CN101697031B - 宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统，属于军用探测、识别成像光学技术领域。该系统包括，主反射镜，第二面次反射镜，孔径光栏，第三非球面反射镜，探测器像面和平面反射镜；采用同轴全反射系统结构形式，第二面次反射镜沿z轴方向到第一面主反射镜第二面次反射镜的间距是第二面次反射镜沿z轴方向到第三面反射镜间距的一半，这个间距是系统焦距的0.5～1倍，第三面反射镜沿z轴方向到探测器像面的距离是系统焦距的0.2～0.5倍。为了校正像差，非球面都加在容易加工的光学玻璃材料。系统成像质量好，结构简单，特别适合作为机载设备上用的高分辨力轻型相机的变焦距光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统，属于军用探测、识别成像光学技术领域。
背景技术
以光电阵列探测器作为成像接收器的高分辨率、宽谱段的变焦距相机光学系统，在航空航天的空间侦察、空间观测中，能获得位于无穷远目标的高清晰度照片，可广泛应用于国防、军工领域，因此备受国防、军事部门的青睐。
目前普遍采用的共轴三反射相机变焦距光学系统，不可避免地存在着较大的遮拦，因而对传递函数(MTF)有着较大的影响，很难获得比较高的MTF；而离轴的三反射相机变焦光学系统，往往存在着成像位置不佳，相机布局欠合理，或者结构随视场角度增大而急剧增大，从而会增加相机重量等问题。
在已有技术中，与本发明最为接近的是美国的一个专利(U.S.patent4993818)，如图1所示，由双曲面主反射镜孔径光栏1，椭球面次反射镜2，扁圆面第三反射镜3，成像接收器4和遮光罩5组成。
该光学系统的视场不够大，只能达到1°，且像面4随着变焦位置的变化一直在移动，装调和检测都非常困难。
为了克服上述缺点，特设计一种可适合于较大视场角(1°～3°)，体积较小，重量轻，次镜面型易于加工和检测，系统的结构简单，并能获得比较高的传递函数值(MTF)的变焦距光学系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决在获得较大视场的条件下，使系统的体积较小，系统的次镜面型易加工，当次镜使用特殊材料时，可正常检测，且系统的像面要求在变焦过程中一直保持稳定的问题，提出一种宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统，包括主反射镜(6)，第二面次反射镜(7)，孔径光栏(8)，第三非球面反射镜(9)，探测器像面(10)和平面反射镜(11)；本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图(3)平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。在光的传播方向上依次排列第一面主反射镜(6)，第二面次反射镜7，平面反射镜(11)，第三非球面反射镜(9)和探测器像面(10)。
第一面主反射镜(6)是一个光焦度为正的非球面反射镜，第二面次反射镜(7)是一个光焦度为负的非球面反射镜，第三面反射镜9是一个光焦度为正的非球面反射镜，第四面反射镜(11)为平面反射镜。
在光的传播方向上，第一面主反射镜(6)和第二面次反射镜(7)的反射面两者相对排列，第二面次反射镜(7)和第三面反射镜(9)的反射面两者相对排列，第三面反射镜(9)的反射面与探测器像面(10)两者相对排列；第二面次反射镜(7)沿z轴方向到第一面主反射镜(6)的间距是第二面次反射镜(7)沿z轴方向到第三面反射镜(9)间距的一半，这个间距是系统焦距的0.5～1倍，第三面反射镜(9)沿光轴方向到探测器像面(10)的距离是系统焦距的0.2～0.5倍；三块镜子的中心都在yz平面上(x坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。孔径光栏(8)和第二面次反射镜(7)的位置重合。
本发明的具体设计方法如下：
1、采用同轴全反射系统结构形式
为了使宽谱段视场的目标(及远方物体)能成像在探测器像面(10)上，采用了同轴全反射式系统的结构。主反射镜(6)的光轴和第二面次反射镜(7)的光轴重合，为系统的光轴，平面反射镜()11和第三非球面反射镜(9)与探测器成一定夹角，本发明的系统为同轴结构形式。无穷远的目标经过第一面主反射镜(6)反射到第二面次反射镜7，经过第二面次反射镜(7)反射到平面反射镜(11)后，再反射到第三面非球面反射镜(9)，然后由第三面非球面反射镜(9)反射到探测器元件(10)上，得到最后的像，这样只经过反射而得到最后的像的系统为全反射式系统。
这样系统的视场可达1°～3°，而且该同轴结构形式便于系统的整体支撑和装调。
2、采用非球面的反射镜
第一面主反射镜(6)和第三面反射镜(9)是光焦度为正的非球面反射镜；第二面次反射镜(7)采用了低阶非球面，面型易于加工，当使用特殊镜面材料时，可以正常检测。为了校正像差，非球面都采用容易加工的光学玻璃材料。
3、使4个反射镜的放大倍率满足一定的几何关系，从而确保了系统像面稳定。解决了美国专利(图1所示)装调和检测都非常困难的问题。
通过以上设计方法，本发明的宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统光学系统的视场可达1°～3°，系统的体积小，第一面到探测器像面的距离是系统焦距的0.5～1倍，系统像面稳定，且系统含有中间像，可以很好的抑制杂光，成像质量好，结构简单。
本发明的工作原理：无穷远的目标经过第一面主反射镜(6)后照射到第二面次反射镜(7)，经过第二面次反射镜7反射到平面反射镜(11)，再由平面反射镜(11)反射到第三面非球面反射镜(9)，然后由第三面非球面反射镜(9)反射到探测器元件(10)上，得到最后的像。
有益效果
本光学系统的视场可达1°～3°，系统的体积小，第一面主反射镜到探测器像面的距离是系统焦距的0.5～1倍，同轴结构形式便于系统整体支撑和装调。次镜是低阶非球面，可以使用特殊镜面材料。系统像面稳定，且系统含有中间像，可以很好的抑制杂光，成像质量好，结构简单，特别适合作为机载或空间上用的高分辨力轻型相机的光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，还可应用在光学检测设备上。
附图说明
图1是已有技术的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明采用的坐标系示意图；
图中：1-双曲面主反射镜孔径光栏，2-椭球面次反射镜，3-扁圆面第三反射镜，4-成像接收器，5-遮光罩，6-第一面主反射镜，7-第二面次反射镜，8-孔径光栏，9-第三非球面反射镜，10-探测器像面，11-平面反射镜
具体实施方式
下面结合附图和实物例对本发明做进一步说明：
本发明按图2所示的结构实施，在航空航天的空间侦察、空间观测中，能获得位于无穷远目标的高清晰度照片，可广泛应用于国防、军工领域，因此备受国防、军事部门的青睐。本发明在研发过程中得到了空军预研和航天基金及北京理工大学校基金的支持。
如图2所示，本发明的一种宽谱段、高分辨率变焦距相机镜头的光学系统由主反射镜6，第二面次反射镜7，孔径光栏8，第三非球面反射镜9，探测器像面10和平面反射镜11组成。主反射镜6、第二面次反射镜7和第三非球面反射镜9的材质采用碳化硅或适用于空间的高比刚度、接近零膨胀的、热畸变较小的替代材料，如ULE、ZERODO。探测器像面10采用CCD探测器或其它列阵探测器。
本光学系统按x、y、z右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，y轴在图3平面内，x轴垂直于yz平面，yz坐标平面为光学系统的子午面。各镜的光轴与系统的光轴重合，在光的传播方向上，依次排列光焦度为正的非球面主反射镜6，光焦度为负的非球面次反射镜7，孔径光栏8，光焦度为正的非球面反射镜9，平面反射镜11和探测器像面10。
在光的传播方向上，第一面主反射镜6和第二面次反射镜7的反射面两者相对排列，第二面次反射镜7和第三面反射镜9的反射面两者相对排列，第三面反射镜9的反射面与探测器像面10两者相对排列；第二面次反射镜7沿z轴方向到第一面主反射镜6的间距是第二面次反射镜7沿z轴方向到第三面反射镜9间距的一半，这个间距是系统焦距的0.5～1倍，第三面反射镜9沿光轴方向到探测器像面10的距离是系统焦距的0.2～0.5倍；三块镜子的中心都在yz平面上(x坐标均为零)，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定。孔径光栏8和第二面次反射镜7的位置重合。
本系统可以很好的抑制杂光，成像质量好，结构简单，特别适合作为小卫星上用的高分辨力轻型相机的光学系统，应用在空间侦察、空间观测等领域，此外还可应用在光学检测设备上。
Claims (2)
1.一种宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统，使宽谱段视场的目标能成像在探测器元件上，采用同轴全反射式系统的结构，其特征在于：
第一面主反射镜(6)的光轴和第二面次反射镜(7)的光轴重合，为所述宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统的光轴，平面反射镜(11)和第三面非球面反射镜(9)与探测器元件(10)成一定夹角，孔径光栏(8)和第二面次反射镜(7)的位置重合；
无穷远的目标经过第一面主反射镜(6)反射到第二面次反射镜(7)，经过第二面次反射镜(7)反射到平面反射镜(11)后，再反射到第三面非球面反射镜(9)，然后由第三面非球面反射镜(9)反射到探测器元件(10)上，得到最后的像；
第一面主反射镜(6)、第二面次反射镜(7)、第三面非球面反射镜(9)的中心都在yz平面上，x坐标均为零，各镜面在y方向的位置由镜面通光孔径及视场偏置角决定；
在光的传播方向上，第一面主反射镜(6)和第二面次反射镜(7)的反射面两者相对排列，第二面次反射镜(7)和第三面非球面反射镜(9)的反射面两者相对排列，第三面非球面反射镜(9)的反射面与探测器元件(10)两者相对排列；第二面次反射镜(7)沿光轴方向到第一面主反射镜(6)的间距是第二面次反射镜(7)沿光轴方向到第三面非球面反射镜(9)间距的一半，所述第二面次反射镜(7)沿光轴方向到第一面主反射镜(6)的间距是所述宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统焦距的0.5～1倍，第三面非球面反射镜(9)沿光轴方向到探测器元件(10)的距离是所述宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统焦距的0.2～0.5倍；
第一面主反射镜(6)、第二面次反射镜(7)、第三面非球面反射镜(9)、平面反射镜(11)的放大倍率满足成像清晰的几何关系；
所述宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统的视场可达1°～3°，且所述同轴全反射式系统的结构便于整体的支撑和装调。
2.如权利要求1所述的宽谱段、高分辨率变焦距三反射式光学系统，其特征在于：所述第一面主反射镜(6)和所述第三面非球面反射镜(9)是一个光焦度为正的非球面反射镜；所述第二面次反射镜(7)是一个光焦度为负的非球面反射镜，所述第二面次反射镜(7)采用了低阶非球面，面型易于加工；为了校正像差，非球面都采用容易加工的光学玻璃材料。
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