CN109212734B - 一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统。该稀疏孔径两反光学成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的次反射镜和主反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的右方。主反射镜为自由曲面反射镜，次反射镜为双曲面反射镜；主反射镜为稀疏孔径结构，由多个分散的子反射镜构成。本发明具有共光轴以及较大视场角的特点，适用于成像光谱仪等空间遥感领域。

Description

一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统
技术领域
本发明涉及一种稀疏孔径两反光学成像系统。具体地说，是一种共光轴的大视场稀疏孔径两反光学成像系统。
背景技术
稀疏孔径光学成像系统是由多个子孔径按一定规律排列组合在一起，用来代替一个大孔径区域，由于各个子孔径的口径比整个大口径要小得多，因此稀疏孔径不仅能克服由于光学系统口径太大所带来的一系列困难，而且能获得和大孔径光学系统相当的空间分辨率。稀疏孔径光学成像系统在实际应用时多为两反式望远镜结构（由主镜和次镜构成），主镜由多个小的子镜组合构成。
通常稀疏孔径光学成像系统的主镜为球面，即主镜的二次曲面系数为0，各个子镜和主镜的曲率半径相同，这样易于子镜的批量生产，同时也使得各个子镜的测试和装调更加方便。但是主镜的球面面形也会给整个系统带来比较严重的球差，因此次镜必须通过增加它的形变才能抵消主镜引入的球差，与此同时，整个稀疏孔径光学成像系统的成像质量还受制于轴外像差如慧差、像散，这些轴外像差严重限制了整个系统的视场。
文献“子孔径拼接成像系统结构设计及装调方法的研究”（[D]高天元，2009，博士毕业论文）公开了一种稀疏孔径光学成像系统实物装置，该稀疏孔径光学成像系统的主镜为球面反射镜，次镜为扁椭球反射镜，二次曲面系数为7.22，加入4块校正镜后全视场仅为0.126°。文献“Golay3望远镜系统的设计”（[J]光学 精密工程，2011,19(12): 2877-2883）公开了一种Golay3稀疏孔径光学成像系统，该稀疏孔径光学成像系统的主镜同样为球面反射镜，次镜为扁椭球反射镜，二次曲面系数为8.59，加入2块校正镜后，经优化系统全视场为0.3°。
以上的稀疏孔径光学成像系统由于主镜均为球面反射镜，因此为了增大系统的视场，均采用了添加校正镜组的方法。使用额外的校正镜组尽管会校正轴外像差，增大望远镜视场，但是会给整个稀疏孔径光学成像系统引入色差，从而增加光学系统的结构复杂程度和成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统，是一种共光轴以及具有较大视场角的稀疏孔径两反光学成像系统，适用于成像光谱仪等空间遥感领域。
本发明的技术方案是：
一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统，其特征在于：该稀疏孔径两反光学成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的次反射镜和主反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的右方。所述主反射镜为自由曲面反射镜，所述次反射镜为双曲面反射镜；所述主反射镜为稀疏孔径结构，由多个分散的子反射镜构成。光线经过主反射镜、次反射镜，聚焦于焦面。
上述主反射镜的面型为由泽尼克条纹多项式表征的自由曲面。
上述主反射镜为凹的自由曲面反射镜，次反射镜为凸的双曲面反射镜。
上述多个分散的子反射镜数量为3-6块。
其中主反射镜的自由曲面面形满足泽尼克条纹多项式方程：
其中z是自由曲面表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为曲面所在位置的局部极坐标，k为二次曲面系数，Z i 为泽尼克条纹多项式，A i 为泽尼克条纹多项式的系数。
本发明的有益效果如下：
本发明具有共光轴以及具有较大视场角的稀疏孔径两反光学成像系统，适用于成像光谱仪等空间遥感领域。
稀疏孔径两反光学成像系统的主镜采用了自由曲面，可以有效地平衡系统的轴外像差，具有良好的成像质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明稀疏孔径两反光学成像系统结构示意图
图2为本发明稀疏孔径两反光学成像系统的结构参数图
图3为本发明稀疏孔径两反光学成像系统主反射镜的面型参数图
图4为本发明稀疏孔径两反光学成像系统调制传递函数图
图5为主镜为球面反射镜的稀疏孔径两反光学成像系统结构示意图
图6为主镜为球面反射镜的稀疏孔径两反光学成像系统的结构参数图
图7为主镜为球面反射镜的稀疏孔径两反光学成像系统调制传递函数图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
如图1所示，一种稀疏孔径两反光学成像系统，该光学系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的次反射镜1和主反射镜2。其中，次反射镜1为凸的双曲面反射镜，主反射镜2为自由曲面反射镜。光线首先入射至主反射镜2，主反射镜2将入射光线反射至次反射镜1，最后聚焦于焦面3。图2所示为本发明中各个光学器件的参数值。
其中主反射镜为三子镜稀疏孔径，采用了泽尼克条纹多项式表征的自由曲面：
其中z是自由曲面表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为曲面所在位置的局部极坐标，k为二次曲面系数，Z i 为泽尼克条纹多项式，A i 为泽尼克条纹多项式的系数。泽尼克条纹多项式的系数如图3所示.
整个光学系统的F/#(焦距与入瞳口径的比值)为7.7，焦距为2308mm，由图4所示，系统在水平方向±0.25o，竖直方向±0.25o的方形视场内具有衍射极限的成像质量（口径确定时的理论上最高的分辨率）。为了进一步说明本发明的效果，设计了相同F/#和焦距，且主反射镜为球面反射镜的稀疏孔径两反光学成像系统，结构如图5所示，该系统中各个光学器件的参数如图6所示.
由图7可以看出，和主镜为自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统相比，尽管加入两块校正镜，但是在±0.25o视场下，光学系统的成像质量仍要低于衍射极限。
以上的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于自由曲面的稀疏孔径两反光学成像系统，其特征在于：该稀疏孔径两反光学成像系统包括沿系统光轴自左向右依次设置的次反射镜和主反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的右方；所述主反射镜为自由曲面反射镜，所述次反射镜为双曲面反射镜；所述主反射镜为稀疏孔径结构，由多个分散的子反射镜构成；光线经过主反射镜、次反射镜，聚焦于焦面；所述主反射镜的自由曲面面形满足泽尼克条纹多项式方程：
其中z是自由曲面表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为曲面所在位置的局部极坐标，k为二次曲面系数，Zi为泽尼克条纹多项式，Ai为泽尼克条纹多项式的系数，
所述稀疏孔径两反光学成像系统的结构参数如下表所示：
名称 距离(mm) 面型 曲率半径(mm) 二次曲面系数 主反射镜 700.00 自由曲面 -2469.64 -1.40 次反射镜 1000.00 双曲面 -2299.32 -20.00 焦面 — — — —
所述泽尼克条纹多项式的系数Ai取值如下表所示：
Zi Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Ai -1.284e-7 -2.873e20 1.124e19 1.284e-7 -4.337e36 -9.578e19 3.745e18
。
2.根据权利要求1所述的稀疏孔径两反光学成像系统，其特征在于：所述主反射镜为凹的自由曲面反射镜，次反射镜为凸的双曲面反射镜。
3.根据权利要求1所述的稀疏孔径两反光学成像系统，其特征在于：所述多个分散的子反射镜数量为3-6块。
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