[发明专利]一种长焦距、无畸变、平像场的折轴三反光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学应用技术，具体涉及一种长焦距、无畸变、平像场的折轴三反光学系统。

背景技术

现在普遍使用的三反射光学系统中由次镜和三镜产生的畸变均为正畸变，当减小光学系统的视场角或放大主反射镜的曲率半径后，随着光线的入射高度和入射角度的减小，整个光学系统的畸变可以变小，但其畸变值不会小于1％，不能满足空间相机多光谱成像、立体成像和地图测绘的需求；而无畸变的三反光学系统像面是弯曲的，导致拼接的CCD像面是弯曲的，更不利于应用。

发明内容

本发明的目的是解决背景技术中所述的现有的三反射光学系统的畸变值较大、像面弯曲不利于应用的缺陷，而提供了一种适合空间相机的长焦距、无畸变、平像场的折轴三反光学系统，以满足空间相机多光谱成像，立体成像和大比例尺地图测绘的需求。

本发明的技术解决方案是：一种长焦距、无畸变、平像场的折轴三反光学系统，包括主反射镜1、设置在该主反射镜1的反射光路上的次反射镜2、设置在该次反射镜2的反射光路上的折轴镜3及设置在该折轴镜3的反射光路上的第三反射镜4，其特殊之处在于，在该第三反射镜4的反射光路上设置有至少一片透镜5，且该透镜5距离像面的距离通常为f/5-f/3(其中f为第三镜的焦距)，最佳距离约为距像面75mm左右(70-90mm)；并且该透镜5采用双弯月形的凹凸(正弯月形)的正透镜，用于抵消次反射镜2和第三次反射镜4所产生的正畸变；为了更好的消除该畸变，可以在第三反射镜4的反射光路上设置由凹凸(正弯月形)的正透镜和双凹的负透镜组成的透镜组，从而更好的抵消掉次反射镜2和第三反射镜4所产生的正畸变。

由于本光学系统中在光学系统出瞳与像面之间放置靠近像面的消畸变透镜(组)，用以抵消次反射镜和第三反射镜所产生的正畸变，同时，采用低折射率、耐辐射的光学材料制成的消畸变透镜(组)，以减小系统的入射角度和入射高度，最后取得消除整个系统畸变的效果，满足空间相机用于多光谱成像、立体成像和大比例尺地图测绘等对光学系统的需求，扩大了系统的应用范围。

附图说明

图1是设置两片消畸变透镜时的本发明的光学系统的光路示意图；

图2是设置一片消畸变透镜时的本发明的光学系统的光路示意图；

图3是消畸变透镜设置在折轴镜的反射光路上并靠近像面的本发明的光学系统的光路示意图；

图4是消畸变透镜设置在折轴镜的反射光路上并靠近像面的本发明的光学系统的另一光路示意图；

图5是本发明的光学系统成像质量畸变图；

图6是本发明的光学系统成像质量衍射图。

具体实施方式

参见图1，本发明的光学系统为折轴三反光学系统，包括主反射镜1、设置在该主反射镜1的反射光路上的次反射镜2、设置在该次反射镜2的反射光路上的折轴镜3(折轴镜3呈45°放置，折轴镜3的法线与主、次镜光轴夹角为45°，主反射镜1的光轴和次反射镜2的光轴是重合的。)及设置在该折轴镜3的反射光路上的第三反射镜4，在该第三反射镜4的反射光路上设置有至少一片透镜5(消畸变透镜)即在该光学系统的出瞳与像面之间放置透镜5，且该透镜5组靠近像面6，同时，该透镜5采用凹凸(正弯月形)的正透镜，用于抵消次反射镜2和第三次反射镜4所产生的正畸变。

参见图2，为了更好的消除系统的畸变，可以在第三反射镜4的反射光路上顺次设置由凹凸(正弯月形)的正透镜和双凹的负透镜组成的透镜组，且靠近第三反射镜4的为凹凸(正弯月形)的正透镜的正透镜，该透镜组产生负畸变，从而抵消掉次反射镜2和第三反射镜4所产生的正畸变。

参见图3、4，其中不同于图1和图2所示的光学系统的是，折轴镜3和第三反射镜4的位置恰好互换，即第三反射镜4设置在次反射镜2的反射光路上，折轴镜3设置在第三反射镜4的反射光路上；但其中一致的是，消畸变透镜(组)均设置在系统的出瞳和像面6之间，且消畸变透镜(组)靠近像面6设置。图3所示光路中的折轴镜3仍然呈45°放置(即折轴镜3的法线与主、次镜光轴夹角为45°，主反射镜1的光轴和次反射镜2的光轴是重合的)，图4中的折轴镜放置位置无特殊要求，以符合像面6的排布为主。

为了减小系统的入射角度和入射高度，该系统中的消畸变透镜(组)即凹凸(正弯月)的正透镜和双凹的负透镜均采用低折射率、耐辐射的光学材料制成，如熔石英(JGS1)，轻冕玻璃(QK1、QK2、QK3)等光学材料。

由图5可知，本发明的光学系统中基本不存在像散，系统的畸变量控制在0.01％以下；由图6中可见，该光学系统的成像质量已经达到衍射极限。

值得注意的是，该光学系统尤其适合大口径的空间相机，焦距最好是在5000mm-15000mm，相对孔径为1∶8-1∶16之间，当光学系统的视场角小于1.6°时，光学系统的畸变量可以控制在0.01％以下，当光学系统的视场角大于1.6°但小于2.6°时，光学系统仍然可以控制在0.05％以下，光学系统基本无畸变，可以满足多光谱成像、立体成像和大比例尺地图测绘等对光学系统的需求。