CN105866936B - 一种机载超广角全球面反射式光学系统 - Google Patents

一种机载超广角全球面反射式光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105866936B
CN105866936B CN201610383432.4A CN201610383432A CN105866936B CN 105866936 B CN105866936 B CN 105866936B CN 201610383432 A CN201610383432 A CN 201610383432A CN 105866936 B CN105866936 B CN 105866936B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spherical reflector
optical system
axis
wide angle
whole world
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610383432.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105866936A (zh
Inventor
钟兴
苏志强
李艳杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chang Guang Satellite Technology Co Ltd
Original Assignee
Chang Guang Satellite Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chang Guang Satellite Technology Co Ltd filed Critical Chang Guang Satellite Technology Co Ltd
Priority to CN201610383432.4A priority Critical patent/CN105866936B/zh
Publication of CN105866936A publication Critical patent/CN105866936A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105866936B publication Critical patent/CN105866936B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0647—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using more than three curved mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/023—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system for extending or folding an optical path, e.g. delay lines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0647—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using more than three curved mirrors
    • G02B17/0663—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using more than three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements

Abstract

本发明涉及一种机载超广角全球面反射式光学系统，沿着光束传播的方向依次包括：窗口玻璃、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、第四球面反射镜、折叠镜以及焦平面CMOS探测器；其中，以窗口玻璃所在坐标系为全局坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴在纸面内，方向向左，并与Z轴垂直，X轴与Y轴、Z轴满足右手法则。本发明的机载超广角全球面反射式光学系统应用于机载光学成像系统，视场角达到90°，对地观测空间分辨率可以达到0.2m，使得成像视场大幅提高，有效地扩大了地面覆盖宽度以及地面观测精度，对地观测效率获得较大提高。

Description

一种机载超广角全球面反射式光学系统
技术领域
本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种机载超广角全球面反射式光学系统。
背景技术
在航空遥感应用领域，大视场宽覆盖对地观测一直是提高观测效率的最有效的办法，透射式系统可以有很大的视场，从而通过提高地面覆盖宽度来提高对地观测效率。但是，透射式系统存在色差，而且在长焦距时二级光谱难以校正，从而降低了成像质量，此外，透射式系统一般重量较大，难以满足光学系统轻量化的要求。全反射式光学系统具有无色差、质量小等优点，在反射式系统中，球面反射镜相比非球面反射镜更容易进行加工、装调和检测，使用球面反射元件能够较大程度上降低成本，但反射式系统的视场一般较小，这对航空遥感效率的提高有较大的限制。为了充分利用反射式系统的优点，本发明以反射式系统为基础，通过离轴设计，并对光阑等进行合理优化，设计了一种新型的超广角全球面机载反射式光学系统，配合12K×5K的面阵探测器使用，成为目前视场最大的成像质量优良的机载相机。
与本发明较为接近的反射式光学系统发明专利是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所张新等人设计的《超大视场偏轴全反射式光学系统》(申请号：201010613570.X)，利用四块球面反射镜偏轴分布，系统孔径光阑与次镜重合，通过离轴设计，使得光学系统的视场达到62°，在一定程度上解决了反射式系统视场小的问题。
发明内容
为克服已有技术存在的视场小、非球面反射元件加工检测困难的缺点，本发明提出一种机载超广角全球面反射式光学系统。
本发明的目的在于：设计的系统能够大视场范围内同时获取地面目标的信息，提高作业效率，同时由于采用全反射设计，系统不产生色差，离轴设计增加了校正像差的变量的个数，使得在仅用球面反射镜的条件下获得较好的成像质量，整个视场无渐晕，扩展了可用于成像系统的材料选择的范围，能够在宽波段范围内获取目标的信息。本发明应用于机载平台环境条件下，采用12K×5K的面阵探测器，空间分辨率可以达到0.2m，视场达到90°。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种机载超广角全球面反射式光学系统，沿着光束传播的方向依次包括：
窗口玻璃、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、第四球面反射镜、折叠镜以及焦平面CMOS探测器；
其中，以窗口玻璃所在坐标系为全局坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴在纸面内，方向向左，并与Z轴垂直，X轴与Y轴、Z轴满足右手法则；
选定窗口玻璃的中心位置为全局坐标系的原点后，第一球面反射镜在X方向上发生倾斜，倾斜角度为13°，窗口玻璃与第一球面反射镜的距离d1为40mm～60mm；
第二球面反射镜在第一球面反射镜的反射光路上，相对第一球面反射镜所在局部坐标系绕X轴旋转-10.954°，与第一球面反射镜在全局坐标系下沿着Z轴的距离d2为60mm～80mm；
第三球面反射镜位于第二球面反射镜的反射方向上，相对第二球面反射镜的局部坐标系X方向倾斜19.011°，在宏观坐标系Z轴方向上与第一球面反射镜的距离d3为12mm～20mm；
第四球面反射镜位于第三球面反射镜的反射光路方向上，相对第三球面反射镜的局部坐标系在X方向倾斜-8.393°，与第三球面反射镜在全局坐标系中Z轴方向的距离d4为15mm～20mm；
经过第四球面反射镜反射后，在反射光路方向上设置折叠镜，实现光路折转，以减小光学系统长度，折叠镜绕第四球面反射镜在第四球面反射镜所在局部坐标系的X轴方向倾斜45°，与第四球面反射镜在全局坐标系下Z轴方向距离d5为40mm～50mm；
经折叠镜反射后成像到CMOS探测器上，CMOS探测器到折叠镜中心距离d6为15mm～20mm。
在上述技术方案中，与像元数为12K×5K，像元尺寸为5.5μm的CMOS面阵焦平面阵列组合应用于机载航空对地观测。
在上述技术方案中，窗口玻璃为一平行平板，用作保护玻璃。
在上述技术方案中，所述第一球面反射镜的半径为111.245mm。
在上述技术方案中，所述第二球面反射镜的半径为130.952mm。
在上述技术方案中，所述第三球面反射镜的半径为136.940mm。
在上述技术方案中，所述第四球面反射镜的半径为110.143mm。
在上述技术方案中，光学系统在X方向发生倾斜，并且光学系统的孔径光阑与第三球面反射镜重合。
本发明的积极效果是：
本发明的机载超广角全球面反射式光学系统应用于机载光学成像系统，视场角达到90°，对地观测空间分辨率可以达到0.2m，使得成像视场大幅提高，有效地扩大了地面覆盖宽度以及地面观测精度，对地观测效率获得较大提高。
本发明的机载超广角全球面反射式光学系统采用全反射系统设计，宽光谱范围内无色差，无渐晕，接近像方远心系统，奈奎斯特频率处调制传递函数优于0.4，结构紧凑，满足轻量化要求。全球面设计避免了非球面加工、检测与装调的难度，降低了设计与生产成本。
应用本发明的机载超广角全球面反射式光学系统，使得系统轻量化、无色差、无遮拦的同时，通过离轴设计成像视场达到90°，实现了超广角成像，应用于低空遥感时具有其他光学系统无法比拟的优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的光学系统结构示意图。
图中的附图标记表示为：
1：窗口玻璃；2：第一球面反射镜；3：第二球面反射镜；4：第三球面反射镜；5：第四球面反射镜；6：折叠镜；7：CMOS探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明提供了一种超广角全球面反射式光学系统，该系统的视场在X方向视场为90°，Y方向视场为10°。技术方案如图1所示，光学系统由窗口玻璃以及球面反射镜组组成，其中窗口玻璃1为平行平板，球面反射镜组包括第一球面反射镜2，第二球面反射镜3，第三球面反射镜4，第四球面反射镜5，折叠镜6以及面阵CMOS探测器7。
在此系统中，沿着光束传播的方向依次排布着窗口玻璃1、第一球面反射镜2、第二球面反射镜3、第三球面反射镜4、第四球面反射镜5、折叠镜6以及焦平面CMOS探测器7。其中第一球面反射镜2是光学系统的主镜，第二球面反射镜3是光学系统的次镜，第三球面反射镜4是光学系统的三镜，同时也是光学系统的孔径光阑，第四球面反射镜5是光学系统的四镜。窗口玻璃1为一平行平板，用作保护玻璃。
以窗口玻璃1所在坐标系为全局坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴在纸面内，方向向左，并与Z轴垂直，X轴与Y轴、Z轴满足右手法则。选定窗口玻璃1的位置，即全局坐标系的原点后，第一球面反射镜2在X方向上发生倾斜，倾斜角度为13°，窗口玻璃1与第一球面反射镜2的距离为d1。第二球面反射镜3在第一球面反射镜2的反射光路上，相对第一球面反射镜2所在局部坐标系绕X轴旋转-10.954°，与第一球面反射镜2在全局坐标系下沿着Z轴的距离为d2，第三球面反射镜4位于第二球面反射镜的反射方向上，相对第二球面反射镜3的局部坐标系X方向倾斜19.011°，在宏观坐标系Z轴方向上与第一球面反射镜的2的距离为d3，第四球面反射镜5位于第三球面反射镜4的反射光路方向上，相对第三球面反射镜的局部坐标系在X方向倾斜-8.393°，与第三球面反射镜4在全局坐标系中Z轴方向的距离为d4，经过第四球面反射镜5反射后，在反射光路方向上设置折叠镜6，实现光路折转，以减小光学系统长度，折叠镜6绕第四球面反射镜5在第四球面反射镜所在局部坐标系的X轴方向倾斜45°，与第四球面反射镜5在全局坐标系下Z轴方向距离为d5，经折叠镜反射后成像到CMOS探测器7上，CMOS探测器7到折叠镜中心距离为d6。其中，d1为40mm～60mm；d2为60mm～80mm；d3为12mm～20mm；d4为15mm～20mm；d5为40mm～50mm；d6为15mm～20mm。
本发明的工作原理是：本系统应用于机载成像时，大视场目标信息顺序通过窗口玻璃1，第一球面反射镜2，第二球面反射镜3，第三球面反射镜4，第四球面反射镜5，经过折叠镜6将光路折叠，成像到CMOS光敏面7上，形成大视场的地物目标图像。选用球面反射镜可以降低镜片的加工、检测以及装配成本，同时能够使得光学系统在宽谱段内无色差。各个球面反射镜的半径、球面反射镜之间的距离以及元件之间的相对倾斜偏心通过光学设计软件进行优化，达到了成像质量高，结构轻量化的目的。
光学系统设计指标以及光学系统应用环境如下：
要实现上述光学系统参数指标，光学成像系统的各个元件的具体参数需要按表(1)所示的参数执行，其中倾斜角度指的是该元件相对上一元件局部坐标系的X轴旋转的角度。
表(1)本发明光学系统参数表
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，沿着光束传播的方向依次包括：
窗口玻璃(1)、第一球面反射镜(2)、第二球面反射镜(3)、第三球面反射镜(4)、第四球面反射镜(5)、折叠镜(6)以及焦平面CMOS探测器(7)；
其中，以窗口玻璃(1)所在坐标系为全局坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴在纸面内，方向向左，并与Z轴垂直，X轴与Y轴、Z轴满足右手法则；
选定窗口玻璃(1)的位置为全局坐标系的原点后，第一球面反射镜(2)在X方向上发生倾斜，倾斜角度为13°，窗口玻璃(1)与第一球面反射镜(2)的距离d1为40mm～60mm；
第二球面反射镜(3)在第一球面反射镜(2)的反射光路上，相对第一球面反射镜(2)所在局部坐标系绕X轴旋转-10.954°，与第一球面反射镜(2)在全局坐标系下沿着Z轴的距离d2为60mm～80mm；
第三球面反射镜(4)位于第二球面反射镜(3)的反射方向上，相对第二球面反射镜(3)的局部坐标系X方向倾斜19.011°，在全局坐标系Z轴方向上与第一球面反射镜(2)的距离d3为12mm～20mm；
第四球面反射镜(5)位于第三球面反射镜(4)的反射光路方向上，相对第三球面反射镜(4)的局部坐标系在X方向倾斜-8.393°，与第三球面反射镜(4)在全局坐标系中Z轴方向的距离d4为15mm～20mm；
经过第四球面反射镜(5)反射后，在反射光路方向上设置折叠镜(6)，实现光路折转，以减小光学系统长度，折叠镜(6)绕第四球面反射镜(5)在第四球面反射镜(5)所在局部坐标系的X轴方向倾斜45°，与第四球面反射镜(5)在全局坐标系下Z轴方向距离d5为40mm～50mm；
经折叠镜反射后成像到CMOS探测器(7)上，CMOS探测器(7)到折叠镜(6)中心距离d6为15mm～20mm。
2.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，与像元数为12K×5K，像元尺寸为5.5μm的CMOS面阵焦平面阵列组合应用于机载航空对地观测。
3.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，窗口玻璃(1)为一平行平板，用作保护玻璃。
4.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，所述第一球面反射镜的半径为111.245mm。
5.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，所述第二球面反射镜的半径为130.952mm。
6.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，所述第三球面反射镜的半径为136.940mm。
7.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，所述第四球面反射镜的半径为110.143mm。
8.根据权利要求1所述的机载超广角全球面反射式光学系统，其特征在于，光学系统在X方向发生倾斜，并且光学系统的孔径光阑与第三球面反射镜(4)重合。
CN201610383432.4A 2016-06-02 2016-06-02 一种机载超广角全球面反射式光学系统 Active CN105866936B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610383432.4A CN105866936B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 一种机载超广角全球面反射式光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610383432.4A CN105866936B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 一种机载超广角全球面反射式光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105866936A CN105866936A (zh) 2016-08-17
CN105866936B true CN105866936B (zh) 2018-07-13

Family

ID=56675802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610383432.4A Active CN105866936B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 一种机载超广角全球面反射式光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105866936B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230411B (zh) * 2020-10-26 2022-08-09 长光卫星技术有限公司 一种折反式离轴大视场成像光学系统
CN114112791A (zh) * 2021-11-16 2022-03-01 广州市元奥仪器有限公司 一种便携式双光程纹影仪
CN117406412B (zh) * 2023-12-14 2024-03-08 武汉宇熠科技有限公司 一种基于自由曲面的离轴反射式精密量测光学系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN104111520A (zh) * 2014-07-17 2014-10-22 中国科学院光电技术研究所 一种离轴反射成像光学系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9482853B2 (en) * 2013-02-27 2016-11-01 Raytheon Company Afocal telescope configured as three or four mirror anastigmat for back-scanned imagery

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN104111520A (zh) * 2014-07-17 2014-10-22 中国科学院光电技术研究所 一种离轴反射成像光学系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于微分方程方法的离轴四反光学系统设计;夏春秋 等;《光学学报》;20150930;第35卷(第9期);第1-8页 *
离轴四反射镜光学系统设计;丁学专 等;《红外与激光工程》;20080430;第37卷(第2期);第319-321页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105866936A (zh) 2016-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2763055B2 (ja) 実入射瞳を有する反射光学トリプレット
CN107991686B (zh) 红外-可见双波段光电探测系统及光轴偏角测量方法
CN107728300B (zh) 一种宽视场大相对孔径的小型反射式离轴望远系统
CN104516110A (zh) 一种共孔径宽波段红外光学系统
CN101855585B (zh) 成像光学系统以及距离测定装置
CN106383401B (zh) 一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统
CN105259647B (zh) 大视场同离轴一体三反式空间光学系统
CN105866936B (zh) 一种机载超广角全球面反射式光学系统
CN205539710U (zh) 大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统
CN102252756A (zh) 一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统
CN110579859A (zh) 一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统
US8488237B2 (en) Wide spectral coverage Ross corrected Cassegrain-like telescope
WO2010110934A1 (en) Real-time optical compensation of orbit-induced distortion effects in long integration time imagers
CN107643592A (zh) 一种长焦距可变焦折反射光学系统
CN206224041U (zh) 一种超宽视场离轴三反射镜光学系统
CN109143558A (zh) 一种小型化全天候星敏感器光学系统
WO2002059676A1 (en) Spherical view imaging apparatus and method
CN102364372A (zh) 多光谱折反式光学系统
CN110596870A (zh) 一种紧凑型可见-红外双波段光学系统
CN104406691B (zh) 一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光系统
CN107677264A (zh) 一种反射式星敏感器
US11221468B2 (en) Optical imaging module having a hyper-hemispherical field and controlled distortion and compatible with an outside environment
CN110609382A (zh) 一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统
CN108345095A (zh) 一种宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构
CN210376857U (zh) 一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: No. 1299, Mingxi Road, Beihu science and Technology Development Zone, Changchun City, Jilin Province

Patentee after: Changguang Satellite Technology Co.,Ltd.

Address before: 130032 No. 1759, Mingxi Road, Gaoxin North District, Changchun City, Jilin Province

Patentee before: CHANG GUANG SATELLITE TECHNOLOGY Co.,Ltd.