得多。鏡片數(shù)量少，使得校正光學(xué)系統(tǒng)像差的變量也就少，所以一般反射 系統(tǒng)中鏡片面型都使用二次曲面或高次非球面以增加變量個(gè)數(shù)，從而校正更多的像差，提高成像系統(tǒng)性能。
球面、二次曲面和高次非球面可用以下公式描述
z = ~~, "2 +屈4 +朋6 + c/ 8 + # + + F/ 14 + W + , + ,
1 + VH1 + Qc2/72
這里Z為曲面相對(duì)于頂點(diǎn)的矢高；
C為曲面頂點(diǎn)處曲率；
k為二次曲面系數(shù)；
k=0時(shí)，為球面；
-l〈k〈0時(shí)，為長(zhǎng)軸和光軸重合的橢球面； k二-l時(shí)，為拋物面；
同時(shí)，k二-e2 ， e為二次曲面離心率；
當(dāng)k〉0時(shí)，曲面由橢圓短軸和光軸重合，繞光軸生成的曲面，此時(shí)， k=e2 /(1- e2)， e為橢圓的離心率。
A， B， C， D， E， F， G， H， J分別為4階，6階，8階，10階，12階， 14階，16階，18階，20階非球面系數(shù)，當(dāng)以上非球面系數(shù)全為零時(shí)，曲面 為完全的二次曲面。
h_ x +y 5
習(xí)慣上，我們將二次曲面和高次非球面統(tǒng)稱為非球面。 傳統(tǒng)的反射式光學(xué)系統(tǒng)主要有牛頓系統(tǒng)、格里高利系統(tǒng)和卡塞格倫系統(tǒng)。 它們的反射鏡面型均為二次曲面，其中，牛頓系統(tǒng)由一拋物面構(gòu)成；格里高利 系統(tǒng)由一拋物面和一橢球面組成；卡塞格倫系統(tǒng)由一拋物面和一雙曲面組成。 這些系統(tǒng)都校正了球差，但其他和視場(chǎng)相關(guān)的像差沒(méi)有得到校正，因此這些系 統(tǒng)視場(chǎng)非常小。隨后，卡塞格倫系統(tǒng)改進(jìn)為一種稱為RC的反射系統(tǒng)，主鏡是非常接近拋物面的雙曲面，次鏡為雙曲面。RC系統(tǒng)同時(shí)校正了球差和彗差，使得 系統(tǒng)視場(chǎng)得到了擴(kuò)展。著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就是RC系統(tǒng)的一個(gè)非常成功的應(yīng) 用。在RC系統(tǒng)焦面附近增加一組校正場(chǎng)曲的平場(chǎng)鏡可以進(jìn)一步擴(kuò)大成像系統(tǒng)的 視場(chǎng)，但是折射元件的引入，大大限制了光學(xué)系統(tǒng)的寬譜段性能。
在20世紀(jì)六、七十年代，出現(xiàn)了一種稱之為三反射鏡消象散系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱TMA)。 TMA由三片非球面反射鏡組成，同時(shí)校正了球差、彗差和場(chǎng)曲，通過(guò)合理分配三 片反射鏡的光焦度，還可以校正場(chǎng)曲。在TMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了幾種具體 的光學(xué)系統(tǒng)。
典型的是U.S. Patent 4,101,195 (1978)公布的一種結(jié)構(gòu)。它由4片反射鏡 構(gòu)成，其中一片平面鏡，三片二次曲面鏡(一個(gè)雙曲面，兩個(gè)橢球面)。有實(shí)的 一次像面和實(shí)的Lyot光闌。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，入瞳位于主鏡，其他鏡片尺寸 明顯小于主鏡，適合大口徑應(yīng)用，是一個(gè)優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)。它的工作視場(chǎng)為線 視場(chǎng)，非常適合工作于推掃模式。美國(guó)一米分辨率的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Ikonos就采 用了結(jié)構(gòu)。但這種系統(tǒng)不是像方遠(yuǎn)心的，它的主光線在焦平面入射角比較大， 這對(duì)焦面照度的均勻性和焦面附近濾光片濾光效果都是很不利的。
U.S. Patent 4， 240， 707 (1980)公布了另一種TMA的結(jié)構(gòu)，由三片非球面鏡 組成，視場(chǎng)同樣視為線視場(chǎng)，但視場(chǎng)比U.S. Patent 4， 101， 195更大。其光路結(jié) 構(gòu)為像方遠(yuǎn)心，但是其入瞳位于第二反射鏡，其他兩個(gè)反射鏡尺寸相近，并且 遠(yuǎn)大于入瞳直徑，所以對(duì)于大口徑高分辨率觀測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)并不適用。 這種結(jié)構(gòu)適用于小口徑、較大視場(chǎng)、多譜段、工作于推掃模式的成像裝置。美 國(guó)EO-1計(jì)劃中的ALI多光譜相機(jī)，其入瞳口徑為125mm，就采用了這種光學(xué)系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)是像方遠(yuǎn)心的， 并且適合于大口徑高分辨率觀測(cè)應(yīng)用。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是 一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，包括光軸00 '、對(duì)稱位于光軸00 '上下兩側(cè)的主
鏡1和位于主鏡1反射光線上的次鏡2，所述光軸00 '與次鏡2的中心垂直， 所述主鏡1面型為凹的拋物面，所述次鏡2面型為凸雙曲面，
其特殊之處在于還包括位于光軸00 ' —側(cè)的第三鏡3和位于光軸00 ' 另一側(cè)的第四鏡4，所述次鏡2的出射光線上一次像面的位置設(shè)置有折軸鏡5和 視場(chǎng)光闌6，所述折軸鏡5將出射光線反射至第三鏡3上，所述光線經(jīng)第三鏡3 通過(guò)Lyot光闌7光線入射至第四鏡4，經(jīng)第四鏡4反射后，光線會(huì)聚于焦平面 8，所述第三鏡3面型為凹的高次非球面，所述第四鏡4面型為凹的橢球面。
上述經(jīng)過(guò)該全反射光學(xué)系統(tǒng)為線視場(chǎng)，所述各個(gè)視場(chǎng)的主光線都垂直入射 至焦平面8。
上述第三鏡3出射光線為平行光，由主鏡1、次鏡2、折軸鏡5和第三鏡3 可以構(gòu)成一個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)，其角放大率為主鏡1直徑和Lyot光闌7直徑之比。 上述折軸鏡5與光軸00 '夾角可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用上下調(diào)節(jié)，但不能遮攔光線。
上述折軸鏡5與光軸0(T夾角是45°為佳。 上述折軸鏡5為平面鏡。
其中Lyot光闌可翻譯為里奧(法國(guó)人名)光闌，指光學(xué)系統(tǒng)的入瞳在光 學(xué)系統(tǒng)成有實(shí)像，它對(duì)消除光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射非常有效。
本實(shí)用新型具有共光軸、線視場(chǎng)、像方遠(yuǎn)心以及偏視場(chǎng)使用的特點(diǎn)，適合于大口徑高分辨率觀測(cè)應(yīng)用。

圖1是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)側(cè)視剖面圖； 圖2是主鏡至次鏡的頂視剖面圖； 圖3是第三鏡至第四鏡的前視剖面圖； 圖4是第四鏡至焦平面的前視剖面圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1 4， 一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，包括光軸00 '、對(duì)稱位于光軸00 ' 上下兩側(cè)的主鏡1和位于主鏡1反射光線上的次鏡2，光軸00 '與次鏡2的中 心垂直，所述主鏡1面型為凹的拋物面，次鏡2面型為凸雙曲面，還包括位于 光軸00 ' —側(cè)的第三鏡3和位于光軸00 '另一側(cè)的第四鏡4，次鏡2的出射光 線上一次像面的位置設(shè)置有折軸鏡5和視場(chǎng)光闌6，折軸鏡5將出射光線反射至 第三鏡3上，光線經(jīng)第三鏡3通過(guò)Lyot光闌7光線入射至第四鏡4，經(jīng)第四鏡 4反射后，光線會(huì)聚于焦平面8，第三鏡3面型為凹的高次非球面，所述第四鏡 4面型為凹的橢球面；經(jīng)過(guò)該全反射光學(xué)系統(tǒng)為線視場(chǎng)，所述各個(gè)視場(chǎng)的主光線 都垂直入射至焦平面8。
其中第三鏡3出射光線為平行光，由主鏡1、次鏡2、折軸鏡5和第三鏡3 可以構(gòu)成一個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)，其角放大率為主鏡1直徑和Lyot光闌7直徑之比。
其中折軸鏡5為平面鏡，折軸鏡5與光軸00 '夾角可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用上下 調(diào)節(jié)，但不能遮攔光線。具體地折軸鏡5與光軸0(T夾角最佳是45。。
本實(shí)用新型是一種緊湊的、由五反射鏡組成的全反射光學(xué)系統(tǒng)，由一個(gè)平 面反射鏡和四個(gè)非球面反射鏡組成，我們稱之為四反射鏡像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 為FMT。此光學(xué)系統(tǒng)入瞳位于主鏡，主鏡面型為拋物面；光線由主鏡反射至次鏡，
次鏡面型為雙曲面；光線經(jīng)由次鏡反射后，形成了一次像面；接著光線被傾斜 45°放置的平面鏡向下反射，在這里系統(tǒng)光軸被折轉(zhuǎn)了 90° ;光線向下入射至 第三鏡，第三鏡面型為高次非球面；經(jīng)第三鏡反射后，光線平行出射，入瞳在 其上方成實(shí)像，稱之為L(zhǎng)yot光闌；經(jīng)過(guò)Lyot光鬧光線入射至第四鏡，第四鏡 面型為橢球面；經(jīng)第四鏡反射后，光線會(huì)聚于焦平面。各個(gè)視場(chǎng)的主光線都垂 直入射至焦平面，是一個(gè)比較理想的像方遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，包括光軸OO′、對(duì)稱位于光軸OO′上下兩側(cè)的主鏡(1)和位于主鏡(1)反射光線上的次鏡(2)，所述光軸OO′與次鏡(2)的中心垂直，所述主鏡(1)面型為凹的拋物面，所述次鏡(2)面型為凸雙曲面，其特征在于還包括位于光軸OO′一側(cè)的第三鏡(3)和位于光軸OO′另一側(cè)的第四鏡(4)，所述次鏡(2)的出射光線上一次像面的位置設(shè)置有折軸鏡(5)和視場(chǎng)光闌(6)，所述折軸鏡(5)將出射光線反射至第三鏡(3)上，所述光線經(jīng)第三鏡(3)通過(guò)Lyot光闌(7)光線入射至第四鏡(4)，經(jīng)第四鏡(4)反射后，光線會(huì)聚于焦平面(8)，所述第三鏡(3)面型為凹的高次非球面，所述第四鏡(4)面型為凹的橢球面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述全反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述經(jīng)過(guò)該全反射光學(xué)系統(tǒng)為線視場(chǎng)，所述各個(gè)視場(chǎng)的主光線都垂直入射至焦平面(8)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述全反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第三鏡(3)出射光線為平行光，由主鏡(1)、次鏡(2)、折軸鏡(5)和第三鏡(3)可以構(gòu)成一個(gè)無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)，其角放大率為主鏡(1)直徑和Lyot光闌(7)直徑之比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述全反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸鏡(5)與光軸00 '夾角可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用上下調(diào)節(jié)，但不能遮攔光線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述全反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸鏡(5)與光軸0(T夾角是45。。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述全反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸鏡(5)為平面鏡。
專(zhuān)利摘要一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，包括光軸OO′、對(duì)稱位于光軸OO′上下兩側(cè)的主鏡和位于主鏡反射光線上的次鏡，光軸OO′與次鏡的中心垂直，主鏡面型為凹的拋物面，次鏡面型為凸雙曲面，還包括位于光軸OO′一側(cè)的第三鏡和位于光軸OO′另一側(cè)的第四鏡，次鏡的出射光線上一次像面的位置設(shè)置有折軸鏡和視場(chǎng)光闌，折軸鏡將出射光線反射至第三鏡上，所述光線經(jīng)第三鏡通過(guò)Lyot光闌光線入射至第四鏡，經(jīng)第四鏡反射后，光線會(huì)聚于焦平面，第三鏡面型為凹的高次非球面，第四鏡面型為凹的橢球面。本實(shí)用新型是像方遠(yuǎn)心的，并且適合于大口徑高分辨率觀測(cè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02B17/00GK201331617SQ20092003172
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者婷 李, 福 李, 楊建峰, 彬 薛, 萍 阮, 馬小龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所