CN102073131A - 大孔径全反射式光学合成孔径成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，解决了传统单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到期望的系统指标的问题。该系统的子望远镜有两个，每个无焦子望远镜均由沿光入射方向依次设置的RC系统、第一平面反射镜和第一凹面反射镜组成，所述RC系统与第一凹面反射镜共焦，所述第一平面反射镜位于此焦面处；所述光学延迟线在空间上是设置于两个无焦子望远镜之间的第二平面反射镜组；所述光束合成镜由采用孔径离轴方式设置的四个反射镜组成。本发明设计了两个结构相同的小孔径系统，可实现模块化生产和检测，降低了系统加工和制造难度，整个系统的体积和重量也大大降低，大幅降低研制成本。

Description

大孔径全反射式光学合成孔径成像系统

技术领域

本发明涉及一种光学合成孔径成像系统，具体涉及一种大口径两子镜全反射式合成孔径成像系统。

背景技术

根据物理光学理论，在系统工作波长一定的情况下，要提高光学系统的空间分辨率，必须增大系统的通光口径。在实际应用中，大型或超大型的光学系统口径的增大受到材料、工艺水平、装配、有效载荷舱体积和成本等诸多因素的限制，在现有技术条件下是很难实现甚至不可能实现。并且对于空间光学系统，口径的增大势必带来发射的困难，复杂的空间环境也可能导致大口径光学镜面的变形而不能达到正常的工作性能，最终导致系统可能无法达到正常的工作性能。为了突破系统口径的限制，获得更高的空间分辨率，并且降低系统的重量，光学合成孔径成像理论得以提出。

为了解决传统单个大口径光学系统所带来的种种技术难题，欧美科学家较早的提出了光学合成孔径成像技术。光学合成孔径成像系统是以组合孔径法为基本原理的成像系统。它是把多个小口径的光学元件或光学系统按照一定的方式在空间上进行排列，通过各子孔径的光束经过位相补偿和调整后相干叠加到共同的焦平面上，使系统的空间分辨率和成像质量等效为一个更大口径的光学成像系统。各子孔径所产生的像场必需是同位相叠加，这样它们之间才能在艾里斑的中心相互增强并使艾里斑变窄，从而达到提高分辨率的作用。小孔径系统的使用，降低了系统加工和制造难度，整个系统的体积和重量也大大降低。多个结构相同的小孔径系统还可实现模块化生产和检测，大幅降低研制成本。

光学合成孔径成像系统有共用次镜型和多望远镜型两种理论结构型式。共用次镜结构，又名拼接主镜技术，是将单大口径系统的主镜分为多个小块，每个小块的面型与主镜相同，是主镜的一部分，将各部件按其在大口径系统中的位置进行排布，次镜将来自各小块的光线汇聚至像面成像。共用次镜结构可以认为是多个带有不同离轴量的光学系统的组合，现在单大口径系统的设计主要采用的就是这种结构。

共用次镜结构的设计可以在传统单口径系统的主镜上加入不同的孔径光阑实现，其设计方法与传统单孔径系统的设计方法相同。

多望远镜结构主要考虑由多个结构相同的无焦系统、光束合成镜和光学延迟线三部分组合实现的，多个无焦子望远镜收集来自物面的入射光束，光束合成镜作为第二级光学系统收集来自各无焦子望远镜的光束，并将其成像于像面上，光学延迟线则作为无焦子望远镜和光束合成镜的连接部，将无焦子望远镜的出射光束送入光束合成镜进行光束合成。该结构中无焦子望远镜可以实现批量化生产，以降低成本；光束合成镜口径较小，在设计和加工等方面难度不大；无焦子望远镜和光束合成镜间的光学延迟线可用于调整各子镜间的相位差，给装调带来方便。

多望远镜型光学合成孔径成像技术与传统单孔径光学成像技术的差异导致其在设计方法上和性能评价上的差异。

在性能评价方面，调制传递函数(MTF)和斯特列尔值(Strehl Ratio，SR)是评价合成孔径成像系统成像性能和设计优劣的重要指标。根据成像光学理论，良好的设计结果其MTF应接近衍射极限，SR高于0.8。

目前，还没有出现规范的设计方法作为标准化操作流程，以建立满足系统指标的合成孔径成像系统。某些简单的合成孔径成像系统的实践常采用折射透镜进行设计，由于折射式透镜自身存在色散且可用于加工的大尺寸玻璃数量极少等局限，在谱段较宽或孔径较大时其设计结果难以达到期望的系统指标。

合成孔径成像系统的设计是合成孔径成像技术工程化应用的先决条件，是合成孔径成像技术研究的关键技术之一。

发明内容

本发明提供了一种大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，解决了传统单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到期望的系统指标的问题。

本发明的技术方案如下：

大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，该系统由结构相同的两个无焦子望远镜、分别对应于每个无焦子望远镜的光学延迟线和光束合成镜组成，其中每个无焦子望远镜均由沿光入射方向依次设置的RC系统、第一平面反射镜和第一凹面反射镜组成，所述RC系统与第一凹面反射镜共焦，所述第一平面反射镜位于此焦面处；所述光学延迟线在空间上是设置于两个无焦子望远镜之间的第二平面反射镜组；所述光束合成镜由采用孔径离轴方式设置的四个反射镜组成，所述四个反射镜是沿第二平面反射镜出射光路依次设置的第二凹面反射镜、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凹面反射镜组成，所述第三凹面反射镜的焦面即系统成像面。

上述第一凹面反射镜形成的平行出射光方向与RC系统光轴垂直，且第二平面反射镜组的每个第二平面反射镜的入射光与出射光的夹角皆为90°。这样，系统的结构更简洁紧凑、便于调试。

本发明具有以下优点：

本发明具有孔径大、重量轻且结构简单等特点，系统中无折射透镜，避免了色差的出现。突破了系统口径的限制，可获得更高的空间分辨率，能够满足较高的系统指标；两个结构相同的小孔径系统可实现模块化生产和检测，降低了系统加工和制造难度，整个系统的体积和重量也大大降低，大幅降低研制成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明系统调制传递函数(MTF)曲线；

图3为本发明系统斯特列尔值随视场的变化曲线。

附图标号说明：

1-RC系统主镜，2-RC系统次镜，3-第一平面反射镜，4-第一凹面反射镜，5-第二凹面反射镜，6-第一凸面反射镜，7-第二凸面反射镜，8-第三凹面反射镜，9-系统成像面。

具体实施方式

要求的系统总体指标如下表1所示。

表1

口径	5.6m
		全视场角	0.1°
相对孔径	1/10.7
		工作谱段	0.51～0.68μm
子孔径排布型式	2子镜结构

按照表1提出的系统总体指标要求，本发明设计的无焦子望远镜和光束合成镜的技术指标如表2所示。

表2

	无焦子望远镜	光束合成镜
			工作波段	0.51～0.68μm	0.51～0.68μm
入瞳直径	2.2m	1.25m
			焦距	∞	9.36m
放大率	6.4	---
			全视场角	0.1°	0.64°

系统采用了视场偏移，全视场范围为0～0.1°。

根据表2设计得到的技术指标，最终得到的系统结构可以分为无焦子望远镜I、光束合成镜II和光学延迟线III共三组。无焦子望远镜I包括由反射镜1和反射镜2组成的RC系统，其与反射镜4共焦，组成无焦系统，平面反射镜3用于折叠系统光路，使系统结构紧凑。光束合成镜II组由四个反射镜5、6、7和8组成，系统采用了孔径离轴来避免反射系统的中心遮拦。III组中的平面反射镜作为光束延迟线，连接无焦子望远镜和光束合成镜。

因此，系统中的光线走向为：来自目标的光线经过反射镜1和反射镜2后成像于平面反射镜3处，平面反射镜将其反射至反射镜4形成平行光束，经光学延迟线III组后进入光束合成镜II组，依次经过反射镜5、6、7和8在系统像面9处成像。

系统MTF曲线、斯特列尔值随视场的变化曲线如图2所示：在中频区域子午方向上，边缘视场较轴上视场MTF约有0.05的下降。在低频和高频区域系统各视场的MTF曲线基本一致。

系统斯特列尔值随视场的变化如图3所示：系统斯特列尔值随视场的增大而降低，轴上点斯特列尔值为1，而在边缘视场处，斯特列尔值约为0.85，但各视场的斯特列尔值均在0.8以上。根据斯特列尔判据，系统的设计已经达到了衍射极限。

本系统可用于地基天文台用天文观测系统。

Claims (2)

1.大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，其特征在于：该系统由结构相同的两个无焦子望远镜、分别对应于每个无焦子望远镜的光学延迟线和光束合成镜组成，其中每个无焦子望远镜均由沿光入射方向依次设置的RC系统、第一平面反射镜(3)和第一凹面反射镜(4)组成，所述RC系统与第一凹面反射镜(4)共焦，所述第一平面反射镜(3)位于此焦面处；所述光学延迟线在空间上是设置于两个无焦子望远镜之间的第二平面反射镜组；所述光束合成镜由采用孔径离轴方式设置的四个反射镜组成，所述四个反射镜是沿第二平面反射镜出射光路依次设置的第二凹面反射镜(5)、第一凸面反射镜(6)、第二凸面反射镜(7)、第三凹面反射镜(8)组成，所述第三凹面反射镜(8)的焦面即系统成像面。

2.根据权利要求1所述的大孔径全反射式光学合成孔径成像系统，其特征在于：所述第一凹面反射镜(4)形成的平行出射光方向与RC系统光轴垂直，且第二平面反射镜组的每个第二平面反射镜的入射光与出射光的夹角皆为90°。

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