一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法技术

本发明专利技术涉及一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，属于望远镜设计技术领域。本发明专利技术的设计方法包括以下步骤：根据应用需求确定焦距值f与像面曲率半径；根据包络尺寸要求或者镜面位置需求，确定主镜与次镜的间隔d1，次镜与三镜的间隔d2，三镜与像面的间隔d3；根据f，，d1，d2，d3，计算出主镜、次镜和三镜的曲率半径r1，r2和r3；根据r1，r2和r3的计算结果，计算出主镜、次镜和三镜的二次曲面系数k1，k2和k3。应用本发明专利技术的设计方法，在光学设计之前就可以确定每个反射镜和像面的位置与曲率半径，将位置参数和曲率半径参数直接代入到方程中可直接得到所需的设计解，无须迭代计算，极大提高了设计效率。大提高了设计效率。大提高了设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法


[0001]本专利技术涉及望远镜设计
，特别涉及一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法。

技术介绍

[0002]三反消像散光学系统能够同时校正球差、彗差、像散和场曲四种初级像差，因此可以在较大的视场内实现衍射受限的成像质量，并且可以实现紧凑的设计。自20世纪70年代三反消像散望远镜的设计理念被提出以来，其在遥感、天文探测领域应用愈加广泛。
[0003]Cooke式三反是经典的Cooke三片式光学系统的反射形式，由于其对称性，可以很好的校正轴外像差，具有较大的视场角。Cooke式三反非常适合空间大视场遥感应用。
[0004]球像场Cooke式三反消像散望远镜的像面为球面，球像场的好处是可以在像面前设置稳像镜，可以极大降低系统稳像过程中产生的离焦像差，例如美国的詹姆斯韦伯望远镜的光学设计就采用了球像场方案[James Contreras and Paul Lightsey, "Optical design and analysis of the jame webb space telescope: optical telescope element," Proc. SPIE 5524, 30
‑
41 (2004)]。
[0005]针对球像场三反消像散光学系统的设计方法，Ma[Hongcai Ma, Guohao Ju, Xiaoquan Bai, "Optical design method of threemirror anastigmatic (TMA) telescopes with curved image surface for astronomy applications," Proc. SPIE 11570, AOPC 2020: Telescopes, Space Optics, and Instrumentation, 115700Z (5 November 2020); doi:10.1117/12.2583206]提出可以通过建立反射镜曲率与镜间隔的关系方程，再代入到反射镜遮拦比和放大率关系式、赛德尔像差方程中，联立求解，得到一个平像场三反的初始结构。然后，通过设置所需要像面曲率半径后，再利用上述方程。经多次迭代，让像面曲率半径逐渐逼近所需值，最终得到所需的球像场三反消像散光学系统的数值解。Ma的设计方法中有数值计算过程，为了得到所需的像面曲率半径，需要多次迭代计算，方能得到系统的设计解，计算效率仍有提升空间。
[0006]中国专利文献CN111367075B提出了一种镜间隔为自由设计参量的平像场三反消像散望远镜设计方法，在光学设计之处就可以确定每个反射镜和像面的位置，为光学设计者预先对光学系统体积与尺寸包络进行限定提供了方便。同时也给出了多种光焦度组合形式的解析解，有助于平像场三反消像散系统的快速设计。中国专利文献CN111367075B公开的方案可以针对平像场Cook式三反消像散望远镜进行快速解析设计，但满足不了球像场设计的需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决现有技术中的技术问题，提供一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0009]一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，该设计方法以镜间隔为自由设计参量，包括以下步骤：
[0010]步骤i：根据应用需求确定该Cooke式球像场三反消像散望远镜的焦距值f与像面曲率半径；
[0011]步骤ii：根据该Cooke式球像场三反消像散望远镜的包络尺寸要求或者镜面位置需求，分别确定：主镜与次镜的间隔d1，次镜与三镜的间隔d2，以及三镜与像面的间隔d3；
[0012]步骤iii：根据该Cooke式球像场三反消像散望远镜的焦距值f，像面曲率半径，主镜与次镜的间隔d1，次镜与三镜的间隔d2，以及三镜与像面的间隔d3，分别计算出主镜、次镜和三镜的曲率半径r1，r2和r3：
[0013]；
[0014]；
[0015]；
[0016]步骤iv：根据主镜、次镜和三镜的曲率半径r1，r2和r3的计算结果，分别计算出主镜、次镜和三镜的二次曲面系数k1，k2和k3：
[0017]；
[0018]；
[0019]。
[0020]在上述技术方案中，该Cooke式球像场三反消像散望远镜的三级球差为零表示为：
[0021]；
[0022]该Cooke式球像场三反消像散望远镜的三级彗差为零表示为：
[0023]；
[0024]该Cooke式球像场三反消像散望远镜的三级像散为零表示为：
[0025]；
[0026]其中，s
pr1
为入瞳到主镜的距离，u
pr1
为边缘视场主光线倾角，y1为轴上视场边缘光线在主镜上的交点高度。
[0027]在上述技术方案中，近轴边缘光线在像面上的交点高度为零表示为：
[0028]。
[0029]在上述技术方案中，该Cooke式球像场三反消像散望远镜的焦距值f满足：
[0030]。
[0031]在上述技术方案中，该Cooke式球像场三反消像散望远镜的像面曲率半径，与主镜、次镜和三镜的曲率半径r1，r2和r3之间满足：
[0032] 。
[0033]本专利技术具有以下有益效果：
[0034]应用本专利技术的以镜间隔为自由设计参量的Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，在光学设计之前就可以确定每个反射镜和像面的位置与曲率半径，将位置参数和曲率半径参数直接代入到方程中即可直接得到所需的设计解，无须迭代计算，极大的提高了设计效率。
[0035]本专利技术的以镜间隔为自由设计参量的Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，解决了现有设计方法无法设计弯曲像场系统，以及需要迭代计算的问题，为光学设计者预先对Cooke式球像场三反光学系统体积与尺寸包络进行限定提供了方便。
附图说明
[0036]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
[0037]图1为本专利技术的以镜间隔为自由设计参量的Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法的步骤流程示意图。
[0038]图2为Cooke式球像场三反消像散望远镜的光学系统示意图。
[0039]图3为依据本专利技术的设计方法设计的Cooke式球像场三反消像散望远镜的视场vs.波像差关系示意图。
[0040]图中的附图标记表示为：
[0041]1‑
主镜；2
‑
次镜；3
‑
三镜；4
‑
像面。
具体实施方式
[0042]本专利技术的专利技术思想为：本专利技术的以镜间隔为自由设计参量的Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，利用近轴光线追迹和赛德尔像差理论，将三反消像散望远镜一阶...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，该设计方法以镜间隔为自由设计参量，其特征在于，包括以下步骤：步骤i：根据应用需求确定该Cooke式球像场三反消像散望远镜的焦距值f与像面（4）曲率半径；步骤ii：根据该Cooke式球像场三反消像散望远镜的包络尺寸要求或者镜面位置需求，分别确定：主镜（1）与次镜（2）的间隔d1，次镜（2）与三镜（3）的间隔d2，以及三镜（3）与像面（4）的间隔d3；步骤iii：根据该Cooke式球像场三反消像散望远镜的焦距值f，像面曲率半径，主镜（1）与次镜（2）的间隔d1，次镜（2）与三镜（3）的间隔d2，以及三镜（3）与像面（4）的间隔d3，分别计算出主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）的曲率半径r1，r2和r3：；；；步骤iv：根据主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）的曲率半径r1，r2和r3的计算结果，分别计算出主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）的二次曲面系数k1，k2和k3：；；。2.根据权利要求1所述的Cooke式球像场三反消像散望远镜设计方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：