阅读说明：本技术 一种大视场宽波段天文望远镜光学系统 (Optical system of wide-field wide-band astronomical telescope ) 是由 董云芬 王斌 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大视场宽波段天文望远镜光学系统,包括反射式施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜、焦面；其中,光线依次经过施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜到达焦面；其中,焦面位于平面折转镜的背面。施密特矫正板位于球面反射镜的球心,施密特矫正板为正轴高次非球面。本发明在反射式施密特矫正板与球面镜之间插入折转镜,使焦面位于系统外部,方便目视,同时缩短了筒长,使光学结构更加紧凑；更重要的是,设计的反射式施密特矫正板属于正轴高次非球面,并且设计阶段控制非球面度在易加工检测范围内,使得施密特系统加工成本较低。(The invention discloses a wide-field wide-band astronomical telescope optical system, which comprises a reflective Schmidt correction plate, a plane turning mirror, a spherical reflector and a focal plane, wherein the reflective Schmidt correction plate is arranged on the focal plane; wherein, the light rays sequentially pass through the Schmidt correction plate, the plane turning mirror and the spherical reflector to reach the focal plane; wherein the focal plane is positioned on the back of the plane turning mirror. The Schmidt correction plate is positioned at the spherical center of the spherical reflector, and the Schmidt correction plate is a positive-axis high-order aspheric surface. According to the invention, the folding mirror is inserted between the reflective Schmidt correction plate and the spherical mirror, so that the focal plane is positioned outside the system, the visual observation is convenient, the cylinder length is shortened, and the optical structure is more compact; more importantly, the designed reflective Schmidt correction plate belongs to a positive-axis high-order aspheric surface, and the aspheric degree is controlled within an easy-processing detection range in the design stage, so that the processing cost of a Schmidt system is low.)

一种大视场宽波段天文望远镜光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器领域，具体涉及一种大视场、宽波段、低成本的天文望远镜光学系统，具体涉及一种改进型的全反射式施密特光学系统。

背景技术

光学天文望远镜是观测天体的重要仪器之一，低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。

按照物镜的种类，可将望远镜光学系统分为三类：折射系统、反射系统和折反系统。大口径、大相对孔径的折射系统透镜材料及加工费用都很高，因此价格十分昂贵。反射式望远镜光学系统常用的有牛顿系统、卡塞格林系统、格里高利系统等，此类反射系统，对轴外像差校正能力较弱，清晰成像的视场角较小，一般小于±1°，不能满足大视场望远镜的需求。折反射系统以球面镜为基础，加入适当的折射元件，用来矫正轴外球差，可取得良好的光学质量。

施密特系统具有视场大、像质好等优点，是应用最广泛的折反射系统之一。传统施密特系统由球面反射镜和施密特矫正板组成，矫正板可以是透射元件或反射元件。传统反射式施密特系统的矫正板位于球面镜心处，是离轴高次非球面，加工检测成本较高，镜筒较长，体积庞大，且焦面位于系统内部，不方便目视，故很少在批量生产的科普天文望远镜中应用。

发明内容

本发明提供了一种大视场、宽波段、低成本天文望远镜光学系统，在反射式施密特矫正板与球面镜之间***折转镜，使焦面位于系统外部，方便目视，同时缩短了筒长，使光学结构更加紧凑；更重要的是，设计的反射式施密特矫正板属于正轴高次非球面，并且设计阶段控制非球面度在易加工检测范围内，使得施密特系统加工成本较低。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种大视场宽波段天文望远镜光学系统，包括反射式施密特矫正板、平面折转镜、球面反射镜、焦面；其中，光线依次经过所述施密特矫正板、所述平面折转镜、所述球面反射镜到达所述焦面；其中，所述焦面位于所述平面折转镜的背面。

更进一步地，所述施密特矫正板位于球面反射镜的球心，所述施密特矫正板为正轴高次非球面。

更进一步地，所述施密特矫正板与入射光光轴成10°夹角。

更进一步地，所述施密特矫正板的光学面为无光焦度非球面，面型由如下公式确定，

x＝Ay²+By⁴+Cy⁶+Dy⁸+····

式中，A、B、C、D为施密特矫正板的特征参数，y为非球面距离光轴高度，x为非球面的失高。

更进一步地，所述平面折转镜的中心有让光线通过的开孔，所述平面折转镜与所述施密特矫正板平行放置，或者与光轴成45°夹角。

更进一步地，所述施密特矫正板和/或所述平面折转镜和/或所述球面反射镜为金属或玻璃反射镜。

本发明的技术效果如下：

1、本发明提供一种大视场、宽波段、低成本天文望远镜光学系统，该系统为全反射光学系统，不存在宽波段带来的色差，成像质量好；

2、本发明采用三块反射镜进行光路折转，将长焦距系统的整体长度降低，使光路结构更加紧凑；

3、本发明中的施密特矫正板为高次非球面，在设计过程中精确控制施密特矫正板的加工去除量，最大非球面度仅为0.005mm，加工周期短，且易实现高精度检测。

4、与现有的同等口径三反系统相比，本发明的光学系统提升了视场；同等口径三反系统主镜、次镜和三镜均为非球面，加工周期较长，成本较高。

附图说明

图1为本发明光学结构示意图；

图2为本发明所提供的光学系统MTF曲线图；

图3为本发明实施例1光学结构示意图；

图4为本发明实施例1光学系统MTF曲线图；

图中标记：1、施密特矫正板；2、平面折转镜；3、球面反射镜4、焦面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例1对本发明作进一步阐述：

光学系统设计指标如下：

有效口径：400mm

光学视场：全视场4°

系统焦距：1700mm

像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.3

工作波段：400nm～900nm

所述400mm口径望远镜光学系统的结构示意图如图1所示，图2为本发明所提供的光学系统MTF曲线图。该望远镜光学系统包括施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。施密特矫正板位于球面反射镜的球心，这样能使整个系统的球差得到很好的矫正，且系统不产生慧差、像散和畸变，而仅有场曲。

大视场施密特光学系统设计参数如下：

矫正板非球面系数：2次项系数：A＝-1.70×10^-7，4次项系数：B＝3.112×10^-12，6次项系数：C＝4.177×10^-19，8次项系数：D＝-1.662×10^-25，施密特矫正板方程为

x＝-1.7×10^-7y²+3.112×10^-12y⁴+4.177×10^-19y⁶+(-1.662×10^-25)y⁸

本发明系统的工作谱段为400nm～900nm，系统焦距为f＝1700mm，视场角2ω＝4°，有效通光口径400mm。像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.35，畸变小于2.5％，成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与接近球面最大偏差为0.005mm，采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计可为大视场宽波段天文望远镜的开发提供参考。

实施例1，大口径望远镜光学系统，参照图3：光学设计指标如下：

口径：1000mm

全视场：4°

焦距：5100mm

像质：奈奎斯特频率处MTF大于0.25

工作波段：400nm～900nm

所述1000mm口径望远镜光学系统的结构示意图如图3所示，图4为实施例1的光学系统MTF曲线图。该望远镜光学系统包括施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。其中，按光线入射方向，由左至右入射，光线依次经过施密特矫正板1、平面折转镜2、球面反射镜3和焦面4。施密特矫正板位于球面反射镜的球心，这样能使整个系统的球差得到很好的矫正，且系统不产生慧差、像散和畸变，而仅有场曲。

通过光线设计计算，得到所述1000mm口径望远镜光学系统的具体结构参数：

矫正板非球面系数：2次项系数：A＝-5.790×10^-8，4次项系数：B＝1.12×10^-13，6次项系数：C＝8.253×10^-20，8次项系数：D＝-1.057×10^-24，施密特矫正板方程为

x＝-5.79×10^-8y²+1.12×10^-13y⁴+8.25×10^-20y⁶+(-1.057×10^-24)y⁸

实施例1增大光学系统口径至1000mm，焦距放大至5100mm，而施密特矫正板最大修磨量仅为0.007mm，与同等口径的抛物面相比加工周期缩短一半，从而节约大口径光学系统的加工成本。实施例1像质评价：在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数MTF大于0.3，畸变小于2.5％，成像质量达到了衍射极限。

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。