CN101556374B - 衍射复眼望远镜光学系统 - Google Patents

Abstract

一种衍射复眼望远镜的光学系统，它属于空间光学技术领域。该衍射复眼望远镜光学系统采用衍射透镜做物镜，将衍射物镜和子目镜系统按照一对多的生物复眼结构进行空间排布，即在衍射物镜消色差中心波长的焦距处将子目镜系统以一定的空间角度排放，每个子目镜系统后放置一个接收器。本发明的多个子目镜系统为3-19之间的奇数个，望远镜系统的视场角由所用的目镜组II的个数n所决定。整个系统具有很轻的质量，在0.4μm-0.7μm的宽光谱范围内，其视场比单衍射望远镜可扩大3倍到19倍，并且具有高分辨率及接近衍射极限的成像质量。此衍射复眼望远镜很好地解决了传统空间望远镜质量轻成本低与大视场高分辨力之间的矛盾，可用于空间对地观测遥感，空间摄影等领域。

Description

衍射复眼望远镜光学系统

技术领域

本发明是一种空间成像光学系统，主要用于空间摄影，空间对地观测遥感等领域。

背景技术

现代小型化卫星的发射特点，要求其所携带的光学系统具有质量轻、分辨率高、大视场的特点。目前针对以上特点有两种解决方法：采用非球面反射镜做主镜的反射式空间望远镜光学系统，其对非球面的面形精度要求高，加工难度大，成本高；采用衍射透镜做主镜的透射式光学系统，虽然具有比较宽松的公差要求，但难以解决大视场和轻量化的矛盾。而基于复眼结构的衍射望远镜，仿照生物复眼一对一结构的特点，能够满足现代小型卫星的要求，由于其物镜组和目镜组在空间均成一定角度排列，因此在装调上存在一定的难度。

发明内容

本发明提供一种新概念的空间望远镜光学系统——衍射复眼望远镜光学系统。该衍射复眼望远镜光学系统能够解决传统望远镜系统质量轻成本低与大视场高分辨率的矛盾。

本发明衍射复眼望远镜光学系统的具体结构包括：衍射物镜I，目镜组II，接收器组III。衍射物镜I是一个在平凸透镜的平面上制作二元衍射面的衍射透镜。目镜组II由n(3≤n≤19，且n为奇数)个子目镜系统组成，以衍射物镜主光轴为中心左右对称连续排列，位于衍射物镜主光轴上的子目镜0；在主光轴右侧的子目镜系统1、子目镜系统2…子目镜系统在主光轴的左侧的子目镜系统1’、子目镜系统2’…子目镜系统

为了增大接收器组III的调试空间，每个子目镜系统都是由：一个双胶合透镜A，一个双胶合透镜B，两个不同曲率半径的单透镜C和单透镜D，共四个透镜所组成。

而接收器组III对应目镜组II，即在每一个子目镜系统后面焦点位置处都有一个独立的接收器。

本发明的光路设计即位置关系：

竖直方向放置衍射物镜I。衍射物镜I消色差中心波长的焦距为L，在衍射物镜I的主光轴上L位置处垂轴放置子目镜系统0；以衍射透镜的后主点为中心，水平方向逆时针旋主光轴0.2°，在距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜1，水平方向逆时针旋转主光轴0.4°，距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜系统2…水平方向逆时针旋转主光轴

距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜系统

以衍射透镜的后主点为中心，水平方向顺时针旋主光轴0.2°，在距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜1’，水平方向顺时针旋转主光轴0.4°，距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜系统2’…水平方向顺时针旋转主光轴

距离衍射物镜L位置处垂轴放置子目镜系统

接收器组III中的n个接收器分别放置在目镜组II每个子目镜系统的焦点位置处。

本发明的成像光路：

在可见光宽波段光谱范围内，从无穷远处物体发出的光，经过衍射物镜I和目镜组II成像在接收器组III上。其中目镜组II中的每一个子目镜系统对应一定视场角内的图像，子目镜系统0对应-0.1°到0.1°视场角内的图像，子目镜系统1对应逆时针0.1°到0.3°视场角内的图像…子目镜

对应逆时针(0.1n-0.2)°到(0.1n)°视场角内的图像；相应的，子目镜系统1’对应顺时针0.1°到0.3°视场角内的图像…子目镜

对应顺时针(0.1n-0.2)°到(0.1n)°视场角内的图像。相邻视场角的图像可以拼接在一起，从而形成对物体视场角内的完整图像，衍射复眼望远镜系统的成像大小由其所使用的子目镜个数决定。

根据具体应用情况，作以下说明：

1、整个衍射复眼望远镜系统的视场角由所用的目镜组II的个数n所决定，其中3≤n≤19，且n为奇数。

2、n个子目镜要连续排列，才能对连续视场成像。

3、采用好的接收器，能降低各部分光电噪声的影响，从而获得更清晰的图像。

本发明的有益效果是：

第一：该衍射复眼望远镜系统具有宽光谱0.4μm-0.7μm、高分辨率和质量轻的特点。

第二：衍射物镜是透射型光学元件，因透射表面上面形误差影响比反射表面要好16(f/#)²倍，具有宽松的制作公差，且衍射光学元件易复制，制作成本低。

第三：按照生物复眼一对多结构排列的目镜组扩大了光学系统的视场角，最大可达3.8°。

附图说明

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1为衍射复眼望远镜系统的结构示意图。

图2为衍射物镜I和轴上子目镜系统0的传递函数曲线。

图3为衍射物镜I和子目镜系统9的传递函数曲线。

图4为轴上子目镜系统0的结构示意图。

具体实施方式

结合附图1、2、3、4，对本发明作进一步的说明：

图1中，衍射物镜I(孔径光阑)口径50mm，f/#＝49，基底为1mm的K9玻璃(选用低密度薄膜材料用以减小质量)，其第一个面是二元衍射面；黑框中子目镜系统II口径8mm；框外为接收器组III。系统工作波段0.4μm-0.7μm，系统f/#＝3.88，视场角由子目镜系统个数所决定：w＝(0.2×n)°。

图2中，在空间频率50lp/mm处，各视场的传递函数可达到0.7以上。

图3中，在空间频率50lp/mm处，各视场的传递函数可达到0.6以上。

图4中，每个子目镜系统都是由：一个K9和ZF1玻璃胶合而成的正透镜A，一个ZF1和K9玻璃胶合而成的负透镜B，两个不同曲率半径的K9玻璃单透镜C和单透镜D，共四个透镜所组成。

实施例1：

下面结合附图对本发明进一步说明，依照附图1所示，按以下步骤摆放光路：

1：首先竖直放置衍射物镜I，并标定衍射物镜I在中心波长587.6nm下的焦距L。

2：在距离衍射物镜I的L处，水平放置子目镜系统0，并使子目镜系统0和衍射物镜I共轴。

3：在过光轴的水平面上，逆时针旋转长度为L的主光轴0.2°，垂轴放置子目镜系统1。

4：在过光轴的水平面上，顺时针旋转长度为L的主光轴0.2°，垂轴放置子目镜系统1’。

5：分别在三个子目镜系统的后焦面上放置接收器。

该实施例中，共使用了3个子目镜系统，将衍射复眼望远镜对无穷远处成像，每个子目镜系统负责0.2°视场角，该衍射复眼望远镜可以获得0.6°视场内清晰的像。

实施例2：

下面结合附图对本发明进一步说明，依照附图1所示，按以下步骤进行光路摆放：

1：首先竖直放置衍射物镜I，并标定衍射物镜I在中心波长587.6nm下的焦距L。

2：在距离衍射物镜I的L处，水平放置子目镜系统0，并使子目镜系统0和衍射物镜I共轴。

3：在过光轴的水平面上，逆时针旋转长度为L的主光轴0.2°，垂轴放置子目镜系统1。

4：按照步骤3，逆时针旋转长度为L的主光轴0.4°，垂轴放置子目镜系统2。

5：按照步骤3，逆时针旋转长度为L的主光轴0.6°，垂轴放置子目镜系统3。

6：在过光轴的水平面上，顺时针旋转长度为L的主光轴0.2°，放置子目镜系统1’。

7：按照步骤6，顺时针旋转长度为L的主光轴0.4°，放置子目镜系统2’。

8：按照步骤6，顺时针旋转长度为L的主光轴0.6°，放置子目镜系统3’。

9：分别在每个子目镜系统的后焦面上放置接收器。

该实施例中，共使用了7个子目镜系统，将衍射复眼望远镜对无穷远处成像，每个子目镜系统负责0.2°视场角，该衍射复眼望远镜可以获得1.4度视场内清晰的像。

以此类推，子目镜系统0和衍射物镜I共轴放置，在子目镜系统0的两侧分别放置1-9个子目镜系统，衍射复眼望远镜可以获得0.2°-3.8°视场内清晰的像。

Claims (3)

1.一种衍射复眼望远镜光学系统，其特征在于该光学系统包括衍射物镜I，目镜组II，接收器组III；

衍射物镜I是一个在平凸透镜的平面上制作二元衍射面的衍射透镜；

目镜组II由n个子目镜系统组成，其中n为3≤n≤19，且n为奇数，衍射复眼望远镜系统的视场角由所用的目镜组II的个数n所决定；相邻视场角的图像拼接在一起，从而形成对物体视场角内的完整图像；

而接收器组III对应目镜组II，即在每一个子目镜系统后面焦点位置处都有一个独立的接收器，将衍射物镜I和子目镜系统按照一对多的生物复眼结构进行空间排布，即在衍射物镜消色差中心波长的焦距处将子目镜系统以空间角度排放。

2.根据权利要求1所述的衍射复眼望远镜光学系统，其特征在于n个子目镜系统的空间角度排放方式是：以衍射物镜主光轴为中心左右对称连续排列，位于衍射物镜主光轴上的子目镜系统0；在主光轴右侧的子目镜系统1、子目镜系统2…子目镜系统

在主光轴左侧的子目镜系统1’、子目镜系统2’…子目镜系统

3.根据权利要求1所述的衍射复眼望远镜光学系统，其特征在于为了增大接收器组III的调试空间，每个子目镜系统由：一个双胶合透镜A，一个双胶合透镜B，两个不同曲率半径的单透镜C和单透镜D，共四个透镜所组成。

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