CN102981254B - 一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统 - Google Patents

Abstract

一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统，属于空间光学技术领域中涉及的一种光学系统，解决的技术问题是：提供一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统。技术方案：包括主镜、次镜、光阑、三镜、四镜、平面反射镜、探测器像面，主镜、次镜为双曲面，三镜、四镜为高次非球面。主镜、次镜、三镜、四镜共轴，次镜置于主镜的反射光路上，三镜置于次镜的反射光路上，四镜置于三镜的反射光路上，平面反射镜置于四镜的反射光路上，平面反射镜与探测器像面的离轴角为-49°。孔径光阑固连在次镜的镜框上，系统采用偏视场设计。该系统能够获得高的地面象元分辨率，以及较大的视场，结构紧凑，在空间光学领域具有很大的应用潜力。

Description

一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统

技术领域

本发明属于空间光学技术领域中涉及的一种长焦距短结构非球的面共轴四反射镜光学系统。

背景技术

从基本理论可知，当空间相机轨道高度和CCD像元尺寸一定时，随着光学系统焦距的增加，可以提高地面的像元分辨率，通常把焦距超过1m的光学系统称为长焦距光学系统。传统的折射式光学系统随着焦距的增长将导致光学系统体积增大，使得光学系统的质量增大，从而增加了发射成本，同时，折射式光学系统色差校正困难。相比之下，反射式光学系统无色差，光学系统可折叠，在小体积、轻量化的发展道路上具有明显的优势。

全部由反射镜组成的光学系统在航天遥感的应用中备受关注，愈来愈多的应用于空间分辨率为米级和亚米级航天相机上。按系统中反射镜个数分类，反射式光学系统一般可分为：两反射镜光学系统，三反射镜光学系统以及四反射镜光学系统等。两反射镜光学系统结构简单，但是自由度太少，不能同时校正多种像差；三反射镜光学系统有更多的自由度，能校正更多的像差，但是，由于三反射镜光学系统的设计自由度不足以校正所有像差，通常由于畸变过大，系统成像变形严重，影响了其应用范围；在长焦距光学系统中，往往因为系统的结构长度和焦距的比值比较大，致使光学系统体积大，增大了光学系统的质量，增加了发射成本。四反射镜光学系统是在三反射镜光学系统的基础上再加一片反射镜，系统的自由度更大，能做到长焦距短结构，在空间光学领域有很大的应用前景。经检索查新没有发现有关长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统的报导。

发明内容

本发明的目的在于：在保证平像场，50lp/mm频率处传递函数>0.45，全视场畸变<0.01%，以及四片非球面反射镜共轴的前提下，尽可能的做大光学系统的焦距，以获得高的地面像元分辨率，同时控制光学系统焦距与结构长度的比值，以减小光学系统的体积，降低发射成本。特设计一种长焦距、短结构、无中心遮拦、像差特性优良的共轴非球面四反射镜光学系统。

本发明要解决的技术问题是：提供一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统。解决技术问题的技术方案：如图1所示，包括主镜1、次镜2、光阑3、三镜4、四镜5、平面反射镜6和探测器像面7。主镜1、次镜2、三镜4和四镜5共轴排布，次镜2放置在主镜1的反射光路上，三镜4放置在次镜2的反射光路上，将光阑3置于次镜2的镜框上，两者固连，四镜5放置在三镜4的反射光路上，平面反射镜6放置在四镜5的反射光路上，离轴角为-49°起到折叠后焦距的作用，探测器像面7放置在四反射镜光学系统的焦面上，离轴角为-49°；在该共轴四反射镜光学系统的光路连接中各镜之间的距离分别为：次镜2到主镜1的距离为d1、三镜4到次镜2的距离为d2、四镜5到三镜4的距离为d3、平面反射镜6到四镜5的距离为d4、探测器像面7到平面反射镜6的距离为d5，其中，d1=-418.645mm，d2=420.000mm，d3=-415.000mm，d4=750.000mm，d5=-384.953；主镜1、次镜2、三镜4和四镜5，四个镜面的顶点曲率半径分别为： R1、R2、R3、R4，其中，R1=-1902.171mm，R2=-1277.557mm，R3=-1492.532mm，R4=-1237.540mm；四个反射镜的反射面型均采用非球面，其中，主镜1和次镜2为双曲面，主镜1的二次曲面系数为k1，k1=-2.349，次镜2的二次曲面系数为k2，k2=-8.198；三镜4和四镜5为包含二阶与六阶项的高次非球面，其中，三镜4二次曲面系数为k3，k3=-7.514，二阶非球面系数为A3，A3=3.926E-4，六阶非球面系数为C3 ，C3=6.094E-16；四镜5的二次曲面系数为k4，k4=-0.310，二阶非球面系数为A4，A4=-2.180E-4，六阶非球面系数为C4，C4=2.050E-17。此光学系统的焦距长2466mm，焦距与结构长度比约为5.3/1，为无中心遮拦的共轴非球面四反射光学系统。

本发明的工作原理：本光学系统为了使成像光束能清晰成像在探测器像面7上，采用了偏视场设计，成像光束在子午方向偏离光轴7°~7.3°角进入光学系统，经过主镜1、次镜2、三镜4、四镜5以及平面反射镜6五片反射镜的反射后，最终成像在探测器像面7上。为了实现偏视场无中心遮拦的设计，将光阑3设置在次镜2的镜框上；为获取优良的像差特性，利用非球面来校正像差，使得成像系统的成像质量接近衍射极限。在o-xyz右手坐标系中，球面和非球面的数学描述如下：

$z=\frac{{\mathrm{ckr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^2+{\mathrm{Br}}^4+{\mathrm{Cr}}^6+{\mathrm{Dr}}^8+{\mathrm{Er}}^{10}+{\mathrm{Fr}}^{12}+{\mathrm{Gr}}^{14}+{\mathrm{Hr}}^{16}+{\mathrm{Jr}}^{18}+{\mathrm{Kr}}^{20}$

式中r=x²+y²；

c为曲面顶点处的曲率；

k为二次曲面系数；

A、B、C、D、E、F、G、H、J、K分别为2阶、4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶、18阶、20阶非球面系数。

1)当z只取第一项时，上式表示一般的二次曲面，

k=0时，上式表示球面；

k=-1时，上式表示抛物面；

-1＜k＜0时，上式表示椭球面物面；

k＜-1时，上式表示双曲面；

0＜k时，上式表示扁球面；

2)当z取全部项时，上式表示高次非球面。

习惯上，二次曲面与高次非球面被统称为非球面。本发明引入了非球面来校正像差，并达到了预期效果。

四个非球面反射镜采用共轴布置，主镜1和次镜2为双曲面，三镜4和四镜5为包含二阶与六阶项的高次非球面。系统优化自由度包括：四个曲率半径，四个二次曲面系数，四个高次曲面系数一共十二个。这些优化自由度可以保证在曲面间距按需求设定的情况下来校正像差；为了使光学系统更加紧凑，在原设计基础上再添加一片平面镜反射镜6来折叠光路，使结构缩短。

本发明的积极效果有：

a)长焦距、短结构且无中心遮拦。本发明的核心部分为前四片非球面反射镜，采用共轴偏视场光学设计，光阑设于次镜2，避免了中心遮拦，实现了焦距为2466mm，像空间F数为13.7的长焦距光学系统，。

b)较大的矩形视场，弧矢方向视场8°，子午方向视场达到0.3°。

c)像差校正理想。本发明光学传递函数接近衍射极限，在5lp/mm频率处超过0.95，在30lp/mm频率处>0.65，在50lp/mm频率处>0.45，全视场畸变<0.01%，像差得到非常好的校正。

d)结构紧凑。本发明使用平面反射镜6来折叠后焦距，使得系统整体结构紧凑，使焦距与结构长度比达到5.3/1。

e)加工装调便利。共轴结构大大减少了核心部分的装调自由自由度数量，为了减小加工和检测难度，对通光口径相对较大的主镜1和次镜2均采用普通的二次曲面，只对通光口径相对较小三镜4和四镜5采用低阶的高次非球面。

附图说明

图1是本发明一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明按图1所示的结构实施。像方焦距为2466mm，相对孔径D/F为1/13.7，视场偏离角为7.0°~7.3°，主镜1反射面的顶点曲率半径R1=-1902.171mm，次镜2反射面的顶点曲率半径R2=-1277.557mm，三镜4反射面的顶点曲率半径R3=-1492.532mm，四镜5反射面的顶点曲率半径R4=1237.540mm；主镜1到次镜2的距离d1=-418.645mm，次镜2到三镜4的距离d2=420.000mm，三镜4到四镜5的距离d3=-415.000mm；为折叠后焦距，在四镜5后面引入一块平面反射镜6，四镜5到平面反射镜6的距离为d4=750.000mm，平面反射镜6离轴角度为-49°，平面反射镜6到像面探测器7的距离为d5=-384.953mm，探测器像面7离轴角度为-49°；主镜1的二次曲面系数为k1=-2.349，次镜2的二次曲面系数为k2=-8.198，三镜4的二次曲面系数为k3=-7.514，四镜5的二次曲面系数为k4=-0.310；三镜4的二阶非球面系数为A3=3.926E-4，六阶非球面系数为C3=6.094E-16，四镜5的二阶非球面系数为A4=-2.180E-4，六阶非球面系数为C4=2.050E-17；这样就可以得到焦距长2466mm，焦距与结构长度比约为5.3/1，像差特性优良的共轴非球面四反射光学系统。

Claims (1)

1.一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统，其特征在于：包括主镜(1)、次镜(2)、光阑(3)、三镜(4)、四镜(5)、平面反射镜(6)、探测器像面(7)；次镜(2)放置在主镜(1)的反射光路上，三镜(4)放置在次镜(2)的反射光路上，将光阑(3)置于次镜(2)的镜框上，两者固连，四镜(5)放置在三镜(4)的反射光路上，平面反射镜(6)放置在四镜(5)的反射光路上，探测器像面(7)放置在四反射镜光学系统的焦面上，平面反射镜和探测器像面的离轴角为-49°；主镜(1)、次镜(2)、三镜(4)和四镜(5)均为非球面且共轴排布；主镜(1)到次镜(2)的距离为d1，次镜(2)到三镜(4)的距离为d2，三镜(4)到四镜(5)的距离为d3，四镜(5)到平面反射镜(6)的距离为d4，平面反射镜(6)到探测器相面(7)的距离为d5；主镜(1)、次镜(2)、三镜(4)和四镜(5)，四个镜面的顶点曲率半径分别为：R1、R2、R3、R4、；主镜(1)和次镜(2)为双曲面，主镜(1)、次镜(2)的二次曲面系数为k1、k2；三镜(4)和四镜(5)为包含二阶与六阶项的高次非球面，三镜(4)二次曲面系数为k3，二阶非球面系数为A3，六阶非球面系数为C3；四镜(5)的二次曲面系数为k4，二阶非球面系数为A4，六阶非球面系数为C4；其中，d1＝-418.645mm，d2＝420.000mm，d3＝-415.000mm，d4＝750.000mm，d5＝-384.953；R1＝-1902.171mm，R2＝-1277.557mm，R3＝-1492.532mm，R4＝-1237.540mm；k1＝-2.349，k2＝-8.198；k3＝-7.514，A3＝3.926E-4，C3＝6.094E-16；k4＝-0.310，A4＝-2.180E-4，C4＝2.050E-17。