本实用新型涉及光学系统领域，具体涉及一种用于无遮拦大视场全波段低成本平行光管的设计。
背景技术：
平行光管是装校调整光学仪器的重要工具，常用来模拟无穷远目标发射的平行光束。同时也是光学度量仪器中的重要组成部分，在平行光管的焦面上放置分划板、星点板、鉴别率板等焦平面组件，可检测和标定待测光学系统的各种参数和性能。
在很多情况下，必须保证平行光管出射光束的光谱范围尽量宽广，包含紫外到红外，以满足不同工作谱段的光学仪器测试需求。
透射式平行光管由于采用透射玻璃元件，不可避免的存在色差问题，其光谱范围宽度有限。
反射式平行光管覆盖的范围宽广，完全满足要求。但是通常反射式平行光管采用共轴光学系统，存在中心遮拦，且其反射面均为非球面，其加工、装配较为困难。
而离轴反射式平行光管不存在中心遮拦，但反射面均为离轴非球面，其加工、装配更为困难，造价十分昂贵。同时反射式平行光管视场角一般在0.5°以下，视场角较小，不利于测试。
技术实现要素：
为解决技术背景中离轴反射式平行光管存在的加工、装配难，且造价昂贵，视场角较小等技术问题，本实用新型提出了一种无遮拦全球面反射平行光管光学系统。
本实用新型的技术解决方案是：
本实用新型提供了一种无遮拦全球面反射平行光管光学系统，包括孔径光阑、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及焦面组件；
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜均倾斜放置；主反射镜、第三反射镜为旋转对称的凸球面反射镜，次反射镜、第四反射镜为旋转对称的凹球面反射镜；
入射光由孔径光阑射入，在经主反射镜反射；
次反射镜放置在主反射镜的反射光路上；
第三反射镜放置在次反射镜的反射光路上；
第四反射镜放置在第三反射镜的反射光路上；
焦面组件放置在第四反射镜的反射光路上；
孔径光阑与主反射镜之间的距离为l1，主反射镜与次反射镜之间的距离为l2；次反射镜到第三反射镜之间的距离为l3，第三反射镜与第四反射镜之间的距离为l4，第四反射镜与焦面组件之间的距离为l5；
l1至l5应当满足以下关系式：
0.6×f≤l1≤1.4×f
0.93×f≤l2≤1.1×f
f≤l3≤1.15×f
0.9×f≤l4≤1.25×f
1.05×f≤l5≤1.3×f
f为系统焦距；
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的顶点曲率半径分别为：r1、r2、r3、r4；
r1至r4应当满足以下关系式：
1.45×f≤r1≤1.75×f
2.11×f≤r2≤2.33×f
3.75×f≤r3≤4.16×f
2.57×f≤r4≤2.94×f
同时满足：
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及焦面组件6绕各自顶点的倾斜角度分别为：α1、α2、α3、α4以及α5；
α1至α5应当满足以下关系式：
8.12°≤α1≤12.05°
6.32≤α2≤9.4°
9.05°≤α3≤11.7°
3.77°≤α4≤5.96°
2.02°≤α5≤4.89°。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型提供的平行光管光学系统，其反射光学元件均为旋转对称的球面反射镜，系统的加工、装配难度相比于包含非球面的平行光管大为减小，采用全反射镜形式，使得平行光管系统光谱范围满足紫外光、可见光、红外光测试需求。
2.本实用新型提供的平行光管光学系统，像质优良，达到衍射极限，全视场波像差rms最大0.04λ(λ＝632.8nm)，且视场角优于2.0°。视场角大大提升。
3本实用新型的提供的平行光管光学系统，旋转对称的反射元件倾斜放置，避免了中心遮拦问题。
附图说明
图1是本实用新型的一种大视场全波段低成本平行光管意图；
图2是实施例1光学系统的全视场波像差rms分布图；
图3是实施例2光学系统的全视场波像差rms分布图；
图4是实施例3光学系统的全视场波像差rms分布图。
附图标记如下：
1-孔径光阑、2-主反射镜、3-次反射镜、4-第三反射镜、5-第四反射镜、6-焦面组件。
具体实施方式
下面根据基本原理和具体实施方式，对本实用新型进行更加详细的描述：
本实用新型提供的无遮拦全球面反射平行光管光学系统，包括孔径光阑1、主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5以及焦面组件6；
主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5均倾斜放置；主反射镜2、第三反射镜4为旋转对称的凸球面反射镜，次反射镜3、第四反射镜5为旋转对称的凹球面反射镜；
入射光由孔径光阑1射入，在经主反射镜2反射；次反射镜3放置在主反射镜2的反射光路上；第三反射镜4放置在次反射镜3的反射光路上；第四反射镜5放置在第三反射镜4的反射光路上；焦面组件6放置在第四反射镜5的反射光路上；
孔径光阑1与主反射镜2之间的距离为l1，主反射镜2与次反射镜3之间的距离为l2；次反射镜3到第三反射镜4之间的距离为l3，第三反射镜4与第四反射镜5之间的距离为l4，第四反射镜5与焦面组件6之间的距离为l5；
l1至l5应当满足以下关系式：
0.6×f≤l1≤1.4×f
0.93×f≤l2≤1.1×f
f≤l3≤1.15×f
0.9×f≤l4≤1.25×f
1.05×f≤l5≤1.3×f
f为系统焦距
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的顶点曲率半径分别为：r1、r2、r3、r4；
r1至r4应当满足以下关系式：
1.45×f≤r1≤1.75×f
2.11×f≤r2≤2.33×f
3.75×f≤r3≤4.16×f
2.57×f≤r4≤2.94×f
同时满足：
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及焦面组件6绕各自顶点的倾斜角度分别为：α1、α2、α3、α4以及α5；
α1至α5应当满足以下关系式：
8.12°≤α1≤12.05°
6.32≤α2≤9.4°
9.05°≤α3≤11.7°
3.77°≤α4≤5.96°
2.02°≤α5≤4.89°
根据上述光学系统的结构布局，本实用新型给出了三个不同的实施方式：
实施例1
根据需要，要求设计出的平行光管光学系统需满足焦距850mm，f#为10，视场角为2.2°。
本实施例根据上述各个关系式：给出光学系统中各个光学器件的具体设计参数：系统孔径光阑1的口径为85mm，孔径光阑1到主反射镜2的距离为1405mm，主反射镜2距次反射镜3的距离为820mm，次反射镜3到第三反射镜4的距离为922.82mm，第三反射镜4到第四反射镜5距离为964.37mm，第四反射镜5到焦面组件的距离为1114.37mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5的顶点曲率半径分别为：1407.11mm、-1891.85mm、3359.09mm、-2339.09mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、焦面组件6在各自顶点绕x轴的倾斜角度分别为：10.22°、-6.82°、10.18°、-4.80°、-3.24°。系统全视场波像差如图2所示，全视场最大波像差rms为0.029(λ＝632.8nm)，像质优异。如此就可实现视场角优于2°、无中心遮拦、像质优良的全球面反射平行光管。
实施例2
根据需要，要求设计出的平行光管光学系统需满足焦距550mm，f#为10，视场角为2.1°。
本实施例根据上述各个关系式：给出光学系统中各个光学器件的具体设计参数：系统孔径光阑1的口径为55mm，孔径光阑1到主反射镜2的距离为707.66mm，主反射镜2距次反射镜3的距离为562.1mm，次反射镜3到第三反射镜4的距离为622.44mm，第三反射镜4到第四反射镜5距离为648.96mm，第四反射镜5到焦面组件的距离为702.92mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5的顶点曲率半径分别为：937.67mm、-1265.71mm、2255.29mm、-1515.04mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、焦面组件6在各自顶点绕x轴的倾斜角度分别为：10.366°、-6.882°、10.535°、-4.894°、-3.1°。系统全视场波像差如图3所示，全视场最大波像差rms为0.02(λ＝632.8nm)，像质优异。如此就可实现视场角优于2.2°、无中心遮拦、像质优良的全球面反射平行光管。
实施例3
根据需要，要求设计出的平行光管光学系统需满足焦距1000mm，f#为10，视场角为2.2°。
本实施例根据上述各个关系式：给出光学系统中各个光学器件的具体设计参数：系统孔径光阑1的口径为100mm，孔径光阑1到主反射镜2的距离为1014mm，主反射镜2距次反射镜3的距离为1004mm，次反射镜3到第三反射镜4的距离为1136.4mm，第三反射镜4到第四反射镜5距离为1189.43mm，第四反射镜5到焦面组件的距离为1240.39mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5的顶点曲率半径分别为：1732.7mm、-2293.53mm、4048.93mm、-2686.07mm；主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜5、焦面组件6在各自顶点绕x轴的倾斜角度分别为：9.105°、-6.094°、9.184°、-4°、-2.748°。系统全视场波像差如图4所示，全视场最大波像差rms为0.026(λ＝632.8nm)，像质优异。如此就可实现视场角优于2°、无中心遮拦、像质优良的全球面反射平行光管。
1.一种无遮拦全球面反射平行光管光学系统，其特征在于：
包括孔径光阑、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及焦面组件；
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜均倾斜放置；主反射镜、第三反射镜为旋转对称的凸球面反射镜，次反射镜、第四反射镜为旋转对称的凹球面反射镜；
入射光由孔径光阑射入，在经主反射镜反射；
次反射镜放置在主反射镜的反射光路上；
第三反射镜放置在次反射镜的反射光路上；
第四反射镜放置在第三反射镜的反射光路上；
焦面组件放置在第四反射镜的反射光路上；
孔径光阑与主反射镜之间的距离为l1，主反射镜与次反射镜之间的距离为l2；次反射镜到第三反射镜之间的距离为l3，第三反射镜与第四反射镜之间的距离为l4，第四反射镜与焦面组件之间的距离为l5；
l1至l5应当满足以下关系式：
0.6×f≤l1≤1.4×f
0.93×f≤l2≤1.1×f
f≤l3≤1.15×f
0.9×f≤l4≤1.25×f
1.05×f≤l5≤1.3×f
f为系统焦距；
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的顶点曲率半径分别为：r1、r2、r3、r4；
r1至r4应当满足以下关系式：
1.45×f≤r1≤1.75×f
2.11×f≤r2≤2.33×f
3.75×f≤r3≤4.16×f
2.57×f≤r4≤2.94×f
同时满足：
主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及焦面组件绕各自顶点的倾斜角度分别为：α1、α2、α3、α4以及α5；
α1至α5应当满足以下关系式：
8.12°≤α1≤12.05°
6.32≤α2≤9.4°
9.05°≤α3≤11.7°
3.77°≤α4≤5.96°
2.02°≤α5≤4.89°。
技术总结