一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统的制作方法

1.本发明属于天文仪器领域，具体涉及一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统。


背景技术：

2.20世纪以来，国际天文界加大了对外太空的探索力度，众多的大型光学望远镜应运而生，大口径地基光学望远镜和空间望远镜等相关技术都得到了极大的发展。当前在国际上主流的大口径折反式望远镜主要分为三大类：卡塞格林加改正镜类型、schmidt类型、主焦点类型。卡塞格林加改正镜类型方面，sloan巡天望远镜、pan-starrs和西班牙的jst望远镜皆为此种类型，为主镜副镜加改正镜组成双反射卡焦系统，系统焦比在f3～f5之间；批量生产的例如意大利officina stellare公司rifast 600型望远镜，为主镜副镜加改正镜组的光学系统，最大可以实现约2.1
°
视场。schmidt类型方面，美国0.95米口径kepler mission望远镜、1.2米uk schmidt望远镜、1.22米zwicky transient facility望远镜、1.2米中国盱眙近地天体搜寻望远镜、0.5米中国南极巡天望远镜都为此种类型。主焦点类型方面，美国的暗能量光谱仪desi，在4米望远镜主焦点加4片改正镜和2片大气色散改正镜组成，可实现5
°
超大视场；国内在研的0.7米口径masta大视场望远镜、2.5米口径wft望远镜均属于主焦点式望远镜。
3.当前在研的新一代大视场光学望远镜中主焦点式望远镜占据着重要位置，这不仅体现出大视场光学望远镜的未来发展趋势，更是展示出主焦点望远镜在该领域的重要地位。成像质量是光学望远镜的主要性能指标，对于主焦点成像系统而言，光学系统设计、光学元件加工精度、系统装调精度等都会直接影响光学系统成像质量，从而限制天文探测精度。传统的主焦点系统，主镜为抛物面，大视场轴外像差主要依靠后续镜组矫正，若后续镜组材料选择、光学结构搭配、光焦度均匀化等细节优化不到位，会导致主焦点光学系统的某个元件对公差非常灵敏，而另一些元件的公差特别宽松，从而导致整个系统的公差灵敏度太大，对后续的加工装调工作带来不利影响。
4.因此，从光学设计阶段控制大视场主焦点系统的公差灵敏度，合理分配光学元件加工精度、装调精度是望远镜设计的关键步骤。低公差灵敏度的主焦点光学系统，可以使实际装调出的系统成像性能更贴近理论设计成像性能，提高光学系统容差能力；主焦点系统视场大，光学元件数量较多，低公差灵敏度的主焦点光学系统，可简化装调步骤，降低系统的装调复杂度；另外，低公差灵敏度的望远镜系统，能更好适应野外台址的恶劣环境，如大风天气、地面施工震动等，望远镜光学元件即使因各种偶然或意外情况发生微小失调，系统仍然能够保持成像优良，从而提高探测精度。总之，低公差灵敏度光学系统，公差要求宽松，可以更好抵抗误差引起的像质退化，降低制造成本，提高光学系统可实现性。


技术实现要素：

5.本发明设计了一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，在主焦点光学系统
确保大视场成像优良的情况下，同时实现加工装配公差灵敏度较低。通过分析像差在各个光学表面的分布情况，优化特殊玻璃材料的位置和结构参数以及光学元件光焦度，实现各个光学表面像差贡献量平均化，从而降低加工装调公差灵敏度。
6.本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，包括：主镜、改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f、焦面；其中，光线由所述主镜反射、依次透过改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f到达所述焦面；
8.所述主镜为凹非球面反射镜，材料为sic或玻璃材料，面形为二次双曲面或高次非球面，面形由如下公式确定，
[0009][0010]
式中，c为顶点曲率，k为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的失高。
[0011]
与抛物面相比，所述主镜为二次双曲面或者高次非球面，可为轴外(如
±3°
)视场处留有部分球差，与后续改正镜组像差形成正负抵消以平衡全视场像差。所述主镜的顶点曲率半径r与口径d，符合关系式：1.5＜r/2d＜1.7，此时主镜加工去除量适中在0.03mm(主镜口径700mm)左右，加工环带与常规加工工具尺寸匹配，利于提高主镜加工效率。所述主镜的顶点曲率半径不宜过大，过大会导致改正镜组口径增大，造成中心遮拦大，降低系统效率。
[0012]
所述改正镜a为正弯月透镜，其中凹面曲率半径大于凸面曲率半径，r凹/r凸≈3，此时的正弯月透镜边缘薄中心厚，凸面朝向主镜，可使光线发生会聚，减小轴外高级球差，在不引入球差的情况下增大系统相对孔径；
[0013]
所述改正镜b为负弯月透镜，凸面曲率半径大于凹面曲率半径，r凸/r凹≈3，中心薄边沿厚，凸面朝向主镜，可使入射光线最大限度发散。
[0014]
所述改正镜a与改正镜b一正一负相互配合，初步平衡轴外球差、彗差、象散等，材料均选用折射率稳定、应力小、均匀性好、尺寸大的材料h-k9l(或者n-bk7、石英等冕牌玻璃)，此类材料性能良好，价格适中，且加工工艺性能好，是低公差敏感设计的首选材料。
[0015]
所述改正镜c为光焦度较小，f数(f#)在10.5～12.5之间的高色散玻璃透镜，光焦度可正可负，此处引入的改正镜c不参与过多单色像差矫正，主要用于不同波段产生大色差值，与正负弯月透镜组合为后续消色差做准备。高色散的火石玻璃材料大多短波透过率衰减严重，设计时需选取透过率较高的材料。
[0016]
所述改正镜a与改正镜b材料基本位于玻璃线上。
[0017]
所述改正镜c的材料位于玻璃线左侧，为正偏离玻璃。
[0018]
所述改正镜d为负透镜，处于改正镜组中间位置，折射率和色散系数均处于整个玻璃线中间位置，材料多为镧系火石玻璃。
[0019]
所述改正镜d的材料均位于玻璃线右侧，为负偏离玻璃。
[0020]
所述改正镜c与改正镜d材料一正一负相互配合，提高消色差能力。
[0021]
所述改正镜e为双凸厚透镜，材料为低折射率低色散特殊玻璃，与前述透镜形成复消色差组合。
[0022]
所述改正镜f为双凸厚透镜，材料为低折射率低色散特殊玻璃，靠近焦面位置，不
仅与前述材料配合复消色差，还起到平场作用，矫正场曲。
[0023]
所述改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f形成高低折射率、高低色散参数搭配，配合不同透镜结构，发挥最大色差矫正能力，光学元件参数合理，确保加工工艺性好。
[0024]
所述改正镜a至改正镜e，两片透镜间隔在20～50mm之间，没有小于10mm的过小间隔，导致小间隔公差敏感；也不至于间隔过大影响定心装调。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0026]
1、本发明提供了一种低公差灵敏度、大视场、主焦点望远镜光学系统，该系统为折反射式光学系统，中心遮拦小，成像质量好；
[0027]
2、本发明中的主镜为双曲面或者高次非球面，在设计过程中精确控制主镜的加工去除量，最大非球面度仅为0.03mm左右，加工周期短，且易实现高精度检测。
[0028]
3、本发明的主焦点光学系统，能在6
°
大视场和0.4um～0.9um波段范围内实现80％能量集中于直径8um内的高成像质量；
[0029]
4、本发明的改正镜组公差灵敏度低，同一视场光线，在各元件表面出射/入射角在10
°
～15
°
之间逐级收敛，变化范围小，光线走势平滑，像差矫正量分配均匀，没有突出公差敏感点；
[0030]
5、本发明的改正镜组各镜片间隔适中，没有小间隙误差，既能很好的平衡像差，又兼顾装调时垫圈的修磨和定心装调时的量程；
[0031]
6、本发明的改正镜组，最大透镜口径达340mm，最大两片选用k9玻璃(或者石英玻璃)，材料性能好，工艺性能好，获取方便，可降低改正镜组成本；
[0032]
7、与现有的主焦点望远镜相比，本发明的主焦点光学系统提升了成像质量，降低了公差灵敏度，能更好的适应野外台址的恶劣环境，如大风天气、地面施工震动等。
[0033]
8、本发明的低公差灵敏度光学系统，公差要求宽松，可以更好抵抗误差引起的像质退化，降低制造成本，提高光学系统可实现性。
附图说明
[0034]
图1为本发明光学结构示意图；
[0035]
图2为本发明实施例一光路图；
[0036]
图3为本发明实施例一点列图；
[0037]
图4为本发明实施例一能量集中度图；
[0038]
图5为本发明实施例一公差分析后能量集中度扰动图。
[0039]
图中标记：1-主镜；2-改正镜a；3-改正镜b；4-改正镜c；5-改正镜d；6-改正镜e；7-改正镜f；8-焦面。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0041]
本发明一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，包括：主镜1、改正镜a2、改正镜b3、改正镜c4、改正镜d5、改正镜e6、改正镜f7、焦面8；其中，光线由所述主镜反射、依次透过改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f到达所述焦面。
[0042]
其中，主镜为凹非球面反射镜，材料为sic或玻璃材料，面形为二次双曲面或高次
非球面，面形由如下公式确定，
[0043][0044]
式中，c为顶点曲率，k为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的失高。
[0045]
与抛物面相比，所述主镜为二次双曲面或者高次非球面，可为轴外(如
±3°
)视场处留有部分球差，与后续改正镜组像差形成正负抵消以平衡全视场像差。所述主镜的顶点曲率半径r与口径d，符合关系式：1.5＜r/2d＜1.7，此时主镜加工去除量适中在0.03mm(主镜口径700mm)左右，加工环带与常规加工工具尺寸匹配，利于提高主镜加工效率。所述主镜的顶点曲率半径不宜过大，过大会导致改正镜组口径增大，造成中心遮拦大，降低系统效率。
[0046]
其中，改正镜a为正弯月透镜，其中凹面曲率半径大于凸面曲率半径，r
a凹
/r
a凸
≈3，此时的正弯月透镜边缘薄中心厚，凸面朝向主镜，可使光线发生会聚，减小轴外高级球差，在不引入球差的情况下增大系统相对孔径；
[0047]
其中，改正镜b为负弯月透镜，凸面曲率半径大于凹面曲率半径，r
b凸
/r
b凹
≈3，中心薄边沿厚，凸面朝向主镜，可使入射光线最大限度发散。
[0048]
所述改正镜a与改正镜b材料基本位于玻璃线上。
[0049]
所述改正镜a与改正镜b一正一负相互配合，初步平衡轴外球差、彗差、象散等，材料均选用折射率稳定、应力小、均匀性好、尺寸大的材料h-k9l(或者n-bk7、石英等冕牌玻璃)，此类材料性能良好，价格适中，且加工工艺性能好，是低公差敏感设计的首选材料。
[0050]
其中，改正镜c为光焦度较小，f数(f#)在10.5～12.5之间的高色散玻璃透镜，光焦度可正可负，此处引入的改正镜c不参与过多单色像差矫正，主要用于不同波段产生大色差值，与正负弯月透镜组合为后续消色差做准备。高色散的火石玻璃材料大多短波透过率衰减严重，设计时需选取透过率较高的材料。
[0051]
所述改正镜c的材料位于玻璃线左侧，为正偏离玻璃。
[0052]
其中，改正镜d为负透镜，处于改正镜组中间位置，折射率和色散系数均处于整个玻璃线中间位置，材料多为镧系火石玻璃。
[0053]
所述改正镜d的材料均位于玻璃线右侧，为负偏离玻璃。
[0054]
所述改正镜c与改正镜d材料一正一负相互配合，提高消色差能力。
[0055]
其中，改正镜e为双凸厚透镜，材料为低折射率低色散特殊玻璃，与前述透镜形成复消色差组合。
[0056]
其中，改正镜f为双凸厚透镜，材料为低折射率低色散特殊玻璃，靠近焦面位置，不仅与前述材料配合复消色差，还起到平场作用，矫正场曲。
[0057]
所述改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f形成高低折射率、高低色散参数搭配，配合不同透镜结构，发挥最大色差矫正能力，光学元件参数合理，确保加工工艺性好。
[0058]
所述改正镜a至改正镜e，两片透镜间隔在20～50mm之间，没有小于10mm的过小间隔，导致小间隔公差敏感；也不至于间隔过大影响定心装调。
[0059]
本实施例的光学系统设计指标如下：
[0060]
有效口径：710mm
[0061]
光学视场：全视场6
°
[0062]
工作波段：0.4um～0.9um
[0063]
系统焦距：1230mm
[0064]
像质：80％能量集中在直径18um内
[0065]
所述710mm口径光学系统的结构示意图如图1所示，该光学系统包括主镜1、改正镜a2、改正镜b3、改正镜c4、改正镜d5、改正镜e6、改正镜f7、焦面8。该光学系统的光路如图2所示，其中，光线入射主镜，由主镜反射后依次经过改正镜a2、改正镜b3、改正镜c4、改正镜d5、改正镜e6、改正镜f7到达焦面8。改正镜a和改正镜b为k9材料正负弯月透镜，相互配合主要平衡轴外单色像差；改正镜c为正偏离材料负透镜，改正镜d为负偏离材料负透镜，改正镜e为超低色散特殊材料正透镜，改正镜c、改正镜d、改正镜e构成复消色差组合，主要用于全视场消色差；改正镜e为超低色散特殊材料正透镜，靠近焦面位置，不仅用于配合平衡剩余像差，还用于矫正场曲。
[0066]
实施例一光学系统参数
[0067][0068]
所述710mm口径主焦点光学系统像质评价：图3为其点列图，图4为本其能量集中度图，
±3°
视场，0.4um～0.9um波段范围内80％能量集中在直径8um内，轴上轴外能量集中度差别不大，成像均匀。
[0069]
所述710mm口径主焦点光学系统公差灵敏度，具体体现如下：设置的各光学元件公差参数，如下表所示，元件加工和装调公差比较均匀、宽松。代入光学设计软件，以rms弥散
斑半径作为评价标准，利用灵敏度分析模型进行分析，得出误差叠加所得rms弥散斑半径为6.5um，满足要求的80％能力集中在18um内。图5是公差分析后能量集中度扰动图。
[0070]
设置的各光学元件公差范围
[0071][0072][0073]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，其特征在于，包括：主镜、改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f、焦面；其中，光线由所述主镜反射、依次透过改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e、改正镜f到达所述焦面；所述主镜为凹非球面反射镜，面形为二次双曲面或高次非球面，面形由如下公式确定，式中，c为顶点曲率，k为二次曲线常数，d、e...为系数，x为非球面的失高；与抛物面相比，所述主镜为二次双曲面或者高次非球面，可为轴外视场处留有球差，与后续改正镜组像差形成正负抵消以平衡全视场像差；所述改正镜a为正弯月透镜，其凹面曲率半径大于凸面曲率半径，其凸面朝向主镜，可使光线发生会聚；所述改正镜b为负弯月透镜，其凸面曲率半径大于凹面曲率半径，其凸面朝向主镜，可使入射光线最大限度发散；所述改正镜a与改正镜b的材料位于玻璃线上；所述改正镜c为光焦度在0.0003～0.0004之间、f数在10.5～12.5之间的高色散玻璃透镜，选取透过率高于99.5％的材料，光焦度可正可负，改正镜c用于不同波段产生大色差值，与改正镜a和改正镜b组合为后续消色差做准备；所述改正镜c的材料位于玻璃线左侧，为正偏离玻璃；所述改正镜d为负透镜，处于改正镜组中间位置，折射率和色散系数均处于整个玻璃线中间位置；所述改正镜d的材料均位于玻璃线右侧，为负偏离玻璃；所述改正镜e为双凸厚透镜，材料为折射率小于1.5、色散值低于70的低折射率低色散特殊玻璃，与改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d形成复消色差组合；所述改正镜f为双凸厚透镜，材料为折射率小于1.5、色散值低于70的低折射率低色散特殊玻璃，靠近焦面位置，与改正镜a、改正镜b、改正镜c、改正镜d、改正镜e配合复消色差，同时还用于平场和矫正场曲；所述改正镜a至改正镜e，两片透镜间隔在20～50mm之间。2.根据权利要求1所述的一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，其特征在于，所述主镜的顶点曲率半径r与口径d符合关系式：1.5＜r/2d＜1.7。3.根据权利要求1所述的一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，其特征在于，所述主镜的材料为sic或玻璃材料。4.根据权利要求1所述的一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，其特征在于，所述改正镜a的凹面曲率半径与凸面曲率半径的比值为r
a凹
/r
a凸
≈3，该正弯月透镜的边缘薄中心厚，用于减小轴外高级球差，在不引入球差的情况下增大系统相对孔径。5.根据权利要求1所述的一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，其特征在于，所述改正镜b的凸面曲率半径与凹面曲率半径的比值为r
b凸
/r
b凹
≈3，该负弯月透镜的中心薄边沿厚。

技术总结
本发明公开了一种低公差灵敏度大视场主焦点天文光学系统，包括主镜、改正镜A、改正镜B、改正镜C、改正镜D、改正镜E、改正镜F、焦面；其中，光线由所述主镜反射、依次透过改正镜A、改正镜B、改正镜C、改正镜D、改正镜E、改正镜F到达所述焦面；主镜为凹非球面反射镜，面形为二次双曲面或高次非球面。本发明在主焦点光学系统确保大视场成像优良的情况下，同时实现加工装配公差灵敏度较低；通过分析像差在各个光学表面的分布情况，优化特殊玻璃材料的位置和结构参数以及光学元件光焦度，实现各个光学表面像差贡献量平均化，从而降低加工装调公差灵敏度。度。度。


技术研发人员：董云芬 平一鼎 王斌 雷成明 张遂 焦长君
受保护的技术使用者：中科院南京天文仪器有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6