一种可消杂光的卡塞格林及其改进型成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种带有消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统，包括反射面为凸面的次镜、反射面为凹面的主镜、主镜遮光筒和套在次镜的外边缘的次镜遮光筒，其中主镜与次镜同光轴布置，主镜带有中心圆孔，主镜遮光筒位于主镜的中心圆孔处，在次镜遮光筒和主镜遮光筒之间设有用于防止光线从次镜遮光筒和主镜遮光筒之间穿过主镜的中心圆孔进入像面的附加消光筒，附加消光筒的筒壁所围成的空间为圆台形、轴线与主镜或次镜的光轴重合，附加消光筒的母线延长线通过主镜的焦点。本发明专利技术仅仅附加一个消光筒即实现了对系统漏光的完全拦截，使整个系统的重量和体积大为减小，减小载荷，适用性强且结构简单，设计方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种卡塞格林及其改进型成像系统，尤其涉及一种带有消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统。
技术介绍
卡塞格林系统是一种同轴反射式系统，可以在较短的总长度下获得相当长的焦距，由两个反射镜组成，分别称为主镜和次镜，如图l所示。主镜是抛物面或近似抛物面，次镜是双曲面。物方光线先经主镜反射，再经次镜反射并通过主镜的中心开孔到达像面成像。 如图1所示的卡塞格林系统只有对轴上光才能完善成像，对轴外光成像即使视场很小也将有明显像差。为了提高轴外光的成像质量，设计者通常在卡塞格林型的基础上作一些改进，如在主、次镜之后加后继光学系统，其中可包括折射元件和反射元件，如图2所示即为加了后继折射系统的一种改进型。这种改进型可以大大提高轴外光的成像质量，使全视场的成像质量基本接近衍射极限。图2所示的系统焦距长达6. 6m的，像高达67mm，波长范围为0. 46 ii m至0. 87 ii m，总长只有1. 22m，次镜的面积遮拦比(被遮拦的中心光斑面积与主镜通光直径决定的总入射光斑面积之比)为12.8%。 卡塞格林及其改进型结构与全折射系统相比，具有长焦距下结构紧凑的特点，在天文望远镜、长焦距摄影物镜、激光天线、空间遥感高分辨成像等领域具有广泛应用，是长焦距、高分辨空间相机中的主流。1995年5月美国发射了第3代GOES系列卫星G0ES-J，其上的成像仪是当时最典型和最先进的成像仪，包括可见光以及中心波长为3.9ii 、6. 75 ii 、10. 7 ii和12 ii的红外波段共5个通道，其前端是卡塞格林系统，光学系统如图3所示(Kathleen A. Hursen and Robert W. Ross， The GOES Imager :overviewand evolutionarydevelopment,Proc. ofSPIE， 1996， 2812 :160-173)。我国的风云四号扫描成像仪光学系统也由二维扫描指向镜43、主光学系统(卡塞格林望远镜，包括次镜41和主镜42)和近红外光路44、可见光探测器45等组成，如图4所示(李晓坤，王淦泉，陈桂林，风云四号气象卫星扫描成像仪，科学技术与工程，2007， 7 (6) :993-996， 1003)。 由于该类系统主、次镜之间的位置关系，入射于主镜的光靠近中心的一部分会被次镜及其镜筒所遮拦，称为中心遮拦，实际参与成像的光束是一环形光束。中心遮拦减小了实际通过的光束孔径，不仅光能透过率降低，而且导致衍射极限下降，成像的调制传递函数(MTF)会出现中频下降。图5是图2所示的卡塞格林改进型系统不考虑中心遮拦时的MTF曲线，包括中心视场(0mm) 、0. 7视场(像高47咖)和全视场(像高67咖)的子午(Tangential,图中标为T)和弧矢(Sagittal,图中标为S)混合色光的MTF曲线，包括衍射极限(DIFF.LIMIT)。图6是图2所示的系统考虑中心遮拦时的MTF曲线，可见曲线的中频部分有明显下降。根据光学基本理论可知，拦掉的光越多，MTF的中频下降越严重，成像质量越差。因此从成像质量的角度，希望中心遮拦小。 正常成像光束须经主、次镜各反射一次。当中心遮拦较小时，由于主镜必存在开孔，可能使未经反射的光直接通过主镜开孔到达像面，或通过主镜开孔后经过后继光学系统传播到达像面，在像面形成亮的背景，这就是卡塞格林及其改进型系统的漏光杂散光。图7是一种卡塞格林改进型系统未采取防漏光措施时对成像光和未经主、次镜反射的密集光线追迹计算结果，可见在某特定角度范围内的光可以通过主镜开孔进入系统，并经后面的光学系统传到像面。 遮光罩是研究人员首先采用的消杂光方法，它是主镜外围伸出的喇叭型圆筒，如图8所示，遮光罩81和主镜遮光筒83、次镜遮光筒82组合形成了防止漏光的屏障。主、次镜遮光筒不能太长，其长度要以不会拦掉正常成像光为原则。当相对孔径一定时，焦距越长，主镜越大，遮光罩81也就越大，从而增大重量和体积，这对于长焦距高分辨空间光学系统来说是非常不利的。对于图8所示的情况，连接子午面上光轴同侧遮光罩81的入口边缘(图8中的左边缘)和主镜遮光筒83靠近次镜一端的边缘画一直线，只要次镜遮光筒82在光轴同侧靠近主镜遮光筒83 —端的边缘未到达该直线的位置，则仍有入射光可不经反射直接进入主镜开孔，其中通过后继光学系统到达像面的已在图9中依计算结果画出，可见仍有漏光。如要完全消除漏光需要大大加长遮光罩81，而这是不现实的。 近期研究人员提出了一种百页窗式次镜遮光罩，其原理如图10所示(钟兴，张雷，金光，反射光学系统杂散光的消除，红外与激光工程，2008， 37 (2) :316-318)。百页窗由同轴的圆筒k、 L2和L3组成，其两端边缘点分别由主镜焦平面边缘点B和卡塞格林系统焦平面f。的边缘点决定，由主镜开孔直接入射到焦平面f。的杂散光被1^、L2和L3配合阻拦。利用这种方式在不增加主镜外镜筒遮光罩长度的前提下，使一个卡塞格林系统的直径遮拉比由45%下降到了 36%，相应的面积遮拦比由20%下降到13%。由于1^丄2和1^均需要相应的固定结构，使结构比较复杂。直接采用卡塞格林系统像面边缘来决定k、 L2和L3的边缘点没有考虑到该像面不一定是系统的最终像面，对于存在后继光学系统的卡塞格林系统改进型，这种方法应利用前端卡塞格林系统所成的中间像，而这个中间像有很大的像差，通过该像面的杂光不一定能通过后继系统，反之射到该像面边缘以外的杂光也有可能通过后继系统的折射到达最终像面。
技术实现思路
本专利技术提供一种带有单筒结构、载荷小、适用性强，能最大限度地遮挡杂散光，通过有效光的消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统。 —种带有消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统，包括反射面为凸面的次镜、反射面为凹面的主镜、主镜遮光筒和套在次镜的外边缘的次镜遮光筒，其中主镜与次镜同光轴布置，主镜带有中心圆孔，所述的主镜遮光筒位于主镜的中心圆孔处，在所述的次镜遮光筒和主镜遮光筒之间设有用于防止光线从次镜遮光筒和主镜遮光筒之间穿过主镜的中心圆孔进入像面的附加消光筒； 所述的附加消光筒的筒壁所围成的空间为圆台形，附加消光筒的轴线与主镜或次镜的光轴重合，附加消光筒的母线延长线通过主镜的焦点； 次镜遮光筒的外径为D。 附加消光筒的靠近次镜一端的内径为D21 ; 附加消光筒的靠近主镜一端的外径为D22 ; 主镜遮光筒的靠近次镜一端的内径为D3 ; 且满足D! > D22 > D21 > D3。 设置附加消光筒的主要目的就是阻挡杂散光进入像面，影响最终的成像效果，不仅如此还要保证附加消光筒对入射于主镜的有效光线的阻挡为最少，否则的话也会影响成像的效果。 所述的杂散光就是指从次镜遮光筒和主镜遮光筒之间穿过主镜的中心圆孔进入像面的光线；而用于成像的有效光线首先是入射到主镜的反射面，经主镜和次镜依次反射后穿过主镜的中心圆孔。 对于传统的卡塞格林系统而言，有效光线通过主镜的中心圆孔后就形成了像面，那么我们要防止杂散光直接进入像面。 对于改进型卡塞格林系统而言，由于带有主次镜的后继光学系统，有效光线需要经过该后继光学系统后再形成像面，那么此时本专利技术所述的阻挡杂散光进入像面也是指阻挡杂散光进入后继光学系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统，包括反射面为凸面的次镜（６）、反射面为凹面的主镜（７）、主镜遮光筒（４）和套在次镜（６）的外边缘的次镜遮光筒（１），其中主镜（７）与次镜（６）同光轴布置，主镜（７）带有中心圆孔（８），所述的主镜遮光筒（４）位于主镜（７）的中心圆孔（８）处，其特征在于：在所述的次镜遮光筒（１）和主镜遮光筒（４）之间设有用于防止光线从次镜遮光筒（１）和主镜遮光筒（４）之间穿过主镜（７）的中心圆孔（８）进入像面的附加消光筒（２）；所述的附加消光筒（２）的筒壁所围成的空间为圆台形，附加消光筒（２）的轴线与主镜（７）或次镜（６）的光轴重合，附加消光筒（２）的母线延长线通过主镜（７）的焦点；次镜遮光筒（１）的外径为Ｄ↓［１］；附加消光筒（２）的靠近次镜（６）一端的内径为Ｄ↓［２１］；附加消光筒（２）的靠近主镜（７）一端的外径为Ｄ↓［２２］；主镜遮光筒（４）的靠近次镜（６）一端的内径为Ｄ↓［３］；且满足：Ｄ↓［１］≥Ｄ↓［２２］＞Ｄ↓［２１］＞Ｄ↓［３］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：岑兆丰，李晓彤，徐之海，冯华君，李奇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]