CN107589536A - 一种小相对孔径折叠光路同轴系统 - Google Patents

Abstract

一种小相对孔径折叠光路同轴系统，包括主镜、次镜、折转镜、三镜、焦平面；光路由无穷远入射至主镜，光线经过主镜反射、汇聚之后到达至次镜，光线经过次镜反射后到达折镜，光线在次镜和折镜之间汇聚一次，形成一次像；光线经过折镜折转之后到达三镜，光线经过三镜反射之后在焦平面处汇聚形成二次像。本发明通过小相对孔径的同轴光学系统，在光学系统接近衍射极限的情况下保证MTF满足需求；同时采用折转镜折叠光路，最大程度的压缩光学系统的体积，采用二次像系统，将相机的折转镜放置在一次像和出瞳附近，最大程度的减小折转镜，一次像靠近主镜尽可能减小主镜中心开口尺寸，大大减小系统的体积，降低了相机研制的难度及重量。

Description

一种小相对孔径折叠光路同轴系统

技术领域

本发明属于航天空间相机技术领域，涉及一种小相对孔径折叠光路同轴系统。

背景技术

在光学遥感的应用中，随着用户对遥感器的空间分辨率的需求越来越高，导致光学系统焦距越来越长，从而导致光学系统口径越来越大，长度越来越长。大口径长焦距增加了相机的研制难度。大口径、长焦距必然带来光及系统的设计难度，如大口径反射镜的加工、装调、支撑都是光机设计领域的难题。同时大口径和长焦距导致光机系统的体积和重量增加，对卫星平台也是一个重大的挑战，同时大体积、大重量会导致卫星的研制、发射成本大大提高。而本专利的小相对孔径折叠光路可使同样焦距的相机，反射镜口径和相机体积大大减小。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种小相对孔径折叠光路同轴系统，解决高分辨率与空间相机轻小型化的矛盾问题，从而实现空间相机轻小型化同时具备高空间分辨率成像能力。

本发明的技术方案是：一种小相对孔径折叠光路同轴系统，包括主镜、次镜、折转镜、三镜、焦平面；光路由无穷远入射至主镜，光线经过主镜反射、汇聚之后到达至次镜，光线经过次镜反射后到达折镜，光线在次镜和折镜之间汇聚一次，形成一次像；光线经过折镜折转之后到达三镜，光线经过三镜反射之后在焦平面处汇聚形成二次像。

主镜为凹面反射镜，次镜为凸面反射镜，折转镜为平面反射镜，三镜为凹面反射镜；

调节主镜、次镜的参数，使光学系统的一次像距离次镜的距离与主镜、次镜之间的距离比为0.7～1.3之间。

折转镜位于主镜后，折转镜、次镜之间的距离与主镜、次镜之间的距离比为1.02～1.4。

折转镜的法线与主镜光轴的夹角为35°～55°。

调节主镜、次镜、三镜的参数，使光学系统的出瞳位于三镜与焦平面之间。

出瞳到三镜的距离与折转镜到三镜的距离比值为0.7～1.3。

所述三镜和焦平面之间的距离与次镜和折转镜之间的距离比为0.6～1.4。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、通过小相对孔径的同轴光学系统，在光学系统接近衍射极限的情况下保证MTF满足需求；同时采用折转镜折叠光路，最大程度的压缩光学系统的体积，采用二次像系统，将相机的折转镜放置在一次像和出瞳附近，最大程度的减小折转镜，一次像靠近主镜尽可能减小主镜中心开口尺寸。小相对孔径和折叠光路可大大减小系统的体积，降低了相机研制的难度及重量。

2、小相对孔径可以在同样焦距的情况下，减小相机的口径。调节主镜、次镜的参数，使光学系统的一次像距离次镜的距离与主镜、次镜之间的距离比为0.7～1.3之间，这样可以使的主镜的中心孔尽可能的小，可以提高主镜接受光线数量。

3、将折转镜位于主镜后，折转镜、次镜之间的距离与主镜、次镜之间的距离比为1.02～1.4。这样可以使折转镜位于一次像附近，减小折转镜的口径，达到减重目的。同时折转镜位于主镜背后可以光学系统的体积。

4、折转镜的法线与主镜光轴的夹角为35°～55°。可以较小光学系统在主镜光轴方向的长度。同样可以减小光学系统的体积。

5、调节三镜的参数，使光学系统的出瞳位于三镜与焦平面之间。出瞳到三镜的距离与折转镜到三镜的距离比值为0.7～1.3。将出瞳放置在折转镜附近可以防止折转镜遮挡成像光线。

6、三镜和焦平面之间的距离与次镜和折转镜之间的距离比为0.6～1.4。保证光学系统近似立方体，在同样焦距的情况下使光学系统的体积最小，重量最轻。

附图说明

图1为本发明光学系统示意图。

具体实施方式

本发明的系统的一些关键性参数进行合理选择，减轻空间相机的研制难度，最终在高分辨率空间相机中实现轻小型化。

如图1所示，本发明系统包括主镜1、次镜2、折转镜3、三镜4、焦平面5；主镜为凹面反射镜，次镜为凸面反射镜，折镜为平面反射镜，三镜为凹面反射镜；光路由无穷远入射至主镜1，光线经过主镜反射、汇聚之后到达至次镜2，光线经过次镜2反射后到达折镜3，光线在次镜2和折镜3之间汇聚一次，形成一次像；光线经过折镜3折转之后到达三镜4，光线经过三镜4反射之后在焦平面5处汇聚形成二次像。

折转镜3的法线与主镜1光轴的夹角为35°～55°。调节三镜4的参数，使光学系统的出瞳位于三镜4与焦平面5之间。出瞳到三镜4的距离与折转镜3到三镜4的距离比值为0.7～1.3。调节主镜1、次镜2的参数，使光学系统的一次像距离次镜2的距离与主镜1、次镜2之间的距离比为0.7～1.3 之间。折转镜3位于主镜1后，折转镜3、次镜2之间的距离与主镜1、次镜2之间的距离比为1.02～1.4。所述三镜4和焦平面5之间的距离与次镜2 和折转镜3之间的距离比为0.6～1.4。

实施例

下面对该流程图的各个步骤详细介绍，如图1所示：

(1)相对孔径的确定：模拟地面复原后的图像与任务书要求对比，当复原后图像的像质优于任务书要求时，较小相对孔径进行迭代，同时计算系统的其他指标，例如MTF信噪比等是否达到要求，通过迭代可得到最小的相对孔径。

(2)进行折叠光路的设计，保证焦距满足要求情况下，优化相机的镜间距，使得一次像位于主镜1附近，出瞳位于折转镜3附近。优化完成之后相机的主、次镜间距约为L₁，次镜2和折转镜3间距为L₂，折转镜3与三镜4间距为L₃，三镜4与像面5距离约为L₄。三镜4距离出瞳为L₆，次镜2到一次像距离为L₅。

(3)设计过程中，控制L₁与L₅尺寸接近，使0.7≤L₅/L₁≤1.3，并且 1.02≤L₂/L₁≤1.4。以上设计保证一次像在主镜附近，折转镜3位于主镜1背后并且位于一次像附近，同时保证折转镜3和主镜1有足够的安装空间，折转镜 3的折转角度为(45±10)°以内。设计保证0.7≤L₃/L₆≤1.3。三镜4与像面5距离0.6≤L₄/L₂≤1.4可最大程度的减小相机的体积。附图1是一个设计的示例。

(4)本专利可满足相机焦距为300mm-20000mm。

Claims (8)

1.一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：包括主镜(1)、次镜(2)、折转镜(3)、三镜(4)、焦平面(5)；光路由无穷远入射至主镜(1)，光线经过主镜反射、汇聚之后到达至次镜(2)，光线经过次镜(2)反射后到达折镜(3)，光线在次镜(2)和折镜(3)之间汇聚一次，形成一次像；光线经过折镜(3)折转之后到达三镜(4)，光线经过三镜(4)反射之后在焦平面(5)处汇聚形成二次像。

2.根据权利要求1所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：主镜(1)为凹面反射镜，次镜(2)为凸面反射镜，折转镜(3)为平面反射镜，三镜(4)为凹面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：调节主镜(1)、次镜(2)的参数，使光学系统的一次像距离次镜(2)的距离与主镜(1)、次镜(2)之间的距离比为0.7～1.3之间。

4.根据权利要求3所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：折转镜(3)位于主镜(1)后，折转镜(3)、次镜(2)之间的距离与主镜(1)、次镜(2)之间的距离比为1.02～1.4。

5.根据权利要求1-4任意所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：折转镜(3)的法线与主镜(1)光轴的夹角为35°～55°。

6.根据权利要求4所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：调节主镜(1)、次镜(2)、三镜(4)的参数，使光学系统的出瞳位于三镜(4)与焦平面(5)之间。

7.根据权利要求4所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：出瞳到三镜(4)的距离与折转镜(3)到三镜(4)的距离比值为0.7～1.3。

8.根据权利要求7所述的一种小相对孔径折叠光路同轴系统，其特征在于：所述三镜(4)和焦平面(5)之间的距离与次镜(2)和折转镜(3)之间的距离比为0.6～1.4。