一种大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统
技术领域
本发明涉及反射式望远光学系统，特别涉及一种大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统。
背景技术
望远光学系统主要包括三种光学结构，分别为折射式、反射式与折反射式望远系统，其中反射式望远系统能够实现宽波段探测与宽光谱成像，适应更加特殊与复杂的探测环境，比较典型的是两反结构的反射式望远光学系统。随着反射式望远光学系统中反射镜面型的发展，从常规球面、非球面到多优化自由度的光学自由曲面，加强了光学系统像差平衡能力，提高了光学系统的成像性能。离轴反射式望远光学系统克服共轴系统中心遮拦问题，使得更多能量进入到光学系统。
李旭阳等人于2018年在光子学报中提出基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计，利用光学自由曲面设计了一个长焦距、宽视场的三反射式空间相机，用于大宽幅推扫成像，但相对孔径较小；刘强等人于2019年在光子学报中提出大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计，基于高阶偶次非球面设计一个大视场离轴三反望远系统，但其镜面阶次达到六阶；Xie Y J等人于2019年在Applied Optics(应用光学)中提出Theoptical design and fabrication of an all-aluminum unobscured two-mirrorfreeform imaging telescope(一种全铝型无遮拦两反自由曲面成像望远系统的设计与制造)，设计并制造了一个基于铝镜的两反自由曲面成像望远系统，采用了高达七阶的XY多项式自由曲面。提高光学自由曲面的阶次虽然有助于校正系统的高阶离轴像差，但同时也增加了自由曲面反射镜面的加工与检测难度，并且上述现有技术难以兼容大相对孔径、宽视场、高成像性能与结构紧凑等关键要求。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种结构紧凑、宽视场的大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统。
技术方案：本发明所述的一种大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统，包括入射光瞳、观察反射镜、会聚反射镜和探测器，采用折转光路的形式，光线经过外置的入射光瞳后依次经过观察反射镜和会聚反射镜，到达探测器像面。
所述观察反射镜和会聚反射镜面型均为XY多项式自由曲面，且仅用前四阶项，减小了反射镜面加工与检测难度。
所述观察反射镜仅含有沿Y轴负方向的离轴量，无倾斜量，所述离轴量范围为80mm～100mm。
所述会聚反射镜包括离轴量和倾斜量，沿Y轴负方向的离轴量范围为260mm～300mm，绕X轴逆时针方向的倾斜量范围为45°～55°。
所述观察反射镜的上边缘与探测器像面的下边缘互不干涉。
所述会聚反射镜的上边缘与入射光瞳的下边缘互不干涉。
所述望远光学系统的F数范围为2.75～4.0，入瞳直径范围为70mm～90mm；对角全视场角范围为1.5°～3.5°；工作波长范围为486nm～656nm可见光波段。
所述探测器在486nm～656nm可见光波段上具有灵敏度。
所述望远光学系统采用分视场逐步拓展优化的方式，沿X轴正方向进行优化，中心视场的权重较大，边缘视场的权重较小。
所述望远光学系统，在全视场范围内，各个视场的像点半径均方根值均优于探测器单个像素大小10μm；在截止空间频率50lp/mm处，各个视场的MTF值均优于0.4。
所述望远光学系统，整体物理结构尺寸长度不超过300mm，宽度不超过100mm，高度不超过200mm，结构紧凑且小型化。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、采用孔径离轴的方式，提高系统集光能量；
2、利用分视场拓展优化，提升各个视场的成像性能；
3、结合XY多项式自由曲面的多优化自由度，仅用了前四阶项，有效地平衡了系统的离轴像差。
附图说明
图1为本发明的光路结构示意图；
图2为本发明实施例分视场逐步拓展优化的视场分布示意图；
图3为本发明实施例MTF曲线图；
图4为本发明实施例像点图。
具体实施方式
本实施例所述的大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统，图1为光路图，包括入射光瞳1、观察反射镜2、会聚反射镜3和探测器4，按照光线传播方向分布，光线经过入射光瞳1后，到达观察反射镜2并被观察反射镜2反射，然后到达会聚反射镜3并被反射，最终到达探测器4像面。
所述的望远光学系统工作波长为486nm～656nm可见光波段，系统的F数为3.75，入瞳直径为80mm，有效焦距为300mm，对角全视场角为2.8°。
观察反射镜2的上边缘与探测器4像面的下边缘相互不干涉；会聚反射镜3的上边缘与入射光瞳1的下边缘相互不干涉。观察反射镜2的顶点曲率半径为1345.932mm，光角度为正值；会聚反射镜3的顶点曲率半径为550.225mm，光角度为正值。观察反射镜2仅含有沿着Y轴负方向的离轴量，无倾斜量，离轴量大小为90mm；自由曲面会聚镜3既有离轴量又有倾斜量，沿着Y轴负方向的离轴量大小为280mm，绕X轴逆时针方向的倾斜量大小为48°。观察反射镜2和会聚反射镜3的口径尺寸不超过90mm，从探测器4像面上边缘到会聚反射镜3下边缘的纵向尺寸不超过200mm，从入射光瞳1到观察反射镜2下边缘的横向尺寸不超过280mm，系统整体物理结构尺寸长度不超过300mm，宽度不超过100mm，高度不超过200mm。
观察反射镜2和会聚反射镜3均采用XY多项式自由曲面，且仅用了前四阶项，观察反射镜2和会聚反射镜3采用的自由曲面数学表示，表达式如下：
式中c为自由曲面的曲率半径；k为自由曲面的二次曲面系数；aj为xmyn项的系数，m和n分别为预先设定的非负整数，且m+n≥1。观察反射镜2和会聚反射镜3面型参数如表1所示。
表1两反射镜面型参数
如图2视场分布示意图所示，本实施例中采用分视场逐步拓展优化的方式，沿着X轴正方向进行优化，包含了Y轴方向全视场，中心视场的优化权重较大，边缘视场的权重较小，实现了大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统的像差平衡，确保了系统的高成像质量。
如图3本实施例的MTF曲线图所示，自由曲面望远光学系统在全光瞳范围内截止空间频率50线对每毫米处，各个视场的MTF值均优于0.4，成像质量优良。
如图4本实施例像点图所示，光学像点半径均方根值均优于10μm，匹配探测器4单个像素大小，成像质量满足要求。
