CN107121717B - 一种复合角锥棱镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合角锥棱镜，所述复合角锥棱镜由三个角锥棱镜胶合而成，其中包括一个大的和两个小的角锥棱镜，小角锥的直角面边长和底面边长分别大角锥直角面边长及其底面边长的三分之一，并且大角锥底面除了有效反射区以及与小角锥胶合区域外均为掩膜区。对于从底面正六边形有效反射区域进入该复合角锥棱镜的光束都将从该区域按原光束方向返回，且光束刚好绕其自身中心发生180°旋转。本发明的优点在于：角锥棱镜消除了由于反射元件因自身安装倾斜问题或者是反射元件本身在系统的运行过程中发生震动引起旋转或倾斜问题而导致所构建的自准直光路发生倾斜或者偏心的问题，降低了系统安装反射光学元件的难度系数，保证了系统运行的稳定性。

Description

一种复合角锥棱镜

技术领域：

本发明具体涉及一种复合角锥棱镜，用于为对地观测大口径合成孔径空间望远镜系统的拼接镜共面检测系统构建自准直光路。

背景技术：

在对地观测大口径空间望远镜实际应用中，由于运载火箭整流罩尺寸的限制以及单一整镜加工能力的限制，大口径空间望远镜只能通过子镜拼接的方式合成，然后在轨展开，因此需要对合成孔径空间望远镜系统的拼接镜进行在轨共面检测。

通常空间望远镜成像系统的检测目标选择来自于太空中无穷远的星点或者通过选择地球表面目标产生或反射的光信号为系统提供检测光源，此时由于光源与对地观测系统相距较远，可认为检测光路为准直光路。但是在对地观测过程中，若望远镜系统通过地球表面目标产生或反射的检测光，比如找某一特征地貌对系统进行检测时，则空间望远镜系统只能根据卫星飞行轨道得到周期性的检测；当系统通过找遥远的星体进行检测时，对地观测系统则需要调整卫星的观测姿态。而本发明中采用新型复合角锥棱镜为对地观测系统搭建自准直检测光路，实现了为对地观测大口径合成孔径望远镜系统的后续检测系统提供自准直光路，解决了对地观测成像系统拼接镜共面检测实时检验的问题；从而也解决了对地观测遥感系统根据卫星飞行轨道通过找某一特征地貌进行检测时只能进行周期性检测的问题，以及对地观测望远镜系统通过找无穷远星体提供准直光源进行检验时卫星的姿态调整问题。

角锥棱镜是一种全反射棱镜，对于从其底面以任意方向进入有效通光孔径的入射光线，经三个反射表面顺序反射以后，都将被高效地以与入射光线相反的方向反射回去，且当棱镜以锥顶为中心向任意方向偏转，出射光线方向不变，角锥棱镜出射光线和入射光线关于过角锥顶点且垂直于入射面的直线对称。因此角锥棱镜消除了由于元件安装存在倾斜误差而带来的准直光路倾斜的问题，而光学系统的波前差对光路倾斜分量较敏感，因此由于光路的微量倾斜就能严重地影响光学系统的成像波前，从而降低了系统的成像质量，倘若单纯采用平面反射镜来构建自准直光路，平面镜则需要达到非常高的安装精度，而采用角锥棱镜则高效的解决了该问题。

发明内容

本发明公开了一种复合角锥棱镜，其目的在于为对地观测大口径合成孔径空间望远镜系统的拼接面共面检测系统构建自准直内光路。用于解决对地观测大口径合成孔径系统拼接镜在轨运行期间进行实时共面检测的问题，并且也解决了反射元件高精度安装的问题，为保证空间大口径合成孔径实时对地观测望远镜的顺利运行提供了高效的技术途径。

所述复合角锥棱镜由三个角锥棱镜胶合而成，其中包括一个大的和两个小的角锥棱镜，两个小的角锥棱镜的直角面边长和底面边长分别是大角锥直角面边长以及其底面边长的三分之一；且小角锥底面的两个顶点分别位于大角锥底面相邻两边长三分之一的位置，另一个顶点刚好与大角锥的底面中心重合；根据两个小角锥的胶合位置则可以分别得出位于大角锥底面的两个有效后向反射区域，大角锥底面除了两个有效的后向反射区域以及与两个小角锥的胶合区域以外均进行遮光处理，使该部分无法对光束进行后向反射，而只有进入有效反射区域的光束可以按原方向返回。

本方法与现有的技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、本方法中采用复合角锥棱镜为系统构建自准直内检测光路，与单纯的采用其它反射元件相比，由于角锥棱镜的光学特性完全地消除了由于反射元件因自身安装倾斜问题或者是反射元件本身在系统的运行过程中发生震动引起旋转或倾斜问题而导致所构建的自准直光路发生倾斜或者偏心的问题。因而极大的降低了系统安装反射光学元件的难度系数，保证了系统运行的稳定性。

2、由角锥棱镜的光学特性可知，光束从角锥底面正入射以后，后向反射光束以光束中心为对称中心发生了180°的旋转，因此由望远镜系统内部发出的经系统本身准直出射的光束经复合角锥棱镜反射以后再次经过望远镜系统，因此刚好抵消掉了来自光学系统本身的像差对拼接面共面检测的干扰。

3、与其它构建检测光路的方法相比：对于对地观测系统，若通过某一已知散射特性的地面点目标和分布目标进行检验时，则系统只能根据其空间运行轨道进行周期性的拼接镜共面检测；倘若通过寻找遥远的某一太空星体作为检测源，对地观测系统则需要调整整体卫星的姿态去对准目标源进行检测；因而，本种方法同时解决了上述只能周期性检验和卫星姿态调整的问题。

附图说明：

图1是复合角锥棱镜结构图。

图2是传统角锥棱镜底面正入射时的有效反射区域示意图。

具体实施方式：

为更好理解本发明发明，下面结合附图对该新型复合角锥棱镜做了一个详细的说明。

根据图2所示，光束从角锥底面正入射能有效按原光束方向返回的有效区域为中间正六边形区域，该六边形区域的边长为角锥底面边长的三分之一，六边形的中心与角锥底面中心重合。根据角锥的光学特性可知，在附图1中从正六边形的有效反射区进入的光束将进入到与它关于大角锥底面中心对称的小角锥棱镜，最终光束将分别从两个小角锥中返回再次进入大角锥，由原本进入时的区域按原方向返回。因此，反射区的大小以及位置可以根据两个小角锥的尺寸大小以及胶合位置确定，且小角锥的胶合位置以及有效反射区均处于大角锥底面的正六边形的有效区内。而根据大角锥的底面正六边形有效反射区域可以得出小角锥最大化尺寸与大角锥的尺寸关系以及胶合位置，此时可以确认小角锥最大化的直角面边长以及底面边长均为大角锥直角面边长以及相应底面边长的三分之一，且小角锥的两个底面顶点位置与大角锥底面边长的三分子一处重合，另一个顶点则刚好与大角锥底面中心重合。

合成孔径望远镜发展至今已近开展了多种子镜拼接的方式，在本发明中我们就不针对此做详细说明。结合附图下面对基于该复合角锥棱镜以及大口径合成孔径望远镜系统构建自准直光路做一个详细的施行方案的说明。

如果经过合成孔径望远镜主镜上的各子镜后的光波面具有相同的相位，它们的弥散斑中心因相干叠加而强度增强，宽度变窄，这样就能提高光学系统的分辨率。因此，迫切的需要精密的检测并控制分块子镜拼接成为整个单一镜面。对于合成孔径望眼镜在轨展开完成子镜拼接后，我们需要对系统的拼接镜进行共面检测，而此时需要为系统构建自准直光路，让来自系统内部焦平面的检测光经望远镜系统自准直以后能按原路返回到系统的焦面上。对于拼接主镜我们需要特别关注地是两两相邻子镜间的拼接状况，因此将每个复合角锥棱镜底面横跨两相邻拼接子镜，使两块形状为正六边形的有效反射区分别对准来两相邻拼接子镜，这样来自拼接子镜的准直光束从有效反射区正入射进入复合角锥棱镜内，进入的光束经大角锥三次顺序反射后进入与有效入反射区域关于底面中心对称小角锥棱镜，然后经该小角锥棱镜三次顺序反射后重新返回到大角锥棱镜内，依次再经大角锥三次顺序反射后由进入时的有效反射区返回，最终返回的光束只是绕其自身中心发生了180°的旋转。同理，来自另一个拼接镜的准直光束同样经有效反射区进入大角锥棱镜，再由大角锥棱镜进入小角锥棱镜，经小角锥棱镜返回的的光束又再次返回到大角锥棱镜内，再由该有效反射区按原光路方向返回，最终同样光束绕其中心发生了180°旋转。然后经复合角锥棱镜有效反射区返回的准直光束经相应拼接子镜返回系统内部进入到共面检测系统。

根据合成孔径拼接镜间的实际距离以及参考市场现有的角锥棱镜系列，大角锥选取底面外接圆直径为76.2mm的角锥，小的选取底面外接圆直径为 25.4mm的角锥，然后按上述原理进行胶合以及遮光处理。

Claims (1)

1.一种复合角锥棱镜，所述复合角锥棱镜由三个角锥棱镜胶合而成，包括一个大的和两个小的角锥棱镜，其特征在于：

两个小角锥棱镜的直角面的每一条直角边长和底面边长分别是大角锥棱镜直角面的每一条直角边长以及其底面边长的三分之一，且小角锥底面的两个顶点分别位于大角锥底面相邻两边长三分之一的位置，另一个顶点则刚好与大角锥的底面中心重合；根据两个小角锥的胶合位置则可以分别得出位于大角锥底面的两个有效后向反射区域，大角锥底面除了两个有效的后向反射区域以及与两个小角锥的胶合区域以外均进行遮光处理，使被遮光部分无法对光束进行后向反射，而只有进入有效反射区域的光束可以按原方向返回。