CN104656235A - 一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统 - Google Patents

Abstract

一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统，属于空间光学系统设计领域，为解决现有离轴三反光学系统存在的无法实现宽矩形视场、单方向视场角有限、高分辨率与大视场无法兼顾的问题，其结构包括主镜、次镜、光阑、第三镜、电荷耦合器件；主镜是整个光学系统的入口，次镜放置在主镜的反射光路上，光阑与次镜对接，第三镜放置次镜的反射光路上，电荷耦合器件放置在第三镜的反射光路上；光线首先经过目标反射，然后进入光学系统，到达主镜，被主镜反射，到达位于主镜反射光路路径上的次镜和光阑，再经由次镜反射，到达位于次镜反射光路上的第三镜，再被第三镜反射后到达电荷耦合器件上，该系统应用于空间对地成像系统。

Description

一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统

技术领域

本发明属于空间光学系统设计领域，具体涉及一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统，可以搭载时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)应用于空间对地成像系统。

背景技术

无论是在军事领域还是在民用领域，长焦距高分辨率空间遥感都有着广阔的应用前景，目前空间遥感的主要形式仍然是通过光学相机对地观测，长焦距、大孔径、大视场是其发展趋势。然而对于大孔径折射和折反式光学系统而言，系统都需要采用特殊的光学材料或复杂的结构来消二级光谱，这使得其应用受到了很大的限制。纯反射光学系统由于其自身不产生色差，适用于宽光谱成像；光路可折叠，便于缩短筒长使系统结构紧凑；各反射面可采用非球面，利于提高像质和减少零件数，实现系统轻量化；对温度变化不敏感，同时具有空气中和真空中焦面位置一致等特点，特别适用于空间环境。

离轴三反系统属于纯反射光学系统，通过各反射面的非球面设计及其间隔等参数的调整，可以达到消像差和平像场的要求，而且系统不存在色差和二级光谱，适合宽谱段范围成像，设计灵活，装调方便，光路折转，体积小，结构紧凑，无中心遮拦。自出现以来即受到了广泛的关注，被广泛应用于空间对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等多个领域。

在视场方面，现有的离轴三反光学系统普遍是小视场角的圆形(或矩形)视场单一方向大角度的线视场。在分辨率方面，现有的离轴三反光学系统无法同时做到高分辨率与大视场。

发明内容

本发明为解决现有离轴三反光学系统存在的无法实现宽矩形视场、单方向视场角有限、高分辨率与大视场无法兼顾的问题，提出了一种长焦距大矩形视场的离轴三反光学系统。

一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统，其特征是，其结构包括主镜、次镜、光阑、第三镜、电荷耦合器件；主镜是整个光学系统的入口，次镜放置在主镜的反射光路上，光阑与次镜对接，第三镜放置次镜的反射光路上，电荷耦合器件放置在第三镜的反射光路上；光线首先经过目标反射，然后进入光学系统，到达主镜，被主镜反射，到达位于主镜反射光路路径上的次镜和光阑，再经由次镜反射，到达位于次镜反射光路上的第三镜，再被第三镜反射后到达电荷耦合器件上。

主镜与次镜的中心距离d₁＝-936.41277mm，次镜与光阑重合，次镜与第三镜的中心距离d₂＝-961.70403mm，第三镜与电荷耦合器件的中心距离d₃＝-1181.61364mm。

主镜、次镜和第三镜均为含有2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次的高次非球面；主镜的曲率半径r₁＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₁＝-1.64876，2次项系数为A₁＝1.57×10^-5，4次项系数为B₁＝-9.06×10^-14，6次项系数为C₁＝-7.50×10^-19，8次项系数为D₁＝7.22×10^-24，10次项系数为E₁＝-2.47×10^-29，12次项系数为F₁＝-1.51×10^-34，14次项系数为G₁＝1.15×10^-39，16次项系数为H₁＝-1.97×10^-45；次镜的曲率半径r₂＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₂＝0.95257，2次项系数为A₂＝4.38×10^-5，4次项系数为B₂＝1.13×10^-10，6次项系数为C₂＝-1.22×10^-14，8次项系数为D₂＝3.98×10^-19，10次项系数为E₂＝-7.20×10^-22，12次项系数为F₂＝-7.56×10^-26，14次项系数为G₂＝-4.23×10^-30，16次项系数为H₂＝-9.69×10^-35；第三镜的曲率半径r₄＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₄＝-1.64876，2次项系数为A₄＝9.37×10^-6，4次项系数为B₄＝2.02×10^-12，6次项系数为C₄＝-1.68×10^-18，8次项系数为D₄＝1.94×10^-23，10次项系数为E₄＝-1.28×10^-28，12次项系数为F₄＝5.09×10^-34，14次项系数为G₄＝-1.08×10^-39，16次项系数为H₄＝9.44×10^-46。

主镜的子午方向偏移量DY₁＝6.86136mm，弧矢方向偏斜量TX₁＝1.70000°；次镜的子午方向偏移量DY₂＝-15.64530mm，弧矢方向偏斜量TX₂＝-0.84793°；光阑放置于次镜上，偏移与偏斜参数与次镜一致；第三镜的子午方向偏移量DY₄＝31.23942mm，弧矢方向偏斜量TX₄＝0.10395°。

本发明的有益效果：

a)本发明利用高次非球面，在传统的离轴三反光学系统的基础上实现了子午方向范围-8.5°-8.5°，弧矢方向范围3.5°-5.5°的17°×2°宽矩形视场，在同样轨道高度的条件下，增大了推扫面积，提高了当前离轴三反光学系统的信息获取效率，可用于空间相机推扫/拼接成像、多波段成像、多波段光谱成像等领域。

b)本发明像方焦距达1440mm，在实现宽矩形视场的同时做到了长焦距，能够在保证信息获取效率的前提下，保证信息采集的质量。

c)本发明设计实现了有效口径300mm，F数4.8，保障了大视场、高分辨率光学系统的曝光时间。

d)本发明系纯反射光学系统，可用于全波段，利用三个反射镜折转光路，筒长小于焦距，结构紧凑，便于搭载。

e)本发明的光学系统只包含主镜1、次镜2、第三镜4三个主要光学元件，光学元件数量少，公差要求适中，光阑与次镜重合，便于装调。

附图说明

图1为本发明所述的一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统的光学系统结构示意图。

图2为本发明所述的一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统的光学系统调制传递函数曲线图。

图3为本发明所述的一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统的光学系统网格畸变图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

对于非球面光学元件的面型有公式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{r}^2}}+{\mathrm{dy}}^2+{\mathrm{ey}}^4+{\mathrm{fy}}^6+{\mathrm{gy}}^8+{\mathrm{hy}}^{10}+{\mathrm{iy}}^{12}+{\mathrm{jy}}^{14}+{\mathrm{ky}}^{16}$

公式中：z为光学元件的矢高；K为光学元件的二次曲线常数，K＝-E²，若E²＜0，则面型为扁圆；若E²＝0，则面型为正圆；若0＜E²＜1，则面型为椭圆；若E²＝1，则面型为抛物线；若E²＞1，则面型为双曲线；

r为光学元件的曲率半径；d为2次项系数；e为4次项系数；f为6次项系数；g为8次项系数；h为10次项系数；i为12次项系数；j为14次项系数；k为16次项系数。

本发明根据上述公式利用高次非球面设计了一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统。在设计过程中，首先计算得到一个同轴三反光学系统做为优化的初始结构，然后在初始结构的基础上利用ZEMAX光学设计软件进行视场离轴优化，以0.5°为步长调整视场的离轴角度，最终确定中心视场离轴角度为4.5°，视场范围为3.5°-5.5°，同时，在ZEMAX软件中建立评价函数，逐步调整主镜1、次镜2、第三镜4的Y方向偏移量和X方向的倾斜量，以主镜1的曲率半径r₁、次镜2的曲率半径r₂、第三镜4的曲率半径r₄、主镜1与次镜2的间隔d₁、次镜2与第三镜4的间隔d₂做为变量，并依次引入非球面的2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次非球面系数做为优化变量，最终得到了预期的离轴三反光学系统。

本发明最终设计得到的离轴三反光学系统结构，如图1所示，其视场大小17°×2°，视场范围子午方向-8.5°-8.5°，弧矢方向3.5°-5.5°，像方焦距f'＝1440mm，有效孔径300mm，相对孔径1:4.8。其结构包括主镜1、次镜2、光阑3、第三镜4、时间延迟积分电荷耦合器件5共5个光电元件。主镜1是整个光学系统的入口，次镜2放置在主镜1的反射光路上，光阑3与次镜2对接，第三镜4放置次镜2的反射光路上，电荷耦合器件5放置在第三镜4的反射光路上。主镜1与次镜2的中心距离d₁＝-936.41277mm，次镜2与光阑3重合，次镜2与第三镜4的中心距离d₂＝-961.70403mm，第三镜4与电荷耦合器件5的中心距离d₃＝-1181.61364mm。主镜1、次镜2和第三镜4均为含有2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次的高次非球面，主镜1的曲率半径r₁＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₁＝-1.64876，2次项系数为A₁＝1.57×10^-5，4次项系数为B₁＝-9.06×10^-14，6次项系数为C₁＝-7.50×10^-19，8次项系数为D₁＝7.22×10^-24，10次项系数为E₁＝-2.47×10^-29，12次项系数为F₁＝-1.51×10^-34，14次项系数为G₁＝1.15×10^-39，16次项系数为H₁＝-1.97×10^-45；次镜2的曲率半径r₂＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₂＝0.95257，2次项系数为A₂＝4.38×10^-5，4次项系数为B₂＝1.13×10^-10，6次项系数为C₂＝-1.22×10^-14，8次项系数为D₂＝3.98×10^-19，10次项系数为E₂＝-7.20×10^-22，12次项系数为F₂＝-7.56×10^-26，14次项系数为G₂＝-4.23×10^-30，16次项系数为H₂＝-9.69×10^-35；第三镜4的曲率半径r₄＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₄＝-1.64876，2次项系数为A₄＝9.37×10^-6，4次项系数为B₄＝2.02×10^-12,6次项系数为C₄＝-1.68×10^-18，8次项系数为D₄＝1.94×10^-23，10次项系数为E₄＝-1.28×10^-28，12次项系数为F₄＝5.09×10^-34，14次项系数为G₄＝-1.08×10^-39，16次项系数为H₄＝9.44×10^-46。主镜1的子午方向偏移量DY₁＝6.86136mm，弧矢方向偏斜量TX₁＝1.70000°；次镜2的子午方向偏移量DY₂＝-15.64530mm，弧矢方向偏斜量TX₂＝-0.84793°；光阑3放置于次镜2上，偏移与偏斜参数与次镜2一致；第三镜4的子午方向偏移量DY₄＝31.23942mm，弧矢方向偏斜量TX₄＝0.10395°。

光线首先经过目标反射，然后进入光学系统，到达主镜1，被主镜1反射，到达位于主镜1反射光路路径上的次镜2和光阑3，再经由次镜2反射，到达位于次镜2反射光路上的第三镜4，再被第三镜4反射后到达最终的探测器件5。

图2中可以看出光学系统在(X方向-8°，Y方向5.5°)、(X方向-6.4°，Y方向5.5°)、(X方向-5.6°，Y方向5.5°)、(X方向-4.0°，Y方向5.5°)、(X方向-2.4°，Y方向5.5°)、(X方向0°，Y方向5.5°)，(X方向8.5°，Y方向3.5°)、(X方向6.0°，Y方向3.5°)、(X方向4.0°，Y方向3.5°)、(X方向2.4°，Y方向3.5°)、(X方向0°，Y方向4.5°)、(X方向8.5°，Y方向5.5°)视场，空间截止频率50lp/mm时传递函数大于0.5。

图3中网格代表理想的成像网格，“×”代表实际的成像位置，可以看在全视场17°×2°范围内网格畸变小于0.4％。

结合图2、图3可以看出本发明中的离轴三反光学系统性能优良，具有实用价值。

Claims (1)

1.一种长焦距宽矩形视场的离轴三反光学系统，其特征是，其结构包括主镜(1)、次镜(2)、光阑(3)、第三镜(4)、电荷耦合器件(5)；主镜(1)是整个光学系统的入口，次镜(2)放置在主镜(1)的反射光路上，光阑(3)与次镜(2)对接，第三镜(4)放置次镜(2)的反射光路上，电荷耦合器件(5)放置在第三镜(4)的反射光路上；光线首先经过目标反射，然后进入光学系统，到达主镜(1)，被主镜(1)反射，到达位于主镜(1)反射光路路径上的次镜(2)和光阑(3)，再经由次镜(2)反射，到达位于次镜(2)反射光路上的第三镜(4)，再被第三镜(4)反射后到达电荷耦合器件(5)上；

主镜(1)与次镜(2)的中心距离d₁＝-936.41277mm，次镜(2)与光阑(3)重合，次镜(2)与第三镜(4)的中心距离d₂＝-961.70403mm，第三镜(4)与电荷耦合器件(5)的中心距离d₃＝-1181.61364mm；

主镜(1)、次镜(2)和第三镜(4)均为含有2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次的高次非球面；主镜(1)的曲率半径r₁＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₁＝-1.64876，2次项系数为A₁＝1.57×10^-5，4次项系数为B₁＝-9.06×10^-14，6次项系数为C₁＝-7.50×10^-19，8次项系数为D₁＝7.22×10^-24，10次项系数为E₁＝-2.47×10^-29，12次项系数为F₁＝-1.51×10^-34，14次项系数为G₁＝1.15×10^-39，16次项系数为H₁＝-1.97×10^-45；次镜(2)的曲率半径r₂＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₂＝0.95257，2次项系数为A₂＝4.38×10^-5，4次项系数为B₂＝1.13×10^-10，6次项系数为C₂＝-1.22×10^-14，8次项系数为D₂＝3.98×10^-19，10次项系数为E₂＝-7.20×10^-22，12次项系数为F₂＝-7.56×10^-26，14次项系数为G₂＝-4.23×10^-30，16次项系数为H₂＝-9.69×10^-35；第三镜(4)的曲率半径r₄＝-3322.22502mm，二次曲面常数k₄＝-1.64876，2次项系数为A₄＝9.37×10^-6，4次项系数为B₄＝2.02×10^-12，6次项系数为C₄＝-1.68×10^-18，8次项系数为D₄＝1.94×10^-23，10次项系数为E₄＝-1.28×10^-28，12次项系数为F₄＝5.09×10^-34，14次项系数为G₄＝-1.08×10^-39，16次项系数为H₄＝9.44×10^-46；

主镜(1)的子午方向偏移量DY₁＝6.86136mm，弧矢方向偏斜量TX₁＝1.70000°；次镜(2)的子午方向偏移量DY₂＝-15.64530mm，弧矢方向偏斜量TX₂＝-0.84793°；光阑(3)放置于次镜(2)上，偏移与偏斜参数与次镜(2)一致；第三镜(4)的子午方向偏移量DY₄＝31.23942mm，弧矢方向偏斜量TX₄＝0.10395°。