CN104035192B - 准同轴低畸变长焦距四反射光学系统 - Google Patents

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准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，属于空间光学技术领域，为解决现有同轴系统视场角较小的问题，该光学系统包括孔径光阑、设置在孔径光阑之后的主反射镜、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，设置在第三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四反射镜，以及光学系统焦平面；该光学系统为准同轴结构，孔径光阑偏置，主反射镜结构为相对光轴对称非球面的向下偏置的部分通光区域，次反射镜之后光路中的折轴镜、第三反射镜、折轴镜、第四反射镜均位于主反射镜的后方，次反射镜、折轴镜、第三反射镜、折轴镜、第四反射镜的尺寸均为通光孔径区域。

Description

准同轴低畸变长焦距四反射光学系统
技术领域
本发明涉及一种准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，属于空间光学技术领域。
背景技术
随着CCD传感器器件的飞速发展以及光学加工、检测、装调技术的不断进步，航天遥感成像向着高分辨的方向不断发展，同时人们对于高分辨立体图像的需求也越加迫切，对航天立体测绘也提出了高分辨的需求，将高分辨率相机应用到航天立体测绘中需要解决一系列的问题，首先需要解决的一个问题即是满足测绘精度要求的低畸变的小体积尺寸的长焦距光学系统。
目前，航天遥感使用最多的三反射结构通过使用COOK式的离轴结构可以很好的校正系统畸变。中国专利公开号为CN102087408A，名称为“一种大视场、超低畸变、多光谱三反射式光学系统”其畸变校正良好，但离轴系统体积较大是限制其长焦距应用的主要因素，在上述发明中期体积可控制到系统焦距的0.3～0.6倍，但对于12米焦距以上的光学系统其体积仍然十分巨大。采用四反射结构的同轴系统能够很好校正畸变的同时保证系统尺寸较小，中国专利公开号为CN102866487A，名称为“同轴四反超低畸变光学系统”，其焦距为10米，在校正畸变的同时，系统总长可优于1.2米。但限制同轴系统应用的主要因素是其使用视场角较小，如上述发明中视场角为1.5°，并且由于存在遮拦，光学系统的调制传递函数曲线在中频段会明显下降。因此设计一种小体积尺寸、低畸变并且有较大使用视场角的长焦距光学系统势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长焦距、消畸变、小体积、视场角较大的空间光学系统，是一种准同轴全反射低畸变空间相机光学系统，可以满足高分辨、高精度立体测绘光学遥感卫星的需求。
本发明的技术方案是：
准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，包括孔径光阑，设置在孔径光阑之后的主反射镜、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，设置在第三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四反射镜，以及光学系统焦平面；其特征是，该光学系统为准同轴结构，孔径光阑偏置，主反射镜结构为相对光轴对称非球面的向下偏置的部分通光区域，次反射镜之后光路中的折轴镜、第三反射镜、折轴镜、第四反射镜均位于主反射镜的后方，次反射镜、折轴镜、第三反射镜、折轴镜、第四反射镜的尺寸均为通光孔径区域。
所述光学系统为偏视场入射，避免成像光路中各片反射镜对光线的遮拦，光学系统焦平面相对光轴偏置。
所述光学系统主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜均为高次非球面，折轴镜及折轴镜均为平面反射镜。
所述光学系统的主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜均有相对光轴的倾斜及偏心，用作对使用视场角内的像质进行优化。
所述光学系统在次反射镜与折轴镜之间设置有中间像面，可以用作对光学系统的杂光进行限制。
本发明的积极效果是：
1、本发明具有全反射、低畸变、无遮拦、小体积尺寸长焦距空间光学系统，适合作为高精度航天立体测绘应用。
2、整个光学系统结构紧凑，折轴镜4、第三反射镜5、折轴镜6、第四反射镜7均在主反射镜1右侧，当焦距为12米时，光学系统总长小于焦距的0.3倍，体积尺寸远小于相同焦距条件下的离轴系统，使用视场角达到4°，是相同焦距同轴系统的2倍以上。
3、次反射镜3与折轴镜4之间具有一次像面，整个光学系统具有优良的杂光抑制性能。
附图说明
图1是本发明准同轴低畸变长焦距四反射光学系统结构示意图。
图2是本发明准同轴低畸变长焦距四反射光学系统调制传递函数曲线图。
图3是本发明准同轴低畸变长焦距四反射光学系统畸变网格图。
其中：1、孔径光阑，2、主反射镜，3、次反射镜，4、折轴镜，5、第三反射镜，6、折轴镜，7、第四反射镜，8、焦平面，9、中间像面。
具体实施方式
如图1所示，准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，该光学系统包括孔径光阑1，设置在孔径光阑1之后的主反射镜2、设置在主反射镜2反射光路上的次反射镜3、设置在次反射镜3反射光路上的折轴镜4、设置在折轴镜4反射光路上的第三反射镜5，设置在第三反射镜5反射光路上的折轴镜6，设置在折轴镜6反射光路上的第四反射镜7，以及光学系统焦平面8。
通过对孔径光阑1相对光轴设置偏置，偏置数值应当满足使进入光学系统的光线不受次反射镜3的遮挡，此时光学系统构成准同轴结构，准同轴结构中，主反射镜2、次反射镜3、折轴镜4、第三反射镜5、折轴镜6、第四反射镜7均为同轴系统中各自镜面的一部分。
光学系统的视场为偏视场，可以避免折轴镜4对第三反射镜5至折轴镜6之间光路的遮挡，最佳的偏视场角度为不引起折轴镜4对第三反射镜5至折轴镜6之间光路的遮挡并且适合折轴镜4的空间排布。
主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜5、第四反射镜7均为高次非球面，在初始结构中利用四片反射镜的二次曲面系数校正初级像差中的球差、彗差、像散、畸变，通过分配上述四片反射镜的曲率消除场曲实现平像场成像。
通过在主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜5、第四反射镜7上设置相同方向的偏心及倾斜并结合四片反射镜的非球面高次项校正使用视场范围内的残余像差，可以达到低畸变的像质要求。
折轴镜4的安装位置为在中间像面9之后，通过折转光路使第三反射镜5的位置处于主反射镜2的后方，并且不对第三反射镜5至折轴镜6的光路产生遮挡。
折轴镜6将从第三反射镜5反射的光线折转，入射至第四反射镜7，用于缩小光学系统的整体尺寸，其安装位置为在折轴镜4的后方。
实施例：孔径光阑1相对光轴向下偏置937.5mm，主反射镜2为旋转对称非球面相对其对称轴向下偏置1091.25mm的子孔径区域，主反射镜2的通光孔径为1375mm，次反射镜3、折轴镜4、第三反射镜5、折轴镜6及第四反射镜7的尺寸均为光束通光区域，上述实施例光学系统的各面参数如表1所示。
表1：
由上述实施例的调制传递函数曲线图2可知，本发明光学系统的成像质量达到衍射极限，由上述实施例畸变网格图3可知光学系统的畸变最大值小于0.014％，达到消畸变作用。
本发明中光学系统不含折射元件，因此成像谱段较宽，可覆盖可见光谱段至短波红外谱段。
该光学系统适合长焦距空间测绘相机使用，特别是焦距在12000mm～15000mm之间的测绘相机，当视场角在4°以内时光学系统畸变可以控制在0.014％以下。
整个光学系统在焦距为12000mm时横向尺寸小于3500mm，纵向尺寸小于2400mm，在焦距为15000mm时横向尺寸可小于4500mm，纵向尺寸可小于3000mm，外形结构相较焦距均小于焦距的0.3倍，可以应用于三线阵或双线阵的立体测绘卫星。
光学系统在次反射镜3与折轴镜4之间设置有中间像面9，具有优良的杂光抑制性能。
本发明是一种具有全反射、准同轴、低畸变、长焦距、小体积尺寸的空间相机光学系统，可以满足高精度立体测绘的三线阵或双线阵测绘卫星的需求。

Claims (5)

1.准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，包括孔径光阑(1)、设置在孔径光阑(1)之后的主反射镜(2)、设置在主反射镜(2)反射光路上的次反射镜(3)、设置在次反射镜(3)反射光路上的折轴镜(4)、设置在折轴镜(4)反射光路上的第三反射镜(5)，设置在第三反射镜(5)反射光路上的折轴镜(6)，设置在折轴镜(6)反射光路上的第四反射镜(7)，以及光学系统焦平面(8)；
其特征是，该光学系统为准同轴结构，孔径光阑(1)偏置，主反射镜(2)结构为相对光轴对称非球面的向下偏置的部分通光区域，次反射镜(3)之后光路中的折轴镜(4)、第三反射镜(5)、折轴镜(6)、第四反射镜(7)均位于主反射镜(2)的后方，次反射镜(3)、折轴镜(4)、第三反射镜(5)、折轴镜(6)、第四反射镜(7)的尺寸均为通光孔径区域；
所述准同轴结构为，通过对孔径光阑(1)相对光轴设置偏置，偏置数值应当满足使进入光学系统的光线不受次反射镜(3)的遮挡的光学系统。
2.根据权利要求1所述的准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，其特征在于，该光学系统为偏视场入射，避免成像光路中各片反射镜对光线的遮拦，光学系统焦平面(8)相对光轴偏置。
3.根据权利要求1所述的准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，其特征在于，该光学系统中主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(5)、第四反射镜(7)均为高次非球面，折轴镜(4)及折轴镜(6)均为平面反射镜。
4.根据权利要求1所述的准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，其特征在于，该光学系统的主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(5)和第四反射镜(7)均有相对光轴的倾斜及偏心。
5.根据权利要求1所述的准同轴低畸变长焦距四反射光学系统，其特征在于，该光学系统在次反射镜(3)与折轴镜(4)之间设置有中间像面(9)，可以用作对光学系统的杂光进行限制。
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