CN105572895B - 大口径谐衍射主镜成像系统及其应用 - Google Patents

大口径谐衍射主镜成像系统及其应用 Download PDF

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Abstract

一种大口径谐衍射主镜成像系统大口径遥感成像系统及其应用，属于遥感光学系统设计与像质分析技术领域。所述大口径谐衍射主镜成像系统包括以下部分：谐衍射主镜、次镜、校正镜、滤光片和像面。光辐射由谐衍射主镜收集并会聚到次镜表面，次镜将光线反射到校正镜表面，校正镜校正光线的色差，并将消色差光线反射到滤光片表面，滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面上被CCD接收形成电子图像数据。本系统还可增加分光镜来实现双波段成像。本发明所述的光学系统不仅能够实现40nm(580nm～620nm)的工作波段，而且还可以同时实现额外的60nm(720nm～780nm)工作波段或20nm(490nm～510nm)工作波段，可用作大口径遥感成像系统以获得高分辨率的遥感图像。

Description

大口径谐衍射主镜成像系统及其应用
技术领域
本发明属于遥感光学系统设计与像质分析技术领域，涉及一种大口径谐衍射主镜成像系统及其应用。
背景技术
为了不断地提高遥感卫星的分辨率，光学系统的口径需要不断地增大以满足高分辨率成像的需求。地球静止轨道与地面相距36000km，为了在该轨道上获得高分辨率的遥感图像，光学系统的口径需要达到10～20m。为了制造出10～20m的光学系统，分块可展开反射镜技术、稀疏孔径成像技术和衍射成像技术受到了普遍关注。经过近些年的研究，这3种技术的可行性也得到了论证。其中，空间分块可展开技术需要严格的镜片面形控制、精确的展开机构和波前传感与控制机构，这些技术难题致使该技术的可行性大幅降低；稀疏孔径成像技术由于各子孔径的同相位的要求，需控制子孔径系统间的位置精度达到光波长的数量级内，技术难度很大。衍射成像技术为解决高分辨率成像问题提供了一种新思路，它具有可实现大口径、所用材料面密度极轻、面形控制要求低和生产工艺相对较容易等优点。
但是，衍射透镜具有强烈的色散特性，导致衍射成像系统的工作波段非常窄。比如，美国正在研制的FalconSAT-7卫星采用的衍射主镜成像系统的工作波段仅为0.1nm；美国公布的MORIE卫星研究计划中采用的衍射主镜成像系统的工作波段仅为40nm，但并未提供详细的色差校正方案来保证40nm波段带宽的像质。因此，如何提高衍射主镜成像系统的工作波段带宽是一项有意义的研究内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种大口径谐衍射主镜成像系统及其应用，通过对该成像系统进行光学设计，给出了该成像系统的谐衍射主镜及双波段成像的实施方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种大口径谐衍射主镜成像系统，包括以下部分：谐衍射主镜、次镜、校正镜、滤光片和像面。光辐射由谐衍射主镜收集并会聚到次镜表面，次镜将光线反射到校正镜表面，校正镜校正光线的色差，并将消色差光线反射到滤光片表面，滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面上被CCD接收形成电子图像数据。
本发明的光学系统可用作大口径遥感成像系统以获得高分辨率的遥感图像。
本发明的光学系统具有如下优点：
(1)谐衍射主镜可采用薄膜材料加工，重量非常轻，且薄膜谐衍射主镜可以在卫星发射过程中保持折叠状态，发射到轨道后再展开成平面，对运载火箭的口径要求低。
(2)可实现宽波段、双波段成像，目前美国的MORIE项目提出的衍射成像系统的工作波段仅为40nm，本发明所述的光学系统不仅能够实现40nm(580nm～620nm)的工作波段，而且还可以同时实现额外的60nm(720nm～780nm)工作波段或20nm(490nm～510nm)工作波段。
附图说明
图1为大口径谐衍射主镜成像系统的光路图；
图2为谐衍射透镜与普通衍射透镜的对比图；
图3为谐衍射主镜表面整体面形示意图；
图4为谐衍射主镜的一种可行的分块加工后拼接的方案；
图5为谐衍射主镜表面环带周期数沿径向的分布曲线；
图6为谐衍射主镜的4级、5级、6级衍射光的衍射效率曲线；
图7为谐衍射主镜的三个工作波段的焦距与波长变化关系曲线；
图8为校正镜表面面形示意图；
图9为校正镜的表面环带周期数沿径向的分布曲线；
图10为谐衍射主镜成像系统的在工作波段580nm～620nm中的焦距与波长变化关系曲线；
图11为大口径谐衍射主镜成像系统的MTF曲线；
图12为大口径谐衍射主镜成像系统的双波段成像方案光路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的大口径谐衍射主镜成像系统由同光轴设置的谐衍射主镜1、次镜2、校正镜3、滤光片4和像面5构成，光辐射由谐衍射主镜1收集并会聚到次镜2表面，次镜2将光线反射到校正镜3表面，校正镜3表面的衍射环带结构对一定波段范围内的色差进行校正后反射到滤光片4表面，滤光片4对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面5上被CCD接收形成电子图像数据。
如图1所示，本实施方式中所述大口径谐衍射主镜成像系统的口径为10m，焦距为19.88m，全视场为14.4”，主工作波段为580～620nm，可选工作波段为720nm～780nm及490nm～510nm。
如图2所示，谐衍射主镜1的环带高度h为普通衍射透镜的p倍，式(1)给出了h的计算公式：
其中，λ0为主工作波段的中心波长600nm，n为谐衍射主镜1的加工材料的折射率。在本发明中，p的值取为5。
谐衍射透镜其环带间光程差为pλ0，相当于设计中心波长为pλ0、焦距为f0的普通衍射透镜。若对使用波长为的m级次成像，则其焦距为：
如要使fm，l(λ)与设计焦距f0重合，即应该满足条件：
如图3所示，本实施方式中所述谐衍射主镜1的表面具有同心圆环形的环带结构。谐衍射主镜1的口径为10m，其二次相位系数为-1.309×105、四次相位系数为0.790、六次相位系数为0.044、八次相位系数为-0.022。
由于10m口径的谐衍射主镜1无法用现有的技术加工，故需采用分块加工后拼接到一起的形式。如图4所示，一种可行的分块加工后拼接的方案中，谐衍射主镜1由若干口径小于1.3m的圆形谐衍射小透镜组成，每个圆形谐衍射小透镜的表面条纹与图3所示的衍射主镜1的相应位置的同心圆环形的环带结构完全一致。
图5所示为谐衍射主镜表面环带周期数(线宽的倒数)沿径向的分布曲线。与图3所示的情况一样，径向距离越大线宽越小，0.1206mm的最小线宽出现在距中心5m处的最外面的一个环带。
如图6所示，本实施方式中所述谐衍射主镜1的4级、5级、6级衍射光的衍射效率大于90％的波段分别为720nm～780nm、580～620nm、490nm～510nm。
如图7所示，本实施方式中所述谐衍射主镜1的三个工作波段720nm～780nm、580nm～620nm、490nm～510nm的焦距与波长变化曲线中可以看出三个工作波段的焦距变化范围分别为962.06m～1041.49m、967.09m～1034.16m、980.57m～1020.22m，即谐衍射主镜1在三个工作波段中的轴向色差分别为79.43m、67.07m、39.65m。
本实施方式中所述次镜2为凹球面反射镜，曲率半径为13.913m，其轮廓为1.63m直径的圆形，次镜2位于谐衍射主镜1后1124.6m，其作用是将谐衍射主镜1收集的光线反射到校正镜3表面。
如图8所示，本实施方式中所述校正镜3为表面具有同心圆环形的衍射环带结构的凸球面反射镜，曲率半径为3.740m，其轮廓为0.248m直径的圆形，校正镜3位于次镜2前6.162m，其作用是校正次镜2反射的光线的色差，并将消色差光线反射到滤光片4表面。校正镜3的二次相位系数为6.271×106、四次相位系数为7.882×106、六次相位系数为2.294×107、八次相位系数为-3.803×105。校正镜3的环带高度为图9所示为校正镜3的表面环带周期数(线宽的倒数)沿径向的分布曲线。与图8所示的情况一样，径向距离越大线宽越小，1.3369μm的最小线宽出现在距中心0.124m处的最外面的一个环带。
本实施方式中所述滤光片4为厚度为3mm的平板玻璃，其轮廓为0.114m直径的圆形，滤光片的通光波段为580nm～620nm，滤光片4位于校正镜3后1.479m。
本实施方式中所述像面5位于滤光片4后0.229m处，像面为直径为0.045m的圆形区域，CCD的感光面应覆盖整个像面区域。
如图10所示，本实施方式中所述的大口径谐衍射主镜成像系统的在工作波段580nm～620nm中的焦距与波长变化曲线，可以看出焦距变化量为259μm，即大口径谐衍射主镜成像系统在工作波段580nm～620nm中的轴向色差为0.259mm，比谐衍射主镜1引起的67.07m色差有了明显的降低。
图11所示为大口径谐衍射主镜成像系统的MTF曲线。该系统在100线对/mm处的MTF值能够达到0.3以上，成像质量良好。
本实施方式的光学系统可用作大口径遥感成像系统，若将该光学系统发射到距地面36000km的地球静止轨道可实现对地面的实时成像探测，全视场为14.4”对应的是地面4.96km2的瞬时观测区域，若采用的CCD像元边长为5μm，则可获得9.05m地面分辨率的遥感图像。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，通过在系统光路中增加分光镜6，使得系统能够实现双波段成像。
图12所示为大口径谐衍射主镜成像系统的双波段成像方案光路图。光辐射由谐衍射主镜1收集并经分光镜6分光为透射光和反射光，透射光会聚到次镜2表面，次镜2将光线反射到校正镜3表面，校正镜3表面的衍射环带结构对一定波段范围内的色差进行校正后反射到滤光片4表面，滤光片4对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面5上被CCD接收形成电子图像数据；反射光会聚到第二次镜表面，第二次镜将光线反射到第二校正镜表面，第二校正镜表面的衍射环带结构对一定波段范围内的色差进行校正后反射到第二滤光片表面，第二滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到第二像面上被第二CCD接收形成电子图像数据。
本实施方式通过在系统光路中增加分光镜6，使得系统能够实现双波段成像，透射光的波段一7为580nm～620nm，而反射光的波段二8可为720nm～780nm或490nm～510nm，反射光路的具体结构与具体实施方式一的580nm～620nm波段的光路形式一致。在图11中，分光镜6对光波段一7具有接近100％的透射率，对波段二8具有接近100％的反射率。与波段一7不同的是，波段二8光路中的滤光片4对波段二8具有接近100％的透射率，对此波段二8以外的光线的透射率接近于0；校正镜3的表面轮廓及相位参数的设计应将中心波长设定为波段二8的中心波长。

Claims (9)

1.一种大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述大口径谐衍射主镜成像系统包括以下部分：谐衍射主镜、次镜、校正镜、滤光片和像面，光辐射由谐衍射主镜收集并会聚到次镜表面，次镜将光线反射到校正镜表面，校正镜校正光线的色差，并将消色差光线反射到滤光片表面，滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面上被CCD接收形成电子图像数据。
2.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述大口径谐衍射主镜成像系统的口径为10m，焦距为19.88m，全视场为14.4”，主工作波段为580～620nm，可选工作波段为720nm～780nm或490nm～510nm。
3.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述次镜为凹球面反射镜，曲率半径为13.913m，其轮廓为1.63m直径的圆形，位于谐衍射主镜后1124.6m。
4.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述校正镜为表面具有同心圆环形的衍射环带结构的凸球面反射镜，曲率半径为3.740m，其轮廓为0.248m直径的圆形，位于次镜前6.162m，校正镜的二次相位系数为6.271×106、四次相位系数为7.882×106、六次相位系数为2.294×107、八次相位系数为-3.803×105，环带高度为n为谐衍射主镜的加工材料的折射率。
5.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述滤光片为厚度为3mm的平板玻璃，其轮廓为0.114m直径的圆形，滤光片的通光波段为580nm～620nm，位于校正镜后1.479m。
6.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述像面为直径为0.045m的圆形区域，位于滤光片后0.229m处。
7.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述CCD的感光面应覆盖整个像面区域。
8.根据权利要求1所述的大口径谐衍射主镜成像系统，其特征在于所述大口径谐衍射主镜成像系统还包括分光镜、第二次镜、第二校正镜、第二滤光片和第二像面，光辐射由谐衍射主镜收集并经分光镜分光为透射光和反射光，透射光会聚到次镜表面，次镜将光线反射到校正镜表面，校正镜校正光线的色差，并将消色差光线反射到滤光片表面，滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到像面上被CCD接收形成电子图像数据；反射光会聚到第二次镜表面，第二次镜将光线反射到第二校正镜表面，第二校正镜校正光线的色差，并将消色差光线反射到第二滤光片表面，第二滤光片对光线进行滤光，滤光后的光线照射到第二像面上被第二CCD接收形成电子图像数据，实现双波段成像。
9.权利要求1-8任一权利要求所述大口径谐衍射主镜成像系统在大口径遥感成像系统中应用。
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