CN103487923B - 一种全反射光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全反射光学成像系统，该成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的外置入瞳、第三反射镜和第一反射镜；在第三反射镜的右上方设置有第二反射镜，该成像系统的焦面位于第三反射镜的左下方；第一反射镜和第二反射镜为球面反射镜，第三反射镜为扁椭球面反射镜，第一反射镜反射面球心和第二反射镜反射面球心重合，该重合处位于第三反射镜反射面旋转对称轴上，第三反射镜反射面旋转对称轴和系统光轴重合；外置入瞳与系统光轴成一定的角度。本发明具有共光轴、偏视场使用、光阑外置、线视场、像方远心的全反射光学系统，适合作为静态干涉成像光谱仪成像镜应用。

Description

一种全反射光学成像系统

技术领域

本发明涉及一种全反射光学成像系统。具体地说，是一种共光轴、偏视场使用、光阑外置、线视场、像方远心的全反射光学系统。

背景技术

相对于折射光学系统，全反射光学系统在长焦距、大口径和宽波段光学系统中有着无可替代的优势。一般来说，在口径大于300mm的光学系统中，由于材料以及光学系统体积和重量的限制，单纯的折射系统就已经不适用了。这些限制对于反射系统来说，则完全不存在。在长焦系统中，可以通过反射镜来回折转光路，从而大大缩小系统体积；在反射系统中，光线并不穿过整个光学元件，而只是在光学元件的一侧反射，可以在保证面型稳定的前提下，挖空背面来减重。这些特征决定了反射系统特别适合于航天遥感应用。目前在轨的高分辨率对地观测卫星，如Sopt V、Ikonos、Quickbird和Worldwile-I等，其光学系统均为全反射光学系统。宽谱段特性是全反射系统的另一个突出的优点。一般反射面镀的金属反射膜从紫外一直到远红外都有比较高的反射率，而且没有色差，非常适合宽谱段应用的光学系统。

在全反射系统中，由于光线来回反射，导致镜片之间的相互遮拦是很大的问题。由于镜片之间互相的遮拦，使得全反射系统中镜片数量相对于折射系统要少得多。镜片数量少，使得校正光学系统像差的变量也就少，所以一般反射系统中镜片面型都使用二次曲面或高次非球面以增加变量个数，从而校正更多的像差，提高成像系统性能。

球面、二次曲面和高次非球面可用以下公式描述：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}+{\mathrm{Hh}}^{18}+{\mathrm{Jh}}^{20}$

这里z为曲面相对于顶点的矢高；

c为曲面顶点处曲率；

k为二次曲面系数；

k=0时，为球面；

-1<k<0时，为长轴和光轴重合的椭球面；

k=-1时，为抛物面；

同时，k=-e²，e为二次曲面离心率；

当k>0时，曲面由椭圆短轴和光轴重合，绕光轴生成的曲面，此时，k=e²/(1-e²),e为椭圆的离心率。

A，B，C，D，E，F，G，H，J分别为4阶，6阶，8阶，10阶，12阶，14阶，16阶，18阶，20阶非球面系数，当以上非球面系数全为零时，曲面为完全的二次曲面。

h=x²+y²；

习惯上，我们将二次曲面和高次非球面统称为非球面。

传统的反射式光学系统主要有牛顿系统、格里高利系统和卡塞格伦系统。它们的反射镜面型均为二次曲面，其中，牛顿系统由一抛物面构成；格里高利系统由一抛物面和一椭球面组成；卡塞格伦系统由一抛物面和一双曲面组成。这些系统都校正了球差，但其他和视场相关的像差没有得到充分校正，随着视场增大，这些系统的像质急剧变差。随后，卡塞格伦系统改进为一种称为RC的反射系统，主镜是非常接近抛物面的双曲面，次镜为双曲面。RC系统同时校正了球差和彗差，使得系统视场得到了扩展。著名的哈勃太空望远镜就是RC系统的一个非常成功的应用。在RC系统焦面附近增加一组校正场曲的平场镜可以进一步扩大成像系统的视场，但是折射元件的引入，大大限制了光学系统的宽谱段性能。

在20世纪六、七十年代，出现了一种称之为三反射镜消象散系统（简称TMA）。TMA由三片非球面反射镜组成，同时校正了球差、彗差和场曲，通过合理分配三片反射镜的光焦度，还可以校正场曲。在TMA系统的基础上，发展出了几种具体的光学系统。

典型的是U.S.Patent4,101,195(1978)公布的一种结构。它由4片反射镜构成，其中一片平面镜，三片二次曲面镜（一个双曲面，两个椭球面）。有实的一次像面和实的Lyot光阑。整个系统结构紧凑，入瞳位于主镜，其他镜片尺寸明显小于主镜，适合大口径应用，是一个优良的光学系统。它的工作视场为线视场，非常适合工作于推扫模式。美国一米分辨率的对地观测卫星Ikonos就采用了结构。但这种系统不是像方远心的，它的主光线在焦平面入射角比较大，这对焦面照度的均匀性和焦面附近滤光片滤光效果都是很不利的。

U.S.Patent4,240,707(1980)公布了另一种TMA的结构，由三片非球面镜组成，视场同样视为线视场，但视场比U.S.Patent4,101,195更大。其光路结构为像方远心，但是其入瞳位于第二反射镜，其他两个反射镜尺寸相近，并且远大于入瞳直径，所以对于大口径高分辨率观测应用来说，这种结构并不适用。这种结构适用于小口径、较大视场、多谱段、工作于推扫模式的成像装置。美国EO-1计划中的ALI多光谱相机，其入瞳口径为125mm，就采用了这种光学系统。

以上反射系统的镜面面型均为二次曲面。在反射系统的发展中出现了一种由球面的反射系统。较早的是一种称之为Schwarzschild反射系统。这个系统由一凸一凹两片同心反射镜组成，这种结构校正了球差、彗差核像散。USpatents3,748,105(1973)介绍了一种2反射镜3次反射的光学系统。整个系统由两个同心球面反射镜组成，物面和像面在球形处，光阑置于凸反射镜，物方和像方均为远心，具有1倍放大率。这种系统自动消除了球差、彗差核畸变，同过合理调整反射镜曲率，使系统光焦度和为零，还可以消除3阶像散和场曲。US patents4,226,501（1980）介绍了一种4反射镜的、5次反射光学系统。其四个反射镜均为球面。第一反射镜和第二反射镜同心，曲率半径比为入瞳位于第一镜球心处。第三镜和第四镜同心，并且第三镜曲率半径约为第四镜的2倍。

发明内容

本发明目的在于提供一种全反射光学成像系统，是一种共光轴、偏视场使用、光阑外置、线视场、像方远心的全反射光学系统，并且适合作为静态干涉成像光谱仪成像镜使用。

本发明的技术方案是：

一种全反射光学成像系统，其特殊之处在于：该成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的外置入瞳、第三反射镜和第一反射镜；在第三反射镜的右上方设置有第二反射镜，该成像系统的焦面位于第三反射镜的左下方；所述第一反射镜和第二反射镜为球面反射镜，第三反射镜为扁椭球面反射镜，第一反射镜反射面球心和第二反射镜反射面球心重合，该重合处位于第三反射镜反射面旋转对称轴上，第三反射镜反射面旋转对称轴和系统光轴重合；外置入瞳与系统光轴成一定的角度，使得光线经过外置入瞳、第一反射镜、第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜、第一反射镜，聚焦于焦面。

上述外置入瞳与光轴成12°夹角。

上述第三反射镜处设置有孔径光阑。

上述第一反射镜为凹的球面反射镜，第二反射镜为凸的球面反射镜，第三反射镜为凸的扁椭球面反射镜。

上述第一反射镜对光线共三次反射。

其中，第二反射镜与焦面均可调节，但不能遮挡光线。

本发明的有益效果如下：

1、本发明具有共光轴、偏视场使用、光阑外置、线视场、像方远心的全反射光学系统，适合作为静态干涉成像光谱仪成像镜应用。

2、整个光学系统具有一次中间像面和单一的孔径光阑，具有优良的杂光抑制性能。

3、各个视场主光线（通过入瞳中心的光线）在焦面入射角小于3°，是一个理想的像方远心系统。

附图说明

图1为本发明光学系统结构示意图；

图2为本发明光学系统传递函数曲线图；

图3为本发明光学系统像差曲线图；

其中附图标记为：

1—系统光轴，2--外置入瞳，3--第一反射镜，4--一次像面，5--第二反射镜，6—孔径光阑，7—第三反射镜，8—焦面。

具体实施方式

如图1所示，一种全反射光学成像系统，该成像系统包括沿系统光轴1自左向右依次设置的外置入瞳2、第三反射镜7和第一反射镜3；设置于第三反射镜7右上方的第二反射镜5和左下方的焦面8，第三反射镜7的反射面上设置有孔径光阑6；第一反射镜3反射面球心和第二反射镜5反射面球心重合，该重合处位于第三反射镜7反射面旋转对称轴上，第三反射镜7反射面旋转对称轴和系统光轴1重合；外置入瞳2与光轴1成一定的角度。其中，第一反射镜3为凹的球面反射镜，第二反射镜5为凸的球面反射镜，第三反射镜7为凸的扁椭球面反射镜，入瞳中心位于系统光轴1上。

首先，光线通过入瞳入射至第一反射镜3，中心视场主光线和系统光轴1约有12°夹角，第一反射镜3将入射光线反射后汇聚成一次像面4，然后入射至第二反射镜5，光线被第二反射镜5反射后第二次入射至第一反射镜3，然后光线被第一反射镜3反射至第三反射镜7，系统孔径光阑6位于第三反射镜7，光线被第三反射镜7反射后第三次入射至第一反射镜3，最后光线经第一反射镜3反射聚焦于焦面8。

同理，若将第三反射镜7右上方的第二反射镜5调制右下方，将焦面8调制第三反射镜7的左上方，调整外置入瞳2的角度，可以达到同样的效果，这与上述技术方案为等同技术方案。

表一所示为本发明中各个光学器件的参数值：

表一

名称	位置(mm)	面型	曲率半径（mm）
				入瞳	0	--	--
第一反射镜	1190.00	球面	895.80
				第二反射镜	686.30	球面	-382.00
第三反射镜	633.00	非球面	-1398.0
				焦面	576	--	--

由上述表一的参数值可得出在0视场、0.7视场、1视场，参考波长均为632.8nm的图2、图3的曲线效果图。

整个光学系统F/#（焦距与入瞳口径的比值，越大越容易实现）可以达到4.5，并在水平方向±6°，竖直方向±0.6°的方形视场内具有衍射极限的成像质量（口径一定时的理论上最高的分辨率）。各个视场主光线（通过入瞳中心的光线）在焦面入射角小于3°，是一个比较理想的像方远心系统。整个光学系统具有一次中间像面和单一的孔径光阑，具有优良的杂光抑制性能。

本发明是一种共光轴、偏视场使用、光阑外置、线视场、像方远心的全反射光学系统，适合于作为静态干涉成像光谱仪成像镜使用。

Claims (4)

1.一种全反射光学成像系统，其特征在于：该成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的外置入瞳、第三反射镜和第一反射镜；在第三反射镜的右上方设置有第二反射镜，该成像系统的焦面位于第三反射镜的左下方；所述第一反射镜和第二反射镜为球面反射镜，第三反射镜为扁椭球面反射镜，第一反射镜反射面球心和第二反射镜反射面球心重合，该重合处位于第三反射镜反射面旋转对称轴上，第三反射镜反射面旋转对称轴和系统光轴重合；外置入瞳与系统光轴成一定的角度，使得光线经过外置入瞳、第一反射镜、第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜、第一反射镜，聚焦于焦面；

所述第一反射镜为凹的球面反射镜，第二反射镜为凸的球面反射镜，第三反射镜为凸的扁椭球面反射镜。

2.根据权利要求1所述的全反射光学成像系统，其特征在于：所述外置入瞳与光轴成12°夹角。

3.根据权利要求1或2所述的全反射光学成像系统，其特征在于：所述第三反射镜处设置有孔径光阑。

4.根据权利要求书3所述的全反射光学成像系统，其特征在于：所述第一反射镜对光线共三次反射。