一种紧凑型大视场小F#折反射光学系统的制作方法

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种紧凑型大视场小f#折反射光学系统。主要用于大视场高分辨率对地成像，也可用于城市安全监控、国土普查、防灾减灾等领域。

背景技术：

随着光学技术发展，光学遥感领域的重要性不断增加，同时对用于遥感的光学系统提出了更高性能的要求。为适应新的性能要求，遥感光学系统逐步向长焦距、大口径、宽谱段、大视场、结构紧凑等方向发展，而全反射系统在实现上述指标上具有独特的优势。传统的rc系统具有长焦距、大口径、结构紧凑、易装调等优势，由于采用了透射补偿镜，系统的工作波段较窄，且系统成像视场很难做大；离轴三反射光学系统虽能够实现长焦距、大口径、宽谱段、大视场等功能，但是单系统本身的装调较为复杂，总体尺寸也比较大。同时为了扩大视场和校正像差，在离轴三反射的基础上也发展出了离轴四反射结构，进一步加剧了系统总体尺寸与装调的复杂度。

北京空间机电研究所葛婧菁等人申请的专利号为cn109459844a的专利《一种紧凑型大视场互嵌式折反射光学系统》，系统采用了复杂化的格里高利系统，次镜与三镜之间存在一个中间像面，以同轴四反射的形式实现了一种更优化的系统设置，整体结构紧凑、总长度小于有效焦距的1/10，全视场可达3°，成像质量接近衍射极限。说明书中给出了光学系统的入瞳直径为1250mm，焦距为7700mm，假定系统的遮拦比为1/3，系统等效f#＝6.7。系统可以理解为格里高利系统，区别在于补偿镜为反射镜，由于格里高利系统本身的成像视场较小，采用反射镜作为补偿镜之后，整体成像视场仍然不大。rc系统类似于格里高利系统，区别在于没有一次像面，成像视场更大。

因此，本发明根据rc系统提出一种基于rc系统的同轴四反射光学系统，系统具有成像视场大，系统f#小，系统结构紧凑、工作谱段宽、成像质量高等特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种紧凑型大视场小f#折反射光学系统，以解决现有遥感光学系统不能同时满足成像视场大、工作波段较宽与结构紧凑要求的问题。

本发明光学系统具有成像视场大，系统f#小等特点，同时还具有结构紧凑、工作谱段宽、成像质量高、装调简单等特点。

本发明的技术解决方案是提供一种紧凑型大视场小f#折反射光学系统，其特殊之处在于：沿光线传播方向依次包括主镜、次镜、三镜、四镜和补偿透镜；还包括设置在次镜上的光阑；

所述主镜、次镜与三镜的轴向中心均开设内孔，所述三镜嵌入主镜的内孔中，三镜的外周面紧贴主镜内孔孔壁；所述四镜嵌入次镜的内孔中，四镜的外周面紧贴次镜内孔孔壁；所述补偿透镜位于三镜内孔中，与三镜内孔孔壁之间具有间隙；光线在传播方向上依次经过主镜、次镜、三镜、四镜的反射后透过补偿透镜，到达焦平面成像；

所述主镜、次镜、三镜与四镜均为最高次数为四次的偶次非球面镜，所述补偿透镜的表面为球面；

所述主镜与次镜、次镜与三镜、三镜与四镜之间的中心间距均相等。

进一步地，所述主镜的曲率半径为-76.80mm，所述主镜与次镜的中心间距为38.70mm，所述主镜的conic系数为-1.00，所述主镜的二次项系数为3.8340e^-3，所述次镜的四次项系数为1.9887e^-8。

进一步地，所述次镜的曲率半径为-35.05mm，所述次镜与三镜的中心间距为38.70mm，所述次镜的conic系数为-1.16，所述次镜的二次项系数为0.0106，所述次镜的四次项系数为-2.3981e^-7。

进一步地，所述三镜的曲率半径为-17.52mm，所述三镜与四镜的间距为38.70mm，所述三镜的conic系数为-1.02，所述三镜的二次项系数为0.0262，所述三镜的四次项系数为-4.9931e^-7。

进一步地，所述四镜的曲率半径为-13.68mm，所述四镜与补偿透镜的间距为40.58mm，所述四镜的conic系数为-0.97，所述四镜的二次项系数为0.03468，所述四镜的四次项系数为7.9750e^-7。

进一步地，所属补偿透镜的材料为融石英，前表面曲率半径为33.26mm，后表面的曲率半径为29.60mm，透镜中心厚度为2.00mm。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用四块偶次非球面反射镜对光路进行折转，使得系统的总长大大缩减，同时主镜与三镜、次镜与四镜一体加工，减小系统的总镜片数量，降低系统装调难度；

2.本发明主镜与次镜、次镜与三镜、三镜与四镜之间的中心间隔均相等，保证了主镜与三镜、次镜与四镜在光轴位置重合，有利于减小主镜与三镜、次镜与四镜一体加工时产生的矢高差，同时降低主镜与三镜、次镜与四镜一体加工时光学加工与光学检测的难度；

3.与背景中提到的同轴四反射光学系统相比，在保持了系统结构紧凑、成像质量高，工作谱段宽的特性下，光学系统的全视场达到5°，系统有效f#降低到1.70，且在100lp/mm处的传递函数高于0.4。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构示意图；

图2为本发明光学系统光路结构示意图；

图3为本发明光学系统的mtf曲线；

图4为本发明光学系统弥散斑图；

图5为本发明光学系统场曲畸变曲线；

图中附图标记为：1-主镜；2-次镜，3-三镜，4-四镜、5-补偿透镜，6-焦平面。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为本实施例光学系统的结构示意图，在光学路径上放置主镜1与三镜3的组合镜、次镜2和四镜4的组合镜和补偿透镜5。

主镜1的轴向中心均开设内孔，三镜3嵌入主镜的内孔中，三镜的外周面紧贴主镜内孔孔壁；次镜2的轴向中心均开设内孔，四镜4嵌入次镜2的内孔中，四镜4的外周面紧贴次镜2内孔孔壁；三镜3的轴向中心亦开设内孔，补偿透镜位于三镜内孔中，与三镜内孔孔壁之间具有间隙。系统光阑位于次镜2，且系统中不存在中间像面。光线在传播方向上依次经过主镜1、次镜2、三镜3、四镜4和补偿透镜5，之后达到焦平面6。

上述紧凑型大视场小f#折反射光学系统中，主镜1、次镜2、三镜3与四镜4四个反射镜均为最高次数为四次的偶次非球面镜，补偿透镜5的表面均为球面；主镜1的曲率半径为-76.80mm，主镜1与次镜2的间距为38.70mm，主镜1的conic系数为-1.00，主镜1的二次项系数为3.8340e^-3，次镜2的四次项系数为1.9887e^-8；次镜2的曲率半径为-35.05mm，次镜2与三镜3的间距为38.70mm，次镜2的conic系数为-1.16，次镜2的二次项系数为0.0106，次镜2的四次项系数为-2.3981e^-7；三镜3的曲率半径为-17.52mm，三镜3与四镜4的间距为38.70mm，三镜3的conic系数为-1.02，三镜3的二次项系数为0.0262，三镜3的四次项系数为-4.9931e^-7；四镜4的曲率半径为-13.68mm，四镜4与补偿透镜5的间距为40.58mm，四镜4的conic系数为-0.97，四镜4的二次项系数为0.03468，四镜4的四次项系数为7.9750e^-7；补偿透镜的材料为融石英，将光束先到达的表面定义为补偿透镜的前表面，补偿透镜前表面曲率半径为33.26mm，后表面的曲率半径为29.60mm，补偿透镜中心厚度为2.00mm。

本实施例所提供的光学系统的系统焦距为192mm，成像视场为5°，工作波段为400-900nm，系统有效f#为1.70(扣除中心遮拦)，全视场无渐晕。如图3和图5所示，在400-900nm波段范围内全视场范围内mtf均接近衍射极限，相对畸变小于0.2％。