一种反射式光学系统的制作方法

1.本发明涉及光学卫星遥感领域，更具体地，涉及一种反射式光学系统。

背景技术：

2.随着航空航天技术及光学技术的发展，遥感光学系统向着长焦距、高分辨、小尺寸、轻量化发展的需求越来越迫切，在光学卫星遥感领域，研究小光学总长以实现小摄远比(摄远比＝光学总长/焦距)的光学系统也有利于空间遥感器的小型化和轻量化。
3.目前，航天光学遥感领域常用的光学系统为反射式光学系统，包括双反射式系统和三反射式系统，而三反射式系统校正像差的自由度高，可以实现更大的视场和更高的分辨率，越来越多地被应用于光学遥感领域。
[0004]“三镜反射式光学系统综述(特邀)[j].红外与激光工程,2022,51(1):16.”一文中总结了当前的三反射式系统进展，典型的三反射成像系统可总结为三种：korsch十字光路系统、korsch两轴三镜系统和离轴三反射式系统。
[0005]
korsch十字光路系统使用一个置于主反射镜和次反射镜之间的折转镜将三反射镜光路偏置到光学系统的垂直方向，有利于减小系统遮拦、缩小光学总长，但是这种系统的折转镜靠近各部分光路的交点，且光路交叉过多，光机结构设计及杂散光抑制困难，也易产生额外的杂散光，而且留给折转镜的结构支撑和装调空间极小。
[0006]
korsch两轴三镜系统在十字光路系统的基础上将垂直光路引到主反射镜后方，这种方案避免了光路交叉，有利于光机结构设计和杂散光抑制，但是增加了光学系统的光学总长，而且该系统需要在主反射镜中心进行穿孔，降低了系统的光透过率和衍射极限，成像质量有所损失。
[0007]
离轴三反射式系统将三面反射镜均做了离轴处理，避免了反射镜的遮拦和穿孔，但是这种系统整体尺寸过大，而且装调困难；紧凑型的离轴三反射式系统可适当缩小尺寸，但是需要将三面反射镜均设置为自由曲面，需要借助超精密加工技术，实现难度大、成本高，且实际上这种系统对尺寸的压缩程度有限。
[0008]
综上所述，目前常见的三反射式光学系统难以实际应用于小摄远比的需求，故需要设计一款光学总长小、易于实现、成本较低的光学系统。

技术实现要素：

[0009]
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光学总长小、主镜遮拦少、易于装调、易于实现杂光抑制和光机设计且成本低廉的小摄远比的反射式光学系统。
[0010]
本发明的技术方案是：一种反射式光学系统，包括主反射镜、次反射镜、第一折转镜、第二折转镜、三反射镜、焦平面探测器组件，各反射镜及焦平面探测器组件的光轴位于同一平面内，光学系统的孔径光阑与主反射镜重合。来自景物的光线通过主反射镜和次反射镜的反射后，到达第一折转镜，第一折转镜将光线偏折至主反射镜和次反射镜光路的交叉方向，再经由第二折转镜将光线偏折至主反射镜和次反射镜光路的近似平行方向，光线
到达三反射镜后，经三反射镜的反射和会聚后到达焦平面探测器组件。其中，主反射镜和三反射镜具有正光焦度，次反射镜具有负光焦度，第一折转镜和第二折转镜为平面反射镜。
[0011]
所述主反射镜、次反射镜和三反射镜的面型可为球面、圆锥曲面、高次非球面或自由曲面，各反射镜的面型可以相同也可以不同。
[0012]
所述第一折转镜与水平面的夹角为43
°
～53
°
；所述第二折转镜与第一折转镜的夹角为124
°
～139
°
。
[0013]
在所述次反射镜到所述三反射镜之间的光路中形成一次实像，在所述一次实像处或一次实像附近加装消杂光光阑。
[0014]
所述主反射镜、次反射镜、第一折转镜、第二折转镜、三反射镜的材料可为铝、铍、铝合金、微晶玻璃、石英玻璃、碳化硅。
[0015]
所述焦平面探测器组件为线阵推扫式探测器。
[0016]
在焦平面探测器组件前方可加装分光棱镜实现线阵探测器的光学拼接。
[0017]
所述反射式光学系统的摄远比为0.14～0.21。其中，摄远比定义为系统的光学总长与焦距的比值。
[0018]
所述反射式光学系统的工作波段从紫外波段到红外波段。
[0019]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020]
(1)本发明采用平面反射镜二次折转的方式，将离轴光路折叠至主反射镜和次反射镜光路的侧方，使系统的光学总长与主反射镜和次反射镜间距接近，有效降低了光学系统的摄远比。
[0021]
(2)本发明将三反射镜光路从主反射镜和次反射镜之间偏折引出，避免了主反射镜的中心穿孔，提高了光学系统的光透过率和衍射极限。
[0022]
(3)本发明利用第二折转镜将三反射镜光路外置，减少了折转镜附近的光路交叉，并将一次实像引出，便于加装消杂光光阑，有利于杂散光抑制和光机结构设计。
[0023]
(4)本发明采用了准离轴的设计方案，体积紧凑、易于装调，而且该设计方案可以不使用自由曲面反射镜，降低了加工难度和加工成本。
附图说明
[0024]
图1为本发明光学系统简图；
[0025]
图2为本发明光学系统调制传递函数曲线。
具体实施方式
[0026]
如图1所示，本发明反射式光学系统，包括主反射镜1、次反射镜2、第一折转镜3、第二折转镜4、三反射镜5、焦平面探测器组件6，各反射镜及焦平面探测器组件的光轴位于同一平面内，光学系统的孔径光阑与主反射镜1重合。来自景物的光线通过主反射镜1和次反射镜2的反射后，到达第一折转镜3，第一折转镜3将光线偏折至主反射镜1和次反射镜2光路的交叉方向，再经由第二折转镜4将光线偏折至主反射镜1和次反射镜2光路的近似平行方向，光线到达三反射镜5后，经三反射镜5的反射和会聚后到达焦平面探测器组件6。其中，主反射镜1和三反射5镜具有正光焦度，次反射镜2具有负光焦度，第一折转镜3和第二折转镜4为平面反射镜。
[0027]
优选地，主反射镜1、次反射镜2、三反射镜5的面型数据如下表所示：
[0028] 表面类型顶点曲率半径圆锥系数六次项系数八次项系数主反射镜1椭球面-1936.6mm-0.927————次反射镜2双曲面-581.1mm-2.074————三反射镜5偶次非球面-808.9mm-0.432-3.314e-19-1.672e-23
[0029]
优选地，第一折转镜3与水平面的夹角为48
°
，第二折转镜4与第一折转镜3的夹角为134
°
。
[0030]
优选地，在第二折转镜4与三反射镜5之间形成一次实像，并在一次实像处加装消杂光光阑。
[0031]
优选地，各反射镜材料选用微晶玻璃。
[0032]
优选地，焦平面探测器组件6选用推扫成像式的线阵ccd探测器。
[0033]
优选地，本实施例中光学系统的技术指标如下表所示：
[0034]
焦距4200mm光学总长830mm摄远比(＝光学总长/焦距)0.197相对孔径1:7视场角2.3
°×
0.2
°
探测器像元尺寸7μm光学系统工作波段可见光0.45μm～0.8μm
[0035]
图2示出了光学系统的调制传递函数曲线，各视场的调制传递函数曲线与系统的衍射极限基本重合；在奈奎斯特频率处，光学系统的调制传递函数值高于0.4。
[0036]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种反射式光学系统，其特征在于，包括：主反射镜、次反射镜、第一折转镜、第二折转镜、三反射镜、焦平面探测器组件；上述各折转镜、反射镜及焦平面探测器组件的光轴位于同一平面内；整个光学系统的孔径光阑与主反射镜重合；来自景物的光线依次通过主反射镜和次反射镜的反射后，到达第一折转镜，第一折转镜将光线偏折至第二折转镜，再经第二折转镜将光线偏折至三反射镜，最后经三反射镜的反射并汇聚到达焦平面探测器组件。2.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述主反射镜和三反射镜具有正光焦度，次反射镜具有负光焦度；所述第一折转镜和第二折转镜为平面反射镜。3.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述主反射镜、次反射镜和三反射镜的面型为球面或圆锥曲面或高次非球面或自由曲面。4.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述第一折转镜与水平面的夹角为43
°
～53
°
。5.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述第二折转镜与第一折转镜的夹角为124
°
～139
°
。6.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述主反射镜、次反射镜、第一折转镜、第二折转镜、三反射镜的材料为铝、铍、铝合金、微晶玻璃、石英玻璃、碳化硅中的任意一个或几个的组合。7.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述焦平面探测器组件为线阵推扫式探测器。8.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，在焦平面探测器组件前方加装分光棱镜，实现线阵探测器的光学拼接。9.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述整个反射式光学系统的摄远比为0.14～0.21；其中，摄远比定义为系统的光学总长与焦距的比值。10.根据权利要求1所述的一种反射式光学系统，其特征在于，所述反射式光学系统的工作波段为从紫外波段到红外波段。

技术总结

一种反射式光学系统，主反射镜、次反射镜、第一折转镜、第二折转镜、三反射镜、焦平面探测器组件；上述各折转镜、反射镜及焦平面探测器组件的光轴位于同一平面内；整个光学系统的孔径光阑与主反射镜重合；来自景物的光线依次通过主反射镜和次反射镜的反射后，到达第一折转镜，第一折转镜将光线偏折至第二折转镜，再经第二折转镜将光线偏折至三反射镜，最后经三反射镜的反射并汇聚到达焦平面探测器组件。射镜的反射并汇聚到达焦平面探测器组件。射镜的反射并汇聚到达焦平面探测器组件。