CN101825760B - 一种大口径球面主镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径的主镜结构，特别涉及一种大口径主镜同心稀疏光瞳编码结构的光学系统。它由3～6个相同的子孔径组成，各子孔径均匀分布于同一圆周上，子孔径的形状为与主镜同心的环扇形；它的填充因子F满足：F＞0.25；所述主镜的光学传递函数满足在最大截止频率内包含全部的光信息。本发明所提供的主镜是一种同心稀疏孔径，因此，更易于装配，并适合于任何有主镜的光学系统，与同等分辨率的大口径望远镜相比，重量明显减轻，因此，适用于高分辨率、轻量化空间遥感器的对地观测、环境自然灾害监测等军事和民用领域。

Description

一种大口径球面主镜

技术领域

本发明涉及一种大口径的主镜结构，特别涉及一种大口径主镜同心稀疏光瞳编码结构的光学系统，它适用于高分辨率、轻量化空间遥感器的对地观测、环境自然灾害监测等军事和民用领域。

背景技术

随着空间探索、天文研究以及对地观测的不断发展，人们对观测精度的要求越来越高，提高望远镜的空间分辨率成为迫切的需求。分辨率是空间遥感光学系统的重要性能指标，标志着一个国家空间技术的发展水平。目前世界各国争先研制高分辨率的空间光学遥感器，以满足对地观测、灾害监测等军事和民用领域需要。

在衍射极限条件下，遥感器光学系统的最小分辨角δ＝λ/D，表明口径(D)大的光学系统才会有高的空间分辨率。传统的光学系统均采用单个大口径光学系统，如哈勃望远镜，主镜直径为2.4米，能达到的角分辨率为0.007″，但是，总重量已达到11.25吨，已接近目前美国的空间运载能力极限。同时，口径增大，制造和发射成本也增大，哈勃望远镜从开始研制至发射历时12年，耗资15亿美元。因此，传统的光学系统越来越难以适应现代高分辨率航天光学遥感的要求，寻求适合于研制大口径望远镜的新原理与新方法迫在眉睫。

目前，国内外研究较多的是环面、环形、Golay和三臂结构等稀疏孔径的方法，但在轻量化的同时，如何解决加工装配的准确性方面还存在着不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种轻量化、高分辨率，且加工装配方便的大口径球面主镜。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种大口径主镜结构，其特征在于：它由3～6个相同的子孔径组成，各子孔径均匀分布于同一圆周上，子孔径的形状为与主镜同心的环扇形；它的填充因子F满足：F＞0.25；所述主镜的光学传递函数满足在最大截止频率内包含全部的光信息。

所述的环扇形是在外径为D、内径为d的环形基础上，相对于圆心取α角度的圆心角所形成的结构。

所述的子孔径最优的方案为4个。

所述的内径d≥50mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明所提供的主镜是一种同心稀疏孔径，因此，更易于装配。

2.它适合于任何有主镜的光学系统。

3.将其应用于望远镜，与同等分辨率的大口径望远镜相比，重量明显减轻。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种大口径球面主镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种环扇形孔径编码结构(结构1)光学系统的MTF曲线图；

图3是本发明实施例提供的一种环扇形孔径编码结构(结构2)光学系统的MTF曲线图；

图4是单个大口径结构光学系统的MTF曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种环扇形孔径编码结构(结构2)光学系统的图像复原结果图，其中左图为成像图像，中间为复原图像，右图为增强图像；

图6是本发明实施例提供的一种环扇形孔径编码结构(结构2)光学系统的图像复原对比度曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，它是本实施例的结构示意图。本实施例中，所述环扇形子孔径编码结构，它是以环形结构为基础，再相对于圆心取一定角度(α)的圆心角，形成环扇形结构。

在图1所示直角坐标关系中，D为该环扇形子孔径的环形外径，d为环形的内径，r＝(D-d)/2；α为子孔径角度(弧度)，角度α和β的关系是：α+2β＝π/2，子孔径个数N＝4。

为了进一步确定本实施例提供的环扇形孔径编码结构的光学传递函数特性，其光瞳函数的数学模型表达式如下：

$P(r,\mathrm{\θ})=\{\mathrm{circ}\left(\frac{r}{D/2}\right)-\mathrm{circ}\left(\frac{r}{d/2}\right)\}\{(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\mathrm{\π})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\mathrm{\π}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\frac{3\mathrm{\π}}{2})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\frac{3\mathrm{\π}}{2}))\}$

其中，d/2≤r＜D/2，0＜θ＜2π。

基于环扇形孔径编码结构的特点，该类结构填充因子F的计算公式如下式所示：

$F=\frac{N\·\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}(1-{\left(\frac{d}{D}\right)}^2)$

其中：N为子孔径个数，N＝4；α为子孔径角度(弧度)。

本实施提供的环扇形孔径编码结构外径D＝100mm，为了比较主镜编码结构的各种性能，尤其是它们的MTF曲线，以下设计了两种具体结构的环扇形孔径编码结构，并将其应用于两镜望远系统。

结构1：D＝100mm，d＝80mm，α＝π/6，β＝π/6的环扇形孔径编码结构的编码光学系统，按计算，它的填充因子F＝0.12；其MTF曲线如图2所示，由图中的曲线可见，该结构在最大截止频率内出现零点，大量光学信息丢失，不符合后续图像复原的要求。

结构2：D＝100mm，d＝60mm，α＝π/4，β＝π/8的环扇形孔径编码结构的编码光学系统，按计算，它的填充因子F＝0.32；参见附图3和4，图3是本实施例结构2提供的环扇形孔径编码结构光学系统的MTF曲线图，图4是D＝100mm的单个大口径光学系统MTF曲线图。从图3和图4的对比中可以看出，与单个大口径光学系统MTF曲线相比(图4中的曲线)，本实施例提供的大口径球面主镜结构(图3中的曲线)对比度明显下降，但其在最大截止频率频率范围内，保留了所有的光信息，可在后续进行图像复原，以获得轻型、高分辨的新型光学系统。

由于环扇形孔径编码结构的光学系统最终输出的图像是对比度较低的图像，为获得与单个大口径光学系统相当的图像质量，在最后要采用光信息的图像复原方法，以达到满足重量轻、易安装的高分辨率望远光学系统。

本发明提供的是一种轻量化的大口径球面主镜结构，因此，一般只考虑内径d≥50的各种环扇形主镜结构，各种结构的填充因子计算结果参见表1(其中，D＝100mm，N＝4)。

表1各种环扇形孔径编码结构的填充因子

环扇形编码结构	填充因子	复原结果
			d＝50，α＝π/6	0.25	满足复原要求(临界状态)
d＝50，α＝π/4	0.375	满足复原要求
			d＝50，α＝π/3	0.50	满足复原要求
d＝60，α＝π/6	0.213	不满足复原要求
			d＝60，α＝π/4	0.32	满足复原要求
d＝60，α＝π/3	0.427	满足复原要求
			d＝70，α＝π/6	0.17	不满足复原要求
d＝70，α＝π/3	0.34	满足复原要求
			d＝80.α＝π/6	0.12	不满足复原要求
d＝80，α＝π/3	0.24	不满足复原要求

由表1可以看出，当填充因子满足F＞0.25时，可满足复原要求，因此，可根据填充因子及环扇形孔径编码结构形式，选取符合要求的编码结构。

以本实施例结构2提供的环扇形孔径编码结构的编码光学系统为例，用该编码光学系统对一标准鉴别率进行成像，输出的是对比度低的图像，经过图像复原之后，图像对比度明显提高，在图像复原之后进行图像增强，对比度进一步提高，图像复原结果见图5所示，图像的对比度曲线图6，图6中，a为图像输出曲线，b为图像复原曲线，c为图像增强曲线；从图5的复原结果及图6对比度曲线可以得出，经过光学系统编码之后，与单个大口径光学系统相比，主镜重量减轻至1/3，同时能获得同等分辨率大小的图像。

Claims (3)

1.一种大口径球面主镜，其特征在于：它由3～6个相同的子孔径组成，各子孔径均匀分布于同一圆周上，子孔径的形状为与主镜同心的环扇形；它的填充因子F满足：F＞0.25；所述主镜的光学传递函数满足在最大截止频率内包含全部的光信息；其光瞳函数的数学模型表达式如下：

$P(r,\mathrm{\θ})=\{\mathrm{circ}\left(\frac{r}{D/2}\right)-\mathrm{circ}\left(\frac{r}{d/2}\right)\}\{\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\mathrm{\π})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\mathrm{\π}))$

$+(\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}-\frac{3\mathrm{\π}}{2})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\frac{3\mathrm{\π}}{2}))\}$

其中，D为该环扇形子孔径的环形外径，d为环形的内径，r＝(D-d)/2；α为子孔径角度，即所述子孔径相对于圆心的圆心角，角度α和β的关系是：α+2β＝π/2，d/2≤r＜D/2，0＜θ＜2π；

填充因子F的计算公式如下式所示：

$F=\frac{N\·\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}\left({\left(\frac{d}{D}\right)}^2\right)$

其中，N表示子孔径个数。

2.根据权利要求1所述的大口径球面主镜，其特征在于：所述的子孔径为4个。

3.根据权利要求1所述的大口径球面主镜，其特征在于：所述的内径d≥50mm。

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