CN101285931A - 多焦距多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是多焦距、多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统，其特征是包括两个镜组，第一镜组包括主反射镜和次反射镜；第二镜组包括两个或多个第三反射镜，第二镜组中的任意一个第三反射镜与第一镜组形成一个三反消像散光学系统。由于第二镜组中多个第三反射镜的曲率和位置、曲率和非球面高次项或曲率、位置和非球面高次项三者均不同，实现多焦距、多视场的光学系统。

Description

多焦距多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统

技术领域

本发明属于光学系统领域，尤其涉及多焦距多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统。

背景技术

由于透射材料的口径有限，反射式光学系统在空间对地对外太空观测中发挥着重要作用。其中Korsch在US.4,101,195中公开的三反消像散光学系统结构紧凑、像质良好，应用越来越广泛。空间观测仪器一般多于一台，并且通过一个主光学系统进行光能量收集。COOK LACY.G分别在EP.0,364,951(US.4,993,818)和US.4,964,706公开了多焦距、多视场的三反射式消像散光学系统，系统结构简单、像质优，分别通过第三反射镜位置(与次镜间的间隔)和非球面高次项的差异实现多焦距和多视场光学系统，即可以直接在主光学系统收集能量的同时完成多焦距观测，特别适用于可见和红外不同波长对不同F_#的需要。由于COOK LACY.G公开的光学系统保持第三反射镜的曲率半径不变，仅通过第三反射镜位置(与次反射镜间的间隔)和非球面高次项的差异来影响光学系统的焦距和视场，因此焦距的变化范围较小，反射镜采用高次非球面，使加工难度增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多焦距多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统，简化反射镜的非球面面型，解决原先系统存在的反射镜加工困难的技术问题。

本发明公开的一种多焦距、多视场一次遮挡全反射消像散镜光学系统如附图1所示，其特征是包括两个镜组，第一镜组G1包括主反射镜2和次反射镜3；第二镜组G2包括两个或多个第三反射镜4-1、4-2、4-3，第二镜组G2中的任意一个第三反射镜与第一镜组G1形成一个三反消像散光学系统。由于第二镜组中多个第三反射镜的曲率和位置、曲率和非球面高次项或曲率、位置和非球面高次项三者均不同，实现多焦距、多视场的光学系统。在第一镜组与第二镜组的两个或多个第三反射镜之间分别放置相对系统光轴有一定倾角的平面反射镜(附图2中反射镜AP1、AP2；附图3中反射镜BP1、BP2)使结构紧凑。第一镜组对入射光束一次成像，再经不同的平面反射镜和第三反射镜再次成像于不同位置，实现不同焦距和视场的光学系统。

本发明公开的光学系统均采用标准二次曲面，主反射镜2采用椭球面，次反射镜采用双曲面，第三反射镜采用不同曲率半径的椭球面，实现多个有限焦距多视场的光学系统。另外，为了实现无焦和有限焦距的成像同时输出，主反射镜2还可以采用抛物面，第三反射镜4-1、4-2、4-3的其中之一使用抛物面，次反射镜3和其他第三反射镜4-1、4-2、4-3需采用了高次非球面，其非球面系数应满足下列公式：

偶次面： $z=\frac{{\mathrm{Cry}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){\mathrm{Cry}}^2}}+{\mathrm{Ay}}^2+{\mathrm{By}}^4+{\mathrm{Cy}}^6+{\mathrm{Dy}}^8+...;$

奇次面： $z=\frac{{\mathrm{Cry}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){\mathrm{Cry}}^2}}+\mathrm{ay}+{\mathrm{by}}^2+{\mathrm{cy}}^3+{\mathrm{dy}}^4+...$

其中，z是非球面在光轴方向上的矢高，Cr是非球面的曲率，k是锥形常数，y是非球面的径向距离，A、B、C、D和a、b、c、d分别是非球面的高次项非球面系数。

本发明的优点在于：由于通过两个或多个第三反射镜位置(与次反射镜间的间隔)、曲率或非球面高次项不同其中两者甚至三者均不同来实现多焦距、多视场的光学系统，其焦距变化范围大。系统所有反射面均采用标准二次曲面同时实现两个或多个有限F_#成像；系统中的主反射镜和至少一个第三反射镜采用抛物面，而其他的反射面采用高次非球面同时实现有限焦距成像和无焦输出，从而大大简化了后光路，有效减小系统外形尺寸和重量，促进空间遥感仪器向小型化轻量化方向发展。同时实现成像和无焦输出特别适用于至少包括相机和光谱仪两种仪器空间遥感仪器，减少准直系统，便于空间遥感仪器轻量化。同轴一次遮挡的光学系统中的主反射镜和至少一个第三反射镜采用抛物面大大降低了加工难度。

附图说明

图1为多焦距、多视场一次遮挡反射消像散光学系统结构示意图，G1表示第一镜组、G2表示第二镜组；1为来自远方物体的平行光束；2为主反射镜，3为次反射镜均属于第一镜组；4-1、4-2、4-3分别为第二镜组中不同焦距视场光路中第三反射镜；5-1、5-2、5-3不同视场不同焦距的像面。

图2为多焦距、多视场一次遮挡反射消像散光学系统结构图，A1为来自远方物体的平行光束；A2为主反射镜；A3为次反射镜；AP1、AP2分别为两不同焦距光路中平面反射镜；A4-1、A4-2分别为两不同焦距光路中第三反射镜；A5-1为成像光路焦平面，A5-2平行光路出射位置；AD1为主次镜间距离；AD2-1、AD2-2分别为两不同焦距光路中次反射平面反射镜间的距离；AD3-1、AD3-2分别为两不同焦距光路中平面反射镜到第三反射镜间的距离；AD4-1为成像光路中第三反射镜与像面间距离；ADe为第三反射镜孔径偏离光轴的距离。

图3为多焦距、多视场一次遮挡反射消像散光学系统结构图，B1为来自远方物体的平行光束；B2为主反射镜；B3为次反射镜；BP1、BP2分别为两不同焦距光路中平面反射镜；B4-1、B4-2分别为两不同焦距光路中第三反射镜；B5-1、B5-2分别为两不同焦距的成像光路焦平面；BD1为主次镜间距离；BD2-1、BD2-2分别为两不同焦距光路中次反射与平面反射镜间的距离；BD3-1、BD3-2分别为两不同焦距光路中平面反射镜到第三反射镜间的距离；BD4-1、BD4-2分别为两不同焦距的成像光路中第三反射镜与像面间距离；BDe-1、BDe-2分别为两不同焦距光路中第三反射镜孔径偏离光轴的距离。

具体实例方式

实例1：

根据图2所示光学结构，设计一扫描相机和光谱仪的主光学系统。该相机的主要技术指标为：

轨道高度：638km

光谱范围：0.64～1μm

角分辨率：1.28m

探测器：14μm×14μm单元

主光学系统的技术指标为：

口径：500mm

相机焦距：7000mm；光谱仪主光学系统：无焦

波长：0.64～1μm

分辨率：2μrad

像质优化：红外相机的RMS优于7um，MTF接近衍射极限；无焦系统的平行度40μrad。结构参数见表1。

实例2：

根据图3所示光学结构，设计一推扫分别工作于可见和红外两波段的空间相机。该相机的主要技术指标为：

轨道高度：600km

光谱范围：0.64～1μm；2.7～4.3μm

角分辨率：1.0m；4.7m

刈幅：10km

探测器：10000元7μm×7μm；2500元28μm×28μm；

主光学系统的技术指标为：

口径：500mm

可见相机焦距：4000mm；红外相机焦距：3600mm

波长：0.64～1μm；2.7～4.3μm

分辨率：1.75μrad；7.8μrad

视场：1°

像质优化：可见相机的RMS优于4um，MTF接近衍射极限；红外相机的RMS优于11um，MTF接近衍射极限。结构参数见下表1。

表1

参数	实例1	实例2
			视场离轴成像/无焦(成像)	1.0°/0°	1.5°/1.0°
主反射镜曲率半径	-751.48mm(凹)	-1936.62mm(凹)
			主反射镜锥形系数	-1	-0.899
主反射镜中间开孔半径	60mm	85mm
			AD1(BD1)	-299.43mm	-700.40mm
次反射镜曲率半径	-165.24mm(凸)	-719.91mm(凸)
			次反射镜锥形系数	-1.4	-2.08
次反射镜高次项系数c	-8.461e-9	0
			次反射镜高次项系数d	-8.83e-10	0
AD2-1/AD2-2(BD2-1/BD2-2)	800mm/1000mm	1000mm/1000mm
			平面反射镜倾角	-75°/-45°	60°/-45°
AD3-1/AD3-2(BD3-1/BD3-2)	-738.57mm/-1000mm	-1069.81mm/-1400mm
			第三反射镜曲率半径	956.91mm/2002.31mm(凹)	1050.15mm/1318.18mm(凹)
第三反射镜锥形系数	-85.86/-1	-0.40/-0.33
			第三反射镜高次项系数c	-1.86e-6/0	0
第三反射镜高次项系数d	2.32e-9/0	0
			第三反射镜与像面距离	1522.07mm/负无穷远	1080.51mm/1285.13mm
第三反射镜孔径离轴	130mm	130mm/140mm

Claims (1)

1.一种多焦距多视场一次遮挡全反射式消像散光学系统，它由主反射镜、次反射镜和二个或二个以上的第三反射镜组成，其特征在于：组成本发明的光学系统的主反射镜(2)是椭球面反射镜时，次反射镜(3)是双曲面反射镜，第三反射镜(4-1、4-2、4-3)是曲率半径不同的椭球面反射镜；组成本发明的光学系统的主反射镜(2)是抛物面反射镜时，次反射镜(3)是高次非球面反射镜，第三反射镜(4-1、4-2、4-3)在无焦系统中是抛物面反射镜，在有限焦距系统中是高次非球面反射镜。

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