CN101738714B - 一种可消杂光的卡塞格林及其改进型成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种可消杂光的卡塞格林及其改进型成像系统

技术领域

本发明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。

背景技术

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1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0.46μm至0.87μm，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GOES-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3.9μ、6.75μ、10.7μ和12μ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 evolutionary development，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47mm)和全视场(像高67mm)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83一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L₁、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f₀的边缘点决定，由主镜开孔直接入射到焦平面f₀的杂散光被L₁、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L₁、L₂和L₃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L₁、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。

发明内容

本发明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。

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，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D₁；

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：D₁≥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，那么此时本发明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统。

为了实现本发明的目的，附加消光筒的直径(包括大口端的直径以及小口端的直径)、附加消光筒的筒壁相对光轴的倾斜角度、附加消光筒在次镜遮光筒和主镜遮光筒之间的轴向位置都要满足一定的条件。

关于D₁≥D₂₂＞D₂₁＞D₃说明如下：

由于附加消光筒的母线延长线通过主镜的焦点，那么即附加消光筒靠近次镜的一端直径略小，为小口端，同理附加消光筒靠近主镜的一端直径略大，为大口端，为了保证外部光线最大限度入射到主镜的反射面，所以要求附加消光筒的大口端直径D₂₂小于等于次镜遮光筒的外径D₁，否则的话，超出次镜遮光筒外径的部分就会阻挡有效光线进入主镜的反射面，继而影响成像。

正如前面所述，附加消光筒的筒壁所围成的空间为圆台形，即一边为小口端，一边为大口端，那么附加消光筒的靠近主镜一端的外径D₂₂就必然大于附加消光筒的靠近次镜一端的内径D₂₁。

最后要求附加消光筒的小口端内径D₂₁大于主镜遮光筒的靠近次镜一端的内径D₃，是为了保证从次镜的反射面进入主镜的中心圆孔内的有效光线不被阻挡。

附加消光筒的母线延长线通过主镜的焦点，是为了保证从主镜的反射面入射到次镜的反射面的有效光线尽量少被阻挡，即附加消光筒的筒壁与筒壁位置处的从主镜的反射面入射到次镜的反射面的轴上有效光线平行，就轴上光而言，理论上只有附加消光筒的厚度会阻挡少部分的有效光线，那么为了最大限度减少附加消光筒对有效光线的阻挡，附加消光筒的壁厚尽可能的小。

附加消光筒选择合适的直径以及筒壁角度可以保证有效光线的通过，那么附加消光筒的高度(沿光轴方向上的长度)以及相对光轴的位置则需要满足将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这部分光线(杂散光)阻挡。在实际操作中通过现有的光路模拟软件可以方便地确定满足所有条件的附加消光筒的形状和位置。结合光路，我们可以做如下描述来确定附加消光筒在阻挡全部杂散光的前提下需要满足的条件：

附加消光筒小口端的边缘上的任意一个待定位点应该位于参考线上；所述的参考线通过如下两点来确定：

第一点为像面或后继光学系统的通光孔上的第一边缘点；

第二点是次镜遮光筒朝向主镜一侧的外沿上第二边缘点；

所述的第一边缘点、第二边缘点及小口端的待定位点位于同一子午面上，且第二边缘点与小口端的待定位点位于光轴的同侧，第一边缘点位于光轴的另一侧。

通过以上方法可以在一个子午面上得到附加消光筒小口端的边缘上一个待定位点，以此类推可以得到所有子午面上的附加消光筒小口端的边缘点，也就确定了小口端的边缘的位置范围。

附加消光筒大口端的边缘上的任意一个待定位点应该位于第二参考线上；

所述的第二参考线通过如下两点来确定：

第一点为像面或后继光学系统的通光孔上的第三边缘点；

第二点是主镜遮光筒朝向次镜一侧的外沿上第四边缘点；

所述的第三边缘点、第四边缘点及大口端的待定位点位于同一子午面上，且第四边缘点与大口端的待定位点位于光轴的同侧，第三边缘点位于光轴的另一侧。

通过以上方法可以在一个子午面上得到附加消光筒大口端的边缘上一个待定位点，以此类推可以得到所有子午面上的附加消光筒大口端的边缘点，也就确定了大口端的边缘的位置范围。

根据附加消光筒的母线延长线通过主镜的焦点以及D₁≥D₂₂＞D₂₁＞D₃这两个原则就可以确定附加消光筒筒壁的形状。

当然由于仅仅是确定了小口端的边缘的位置范围以及大口端的边缘的位置范围那么附加消光筒的母线并非唯一确定，而是一个范围，但只要附加消光筒的母线满足了以上的条件，就可以保证阻挡全部杂散光进入像面，同时最大限度避免阻挡有效光线的成像。

本发明带有消杂光装置的卡塞格林及其改进型成像系统除充分利用次镜遮光筒和主镜遮光筒的功能外，取消了主镜的外遮光罩，以较简单的附加消光筒将通过主镜中心开孔直接进入系统并能到达像面的杂光遮拦掉，也就是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。

附图说明

图1是卡塞格林系统光路示意图。

图2是一种焦距为6.6m的长焦距卡塞格林改进型系统光路示意图。

图3是美国发射的GOES系列卫星GOES-J上的多光谱成像仪光学系统示意图。

图4是我国风云四号扫描成像仪光学系统示意图。

图5是图2所示光学系统不考虑中心遮拦时的混合色光MTF曲线图。

图6是图2所示光学系统在有中心遮拦时的混合色光MTF曲线图。

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示意图。

图8是利用遮光罩、主镜遮光筒和次镜遮光筒的防漏光措施示意图。

图9是对图7所示系统采用了图8所示措施后的成像光和漏光光线追迹结果示意图。

图10是百页窗式次镜遮光罩原理图。

图11是一个卡塞格林改进型光学系统的光路图。

图12是本发明对图11所示系统确定主、次镜遮光筒并确定附加消光筒的步骤示意图。

图13是本发明装置主视图和左视图。

具体实施方式

如附图13所示，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、次镜遮光筒1和主镜遮光筒4，其中主镜7与次镜6同光轴布置，主镜7带有中心圆孔8，主镜遮光筒4位于主镜7的中心圆孔8处，次镜遮光筒1套在次镜6的外边缘，在次镜遮光筒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；消杂光装置由次镜遮光筒1、主镜遮光筒4和附加消光筒2组成，次镜遮光筒1、主镜遮光筒4和附加消光筒2均以光轴为对称轴。

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；

消杂光装置由次镜遮光筒、主镜遮光筒和单个附加消光筒组成。附加消光筒位于主镜的反射光路中，并且不得拦截主镜的入射光和次镜的反射光。附加消光筒2的母线通过以下4个步骤来确定：

1)如附图11所示，在光学系统设计完成、达到成像质量要求后，采用通用光学设计软件以密集光线追迹(子午光线600条以上，图11为表示清楚每个视场只画出了18条光线)作出含有光线的系统子午面二维图，找出光线无遮挡情况下次镜遮光筒允许向右伸入的最远点A和A’、主镜遮光筒允许向左伸入的最远点B和B’、主镜开孔沿直径方向的两端点C和C’、后继光学系统的第一个面通光孔(如果没有后继光学系统，就为系统像面)沿直径方向的两端点D和D’。

2)如附图12所示，画出光路中各镜之间最外围的光线EFGCD，其中G为次镜的边缘点，F为主镜的边缘点，根据A、A’、B、B’和C、C’的位置，在含光轴的纵截面(即子午面)上画出主镜遮光筒、次镜遮光筒和主镜开孔。画出最内圈光线AT与主镜交于T。F₁’点为主镜的焦点。则区域AGBT内只有经主镜反射向焦点F₁’会聚的光线，可以在此区域设置附加消光筒，附加消光筒的母线应沿光线方向，使拦光最少且不影响其他光路。

3)如附图12所示，连接BD’并延长与入射于主镜的最内圈光线AT相交于Q点，连接AD’与光线GCD相交于R点。

4)如附图12所示，连接F₁’Q与AD’相交于P点，连接F₁’R并延长与直线QD’相交于S点，则附加消光筒的母线应位于PQSR区域内并沿光线方向。如果母线为PQ，将其绕光轴转一周即为附加消光筒的外壁；如母线为RS，将其绕光轴转一周即为附加消光筒的内壁。附加消光筒的厚度在满足机械结构强度与加工要求的前提下尽量薄，用三根支撑杆3与次镜消光筒1和主镜镜框5相连，如附图13所示，其中5为主镜镜框。

如上述方法确定的附加消光筒2的大口端的外径小于等于次镜遮光筒1的外径，附加消光筒2的小口端的内径大于主镜遮光筒4的内径。

该附加消光筒将完全消除未经主、次镜反射且未被主、次镜遮光筒拦截可以直接通过开孔CC’到达像面的杂散光，且对两次反射成像的有效光的阻挡为最少。

Claims (2)

1.一种带有消杂光装置的卡塞格林改进型成像系统，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D₁；

附加消光筒(2)的靠近次镜(6)一端的内径为D₂₁；

附加消光筒(2)的靠近主镜(7)一端的外径为D₂₂；

主镜遮光筒(4)的靠近次镜(6)一端的内径为D₃；

且满足：D₁≥D₂₂＞D₂₁＞D₃。

2.如权利要求1所述的卡塞格林改进型成像系统，其特征在于：所述的附加消光筒(2)的小口端的边缘上任意一个待定位点位于参考线上；所述的参考线通过如下两点来确定：

第一点为像面或后继光学系统的通光孔上的第一边缘点；

第二点是次镜遮光筒(1)朝向主镜(7)一侧的外沿上第二边缘点；

所述的第一边缘点、第二边缘点及小口端的待定位点位于同一子午面上，且第二边缘点与小口端的待定位点位于光轴的同侧，第一边缘点位于光轴的另一侧；

附加消光筒(2)的大口端的边缘上的任意一个待定位点位于第二参考线上；

所述的第二参考线通过如下两点来确定：

第一点为像面或后继光学系统的通光孔上的第三边缘点；

第二点是主镜遮光筒(4)朝向次镜(6)一侧的外沿上第四边缘点；

所述的第三边缘点、第四边缘点及大口端的待定位点位于同一子午面上，且第四边缘点与大口端的待定位点位于光轴的同侧，第三边缘点位于光轴的另一侧。

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