CN103592749A - 自由曲面成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由曲面成像光学系统。本发明所述的系统包括第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜和孔径光阑，以及探测器，目标经过所述第一反射镜反射后照射到第二反射镜，经过第二反射镜反射后照射到第三反射镜，经过第三反射镜反射后照射到第四反射镜，最后由第四反射镜反射后照射到探测器像面；所述孔径光阑与第三反射镜位置重合；所述第一反射镜是光焦度为负的长条形球面反射镜，第二反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜，第三反射镜是光焦度为负的自由曲面反射镜，第四反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜。采用这种光学系统的相机，视场超大、畸变小，可以实现多光谱成像。可应用在航空、航天光电成像领域。

Description

自由曲面成像光学系统
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，尤其涉及空间光学中的一种自由曲面成像光学系统。
背景技术
本发明是以多光谱线阵光电探测器作为成像接收器的自由曲面、超大视场、全反射式、多光谱成像空间相机光学系统，在航空及航天空间对地侦察、遥感、探测等领域获得高清晰度照片，可广泛应用于民用、国防、军工等领域。
目前采用的离轴三反射式光学系统的相机，视场容限有限，目前国内最大的离轴三反射式光学系统视场为17°。另外现有的离轴反射式系统成像畸变过大，系统所成图像变形严重，影响空间相机的使用范围。
发明人在2012年获得的发明专利超大视场偏轴全反射式光学系统（专利号201010613570.X）中采用了四块球面反射镜进行成像，只能适用于短焦距的大视场光学系统中，焦距一般小于100mm。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种自由曲面成像光学系统，，该系统适用于焦距1000mm左右的光学系统，使得成像视场更大，像质更优异，同时系统的成像畸变低，适合于多光谱探测器的自由曲面全反射式光学系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
自由曲面成像光学系统，包括：
第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜和孔径光阑，以及探测器，目标经过所述第一反射镜反射后照射到第二反射镜，经过第二反射镜反射后照射到第三反射镜，经过第三反射镜反射后照射到第四反射镜，最后由第四反射镜反射后照射到探测器像面；所述孔径光阑与第三反射镜位置重合；所述第一反射镜是光焦度为负的长条形球面反射镜，第二反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜，第三反射镜是光焦度为负的自由曲面反射镜，第四反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜。
本发明的有益效果是：本光学系统可实现超大视场成像，视场角达到76°。系统布局紧凑，为光电系统的小型化提供可能。各反射镜之间间距设计合理，可以很好的抑制杂光。系统采用准远心光路设计，系统成像畸变小，使得多光谱窄带滤光片带来的波带漂移减小。本发明为多光谱列阵探测器设计，可以同时实现红、绿、蓝和近红外谱段成像。系统在Y方向的视场容限足够大，可以允许进行多光谱探测器拼接来扩大系统的成像幅宽。因此，系统特别适合作为小卫星上用的大视场多光谱相机的光学系统。应用领域包括空间侦察、空间观测等。
附图说明
图1为本发明自由曲面成像光学系统的结构示意图；
图2为本发明采用的坐标系示意图；
图3为本发明自由曲面成像光学系统中反射镜位置关系示意图。
图中：1、第一反射镜，2、第二反射镜，3、第三反射镜，4、第四反射镜，5、孔径光阑，6、多光谱列阵探测元件，7、多光谱列阵探测元件像面
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1所示为本发明实施例提供的自由曲面成像光学系统的结构示意图。本发明采用的技术方案是：光学系统采用全反射系统结构形式，采用四块反射镜，反射镜1光焦度为负，反射镜2、3、4为自由曲面，四块反射镜的光轴与系统光轴均不重合，每反射一次系统光轴就偏折一次。
具体的本发明所述的自由曲面成像光学系统是由第一反射镜1，第二反射镜2，第三反射镜3，第四反射镜4和孔径光阑5，以及多光谱列阵探测元件6组成。
本光学系统按XYZ右手空间坐标系有序排列，Z轴方向定为光轴方向，Y轴在图示2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，每经过一块反射镜系统光轴发生一次偏折，反射镜及光阑的排列顺序为：第一反射镜1，第二反射镜2，第三反射镜3，孔径光阑5与第三反射镜3重合，第四反射镜4和多光谱列阵探测元件像面7。
第一反射镜1是一块光焦度为负的长条形球面反射镜，第二反射镜2是一块光焦度为正的自由曲面反射镜，第三反射镜8是一块光焦度为负的自由曲面反射镜，第四反射镜4是一块光焦度为正的自由曲面反射镜。
第一反射镜1和第二反射镜2的反射面相对安排，第二反射镜2和第三反射镜3的反射面相对安排，第三反射镜3和第四反射镜4的反射面相对安排，第四反射镜4与多光谱列阵探测元件像面7相对安排；四块反射镜的中心间隔按照1.4：1：1的比例安排；四块反射镜的中心都在YZ平面上（X坐标均为零），但与传统离轴三反光学系统（TMA）系统不同，各反射镜中心不在同一线上，即同面不同线。孔径光阑5和第三反射镜3的位置重合。各反射镜在Y方向的具体位置由镜面与光轴的夹角和反射镜中心间隔决定，见图3。相互之间的关系如公式（1）。
Y12＝S12·tan2α                   （1）
其中，Y12为第二反射镜2在Y方向的坐标，第一反射镜与光轴的焦点为原点；S12为第一反射镜和第二反射镜的中心间隔；α为光轴与第一反射镜法线的夹角。
为了使超大视场范围内的目标能清晰成像在多光谱列阵探测元件像面7上，采用了自由曲面全反射式系统结构，第一反射镜1的光焦度为负，第二反射镜2的光焦度为正，无穷远的目标经过第一反射镜1后照射到第二反射镜2，经过第二反射镜2后照射到第三反射镜3，经过第三反射镜3反射到第四反射镜4，最后由第四反射镜反射到多光谱列阵探测元件7上，得到最后的像。
本发明通过合理分配四块反射镜的光焦度，采用负-正-负-正的光焦度分配方案，同时第二反射镜2、第三反射镜3、第四反射镜4均采用Zernike式自由曲面，其中第二反射镜和第四反射镜采用41项自由曲面面形优化项，第三反射镜采用25项自由曲面优化项。Zernike式自由曲面表征函数见公式（2）。
Figure BDA0000399914790000041
其中，z为自由曲面矢高；c为自由曲面名义曲率半径；r为反射镜口径；k为二次曲面系数；Ai为Zernike多项式展开项系数；
Figure BDA0000399914790000042
为Zernike多项式展开项。
由于自由曲面的采用使得光学系统在76°成像视场内的平均MTF超过0.6（38.5lp/mm），见图4和表1。
成像视场（x，y） X方向MTF Y方向MTF
（1.019°，14.07°） 0.68 0.66
（17.42°，14.46°） 0.60 0.62
（24.09°，14.83°） 0.59 0.60
（30.68°，15.34°） 0.59 0.63
（38°，16.20°） 0.52 0.65
表1光学系统在76°成像视场内的X和Y的MTF值
本实施例的技术方案，通过自由曲面成像光学系统，解决了全反射式光学系统成像视场角小且系统的成像畸变大的问题，达到了超大视场、系统的成像畸变低的效果。

Claims (6)

1.自由曲面成像光学系统，包括：第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜和孔径光阑，以及探测器，其特征在于：目标经过所述第一反射镜反射后照射到第二反射镜，经过第二反射镜反射后照射到第三反射镜，经过第三反射镜反射后照射到第四反射镜，最后由第四反射镜反射后照射到探测器像面；所述孔径光阑与第三反射镜位置重合；所述第一反射镜是光焦度为负的长条形球面反射镜，第二反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜，第三反射镜是光焦度为负的自由曲面反射镜，第四反射镜是光焦度为正的自由曲面反射镜。
2.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜中心距离、第二反射镜和第三反射镜的中心距离、第三反射镜和第四反射镜的中心距离的比例为1.4：1：1。
3.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的中心、第二反射镜的中心、第三反射镜的中心、第四反射镜的中心，各反射镜的中心在同一平面上，但是不在同一直线上。
4.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统，其特征在于：所述第二反射镜的自由曲面、第三反射镜的自由曲面、第四反射镜的自由曲面满足如下的泽尼克公式
其中，z为自由曲面矢高；c为自由曲面名义曲率半径；r为反射镜口径；k为二次曲面系数；Ai为Zernike多项式展开项系数；
Figure FDA0000399914780000012
为Zernike多项式展开项。
5.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统，其特征在于，所述探测器为多光谱列阵探测元件。
6.如权利要求1所述的自由曲面成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的材质、第二反射镜的材质、第三反射镜的材质、第四反射镜的材质为SiC或微晶材料。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104035192A (zh) * 2014-06-20 2014-09-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 准同轴低畸变长焦距四反射光学系统
TWI494594B (zh) * 2014-03-05 2015-08-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 自由曲面離軸三反光學系統
TWI495900B (zh) * 2014-03-05 2015-08-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 自由曲面離軸三反光學系統
CN105445918A (zh) * 2014-06-03 2016-03-30 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN107202636A (zh) * 2017-06-22 2017-09-26 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种m‑z短波红外成像光谱仪
TWI622801B (zh) * 2016-12-22 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反像方遠心光學系統
TWI622799B (zh) * 2016-04-01 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反光學系統
TWI622800B (zh) * 2016-12-05 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 離軸非球面三反光學系統
CN109557647A (zh) * 2018-12-25 2019-04-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种自由曲面光学系统
TWI690727B (zh) * 2018-02-09 2020-04-11 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面成像光譜儀系統
CN111025613A (zh) * 2019-12-02 2020-04-17 北京理工大学 基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统
CN112213847A (zh) * 2020-09-02 2021-01-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统
WO2023124008A1 (zh) * 2021-12-28 2023-07-06 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1975506A (zh) * 2006-12-07 2007-06-06 浙江大学 基于自由曲面的超薄型反射式投影显示成像方法及物镜
CN102087407A (zh) * 2010-12-30 2011-06-08 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 超大视场偏轴全反射式光学系统
CN102590994A (zh) * 2012-03-23 2012-07-18 北京理工大学 大视场共轴球面四反射光学系统
CN103246053A (zh) * 2013-04-09 2013-08-14 长春理工大学 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1975506A (zh) * 2006-12-07 2007-06-06 浙江大学 基于自由曲面的超薄型反射式投影显示成像方法及物镜
CN102087407A (zh) * 2010-12-30 2011-06-08 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 超大视场偏轴全反射式光学系统
CN102590994A (zh) * 2012-03-23 2012-07-18 北京理工大学 大视场共轴球面四反射光学系统
CN103246053A (zh) * 2013-04-09 2013-08-14 长春理工大学 使用自由曲面的宽幅离轴三反光学系统

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI495900B (zh) * 2014-03-05 2015-08-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 自由曲面離軸三反光學系統
TWI494594B (zh) * 2014-03-05 2015-08-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 自由曲面離軸三反光學系統
CN105445918B (zh) * 2014-06-03 2018-05-22 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN105445918A (zh) * 2014-06-03 2016-03-30 清华大学 自由曲面离轴三反光学系统
CN104035192B (zh) * 2014-06-20 2016-07-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 准同轴低畸变长焦距四反射光学系统
CN104035192A (zh) * 2014-06-20 2014-09-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 准同轴低畸变长焦距四反射光学系统
TWI622799B (zh) * 2016-04-01 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反光學系統
TWI622800B (zh) * 2016-12-05 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 離軸非球面三反光學系統
TWI622801B (zh) * 2016-12-22 2018-05-01 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面離軸三反像方遠心光學系統
CN107202636A (zh) * 2017-06-22 2017-09-26 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种m‑z短波红外成像光谱仪
TWI690727B (zh) * 2018-02-09 2020-04-11 鴻海精密工業股份有限公司 自由曲面成像光譜儀系統
CN109557647A (zh) * 2018-12-25 2019-04-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种自由曲面光学系统
CN111025613A (zh) * 2019-12-02 2020-04-17 北京理工大学 基于自由曲面基底相位元件的离轴三反成像系统
CN112213847A (zh) * 2020-09-02 2021-01-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 大相对孔径的制冷型自由曲面离轴四反光学系统
WO2023124008A1 (zh) * 2021-12-28 2023-07-06 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种二维大视场成像平面对称自由曲面光学系统

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