CN103969815B - 轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统 - Google Patents

Abstract

轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，属于空间光学技术领域，为解决现有技术存在的问题，该光学系统包括主反射镜、设置在主反射镜反射光路上的次反射镜、设置在次反射镜反射光路上的折轴镜、设置在折轴镜反射光路上的第三反射镜，在第三反射镜反射光路上设置有曲率折轴镜，有曲率折轴镜为凹球面镜，其产生的畸变像差与次反射镜及第三反射镜产生的总畸变像差符号相反，可以抵消次反射镜和第三反射镜的畸变像差；该光学系统可以满足多光谱成像、高精度立体测绘等轻小型光学遥感卫星的需求。

Description

轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统

技术领域

本发明涉及一种轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，属于空间光学技术领域。

背景技术

应用于光学遥感卫星的长焦距光学系统，目前使用较普遍的是三反射系统，三反射系统由于次镜和三镜产生的畸变导致三反射光学系统的总畸变值很难校正至1％以下，而随着视场角的增大进一步增加了畸变校正的难度，从而限制了三反射系统在需要消畸变的高精度航天立体测绘及多光谱成像的应用。

公开号为CN102023375A、名称为“一种长焦距、无畸变、平像场的折轴三反光学系统”是典型的消畸变三反射系统结构，由三片反射镜、一片折轴镜及至少一片消畸变透镜组成，其消畸变的原理是利用靠近像面位置的消畸变透镜(组)抵消由次反射镜和第三反射镜所产生的畸变，能满足1.6°视场范围内畸变小于0.01％，但这种结构包含透射元件，尽管使用了低折射率、耐辐射的光学材料，仍然无法完全避免色差及空间辐射的影响，且消畸变透镜(组)的直径与视场成正比，随着使用视场的增大透镜(组)的直径将不断增大导致透镜(组)的重量及体积增加并且影响光学系统的空间布局。

发明内容

本发明为了解决现有消畸变三反射系统结构包含透镜元件而无法避免色差及空间辐射影响，且光学系统重量及体积较大的问题，提供一种轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，是一种偏视场使用的全反射消畸变空间相机光学系统，可以满足多光谱成像、高精度立体测绘等轻小型光学遥感卫星的需求。

本发明的技术方案是：轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，其包括：

主反射镜，作为系统的孔径光阑；次反射镜，其与主反射镜同轴设置，且在主反射镜反射光路上；折轴镜，其设置在次反射镜反射光路上；第三反射镜，其设置在折轴镜反射光路上；其特征是，在第三反射镜反射光路上设置有曲率折轴镜，且有曲率折轴镜的光轴与第三反射镜光轴重合，有曲率折轴镜为凹球面镜，其产生的畸变像差与次反射镜及第三反射镜产生的总畸变像差符号相反，可以抵消次反射镜和第三反射镜的畸变像差。

所述有曲率折轴镜的位置在光学系统的实出瞳及像面之间，其与第三反射镜的距离小于主反射镜的直径，且有曲率折轴镜与像面的间距小于第三反射镜距离有曲率折轴镜的间距；折轴镜的安装位置为在中间像面之后且使第三反射镜的位置处于主反射镜的后方，并且对第三反射镜至有曲率折轴镜的光路无遮挡。

所述光学系统主反射镜、次反射镜、第三反射镜均为二次曲面，分别为主反射镜是凹的椭球面，次反射镜是凸的双曲面，第三反射镜是凹的椭球面。

所述光学系统中有曲率折轴镜可调节，可以用作对光学系统进行调焦。

所述光学系统在次反射镜与折轴镜之间具有中间像面，在第三反射镜与有曲率折轴镜之间具有实出瞳，可以用作对光学系统的杂光进行限制。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述光学系统中不含折射元件，故不受色差影响，适合作为高精度航天立体测绘及航天多光谱成像应用。

2、整个光学系统结构紧凑第三反射镜4及有曲率折轴镜5均在主反射镜1右侧外包络尺寸范围内，可满足空间相机轻小型的应用需求。

3、次反射镜2与折轴镜3之间具有一次像面，第三反射镜4与有曲率折轴镜5之间具有实的出瞳，整个光学系统具有优良的杂光抑制性能。

本发明是一种全反射、长焦距、偏视场使用、消畸变轻小型同轴空间相机光学系统，可以满足多光谱成像、高精度立体测绘等轻小型光学遥感卫星的需求。

附图说明

图1是本发明轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统结构示意图。

图2是本发明实施例的光学系统调制传递函数曲线图。

图3是本发明实施例的光学系统畸变曲线图。

其中：1、主反射镜，2、次反射镜，3、折轴镜，4、第三反射镜，5、有曲率折轴镜，6、像面，7、中间像面，8、实出瞳。

具体实施方式

如图1所示，轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，该光学系统包括主反射镜1，设置在主反射镜1反射光路上的次反射镜2，次反射镜2的光轴与主反射镜1的光轴重合，设置在次反射镜2反射光路上的折轴镜3，折轴镜3的法线与次反射镜2的光轴呈45°，设置在折轴镜3反射光路上的第三反射镜4，第三反射镜4的光轴与次反射镜2的光轴呈90°，设置在第三反射镜4反射光路上的有曲率折轴镜5，有曲率折轴镜5的光轴与第三反射镜4光轴重合，有曲率折轴镜5为凹球面镜，其产生的畸变像差与次反射镜2及第三反射镜4产生的畸变像差符号相反，可以抵消次反射镜2和第三反射镜4的畸变像差。

折轴镜3的安装位置为在中间像面7之后且使第三反射镜4的位置处于主反射镜1的后方，并且对第三反射镜4至有曲率折轴镜5的光路无遮挡。

有曲率折轴镜5的安装位置在光学系统的实出瞳8及像面6之间，其距离第三反射镜4的距离小于主反射镜1的直径，且有曲率折轴镜5距离像面6的间距小于第三反射镜4距离有曲率折轴镜5的间距。

实施例：

本发明轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，主反射镜1曲率为-1592mm，次反射镜2的曲率为-373.34mm，第三反射镜4的曲率为596.5mm，此时次反射镜2产生的畸变像差系数为-0.020，第三反射镜4产生的畸变像差系数为-0.071，有曲率折轴镜5放置在第三反射镜4的反射光路上，实出瞳8之后128.24mm位置处，有曲率折轴镜5的曲率为-2638.98mm，有曲率折轴镜5产生的畸变像差系数为0.090，通过曲率折轴镜5产生的畸变像差系数与次反射镜2及第三反射镜4产生的畸变像差系数互相抵消，整个光学系统的畸变像差系数为-0.001，实现消畸变。

图2为上述实施例的光学系统调制传递函数曲线图，从图中可知，本发明光学系统的成像质量达到衍射极限，整个光学系统不含折射元件不受色差影响。如图3所示，由实施例的光学系统畸变曲线图可知光学系统的畸变最大值小于0.003％，达到消畸变作用。

该光学系统适合长焦距空间相机使用，特别是F/#(焦距与入瞳直径之比)在12～15之间，焦距在8000mm～12000mm之间的需要消畸变的空间相机，当视场角在2°以内时光学系统畸变可以控制在0.005％以下。

光学系统视场为偏视场使用，可以避免折轴镜3对第三反射镜4至有曲率折轴镜5之间光路的遮挡，最佳偏视场角度为不引起折轴镜3对第三反射镜4至有曲率折轴镜5之间光路的遮挡且适合折轴镜3的空间排布。

整个光学系统在焦距为12000mm时横向尺寸可小于1700mm，纵向尺寸可小于1000mm，在焦距为8000mm时横向尺寸可小于1100mm，纵向尺寸可小于700mm，可以应用于轻小型光学卫星。光学系统在次反射镜2与折轴镜3之间具有中间像面7，在第三反射镜4与有曲率折轴镜5之间具有实出瞳8，具有优良的杂光抑制性能。

Claims (4)

1.轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，其包括：

主反射镜(1)，作为系统的孔径光阑；

次反射镜(2)，其与主反射镜(1)同轴设置，且在主反射镜(1)反射光路上；

折轴镜(3)，其设置在次反射镜(2)反射光路上；

第三反射镜(4)，其设置在折轴镜(3)反射光路上；

其特征是，在第三反射镜(4)反射光路上设置有曲率折轴镜(5)，且有曲率折轴镜(5)的光轴与第三反射镜(4)光轴重合，有曲率折轴镜(5)为凹球面镜，其产生的畸变像差与次反射镜(2)及第三反射镜(4)产生的总畸变像差符号相反，可以抵消次反射镜(2)和第三反射镜(4)的畸变像差；

所述有曲率折轴镜(5)的位置在光学系统的实出瞳(8)及像面(6)之间，其与第三反射镜(4)的距离小于主反射镜(1)的直径，且有曲率折轴镜(5)与像面(6)的间距小于第三反射镜(4)距离有曲率折轴镜(5)的间距；折轴镜(3)的安装位置为在中间像面(7)之后且使第三反射镜(4)的位置处于主反射镜(1)的后方，并且对第三反射镜(4)至有曲率折轴镜(5)的光路无遮挡。

2.根据权利要求1所述的轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，所述光学系统主反射镜(1)、次反射镜(2)、第三反射镜(4)均为二次曲面，分别为主反射镜(1)是凹的椭球面，次反射镜(2)是凸的双曲面，第三反射镜(4)是凹的椭球面。

3.根据权利要求1所述的轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，所述光学系统中有曲率折轴镜(5)可调节，可以用作对光学系统进行调焦。

4.根据权利要求1所述的轻小型长焦距消畸变同轴全反射空间相机光学系统，所述光学系统在次反射镜(2)与折轴镜(3)之间具有中间像面(7)，在第三反射镜(4)与有曲率折轴镜(5)之间具有实出瞳(8)，可以用作对光学系统的杂光进行限制。