CN109283670B - 一种基于自由曲面的离轴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离轴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外置入瞳和主反射镜，在外置入瞳的右下方设置有次反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的左上方。主反射镜为球面反射镜，次反射镜为自由曲面反射镜；主反射镜为稀疏孔径结构，由多个分散的子反射镜构成。本发明具有光阑外置、大视场角以及填充因子大的特点，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离轴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，是一种入瞳外置、大视场、大填充因子的离轴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单个大口径要小得多，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（由主反射镜和次反射镜构成），主反射镜由多个小的子镜组合构成。
稀疏孔径光学成像系统的一项重要指标为填充因子，填充因子定义为所有子镜的总面积与包围孔径面积的比值。填充因子是表征稀疏孔径光学成像系统子镜阵列稀疏程度的指标，它的变化会引起光学系统调制传递函数(MTF)和接收像信噪比(SNR)的变化。填充因子越高，系统的光学性能也就越高，接收像的信噪比也越高，因此提高稀疏孔径光学成像系统的填充因子具有重要意义。目前，大部分的共轴稀疏孔径光学成像系统，由于次反射镜的遮拦，最大填充因子通常在35%左右。此外，由于光学设计的残余误差以及各个子镜的装调误差等因素，地基稀疏孔径光学成像系统的视场角通常只有5弧秒左右（约0.08o）,空基稀疏孔径光学成像系统的视场角稍大，但一般不超过0.5o。如观察目标为扩展性目标物，以上视场角均偏小。
此外，稀疏孔径光学成像系统的主镜通常为球面反射镜，即各个子镜均为和主镜曲率半径相同的球面，这样易于子镜的批量生产、测试以及装调。但是主镜的球面面形会给整个系统带来较为严重的球差，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（次镜通常采用面形更为弯曲的扁椭球面）。在此基础上，如果进一步增大视场角，整个稀疏孔径光学成像系统会引入各种轴外像差如慧差、像散等，光学系统的成像质量会进一步下降。
文献“稀疏孔径望远镜退化图像复原技术研究”（[M]孙敬建，2010，硕士毕业论文）公开了一种三子镜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填充因子为36.7%，加入施密特校正镜后对角线全视场仅为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，加入2块校正镜后，经优化系统全视场为0.3o，填充因子最大为22.2%。
以上的稀疏孔径光学成像系统均为共轴光学系统，由于次反射镜的遮拦，填充因子普遍较小。同时以上系统的主镜均为球面反射镜，均采用了添加校正镜组的方法来提高系统的视场和成像质量，但视场增加有限，而且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，是一种离轴、入瞳外置，具有较大视场角和填充因子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离轴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外置入瞳和主反射镜，在外置入瞳的右下方设置有次反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的左上方。所述主反射镜为球面反射镜，所述次反射镜为自由曲面反射镜；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。光线依次经过外置入瞳、主反射镜、次反射镜，聚焦于焦面。
上述次反射镜的面型为由X-Y多项式表征的自由曲面。
上述主反射镜与光轴成-6.85o夹角，次反射镜与光轴成-6.21o夹角。
上述主反射镜为凹的球面反射镜，次反射镜为凸的自由曲面反射镜。
上述多个分散的子反射镜数量为3-6块。
其中次反射镜的自由曲面面形满足X-Y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，x和y为曲面所在位置的局部坐标，k为二次曲面系数，C j 为X-Y多项式的系数。
本发明的有益效果如下：
本发明为具有入瞳外置、以及具有大视场角和填充因子等特点的离轴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。
离轴稀疏孔径两反光学成像系统的次反射镜采用了自由曲面，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为本发明离轴稀疏孔径两反光学成像系统结构示意图
图2为本发明离轴稀疏孔径两反光学系统的结构参数图
图3为本发明离轴稀疏孔径两反光学系统各个子镜分布图
图4为本发明离轴稀疏孔径两反光学系统次反射镜的面型参数
图5为本发明离轴稀疏孔径两反光学系统次反射镜的面型参数
图6为本发明离轴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，一种离轴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外置入瞳1和主反射镜2。在外置入瞳1的右下方设置有次反射镜3，该光学成像系统的焦面4位于主反射镜2的左上方。主反射镜2为球面反射镜，次反射镜3为自由曲面反射镜；主反射镜2为稀疏孔径结构，由三个分散的子反射镜构成。光线依次经过外置入瞳1、主反射镜2、次反射镜3，最后聚焦于焦面4。
图2所示为本发明中各个光学器件的参数值：
其中外置入瞳的直径为100mm。主反射镜为三子镜稀疏孔径，三个子镜的分布如图3所示，各个子镜的直径均为60mm，主反射镜的直径为136mm，因此该离轴稀疏孔径光学成像系统的填充因子为58.4%。
次反射镜采用了X-Y多项式表征的自由曲面，数学表达式为：
其中z是自由曲面表面矢高，c为曲面顶点的曲率，x和y为曲面所在位置的局部坐标，k为二次曲面系数，C j 为X-Y多项式的系数。次反射镜的X-Y多项式的系数C j 如图4和图5所示：
整个光学系统的F/#(焦距与入瞳口径的比值)为9.07，焦距为914.06mm，对于像元尺寸为20μm的CCD，其奈奎斯特频率为25 lp/mm，由图6可以看出，各个视场的MTF值在25lp/mm处均大于0.4，因此整个系统具有较好的成像质量。且由图6可以看出，系统在水平方向±1.0o，竖直方向±0.8o的方形视场内具有接近衍射极限的成像质量（口径确定时的理论上最高的分辨率）。
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离轴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外置入瞳和主反射镜，在外置入瞳的右下方设置有次反射镜，该光学成像系统的焦面位于主反射镜的左上方；主反射镜为球面反射镜，次反射镜为自由曲面反射镜；主反射镜为稀疏孔径结构，由多个分散的子反射镜构成；光线依次经过外置入瞳、主反射镜、次反射镜，聚焦于焦面；所述次反射镜的面型为由X-Y多项式表征的自由曲面，次反射镜的面形满足X-Y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，x和y为曲面所在位置的局部坐标，k为二次曲面系数，Cj为X-Y多项式的系数；
所述离轴稀疏孔径两反光学成像系统的系统结构参数如下表所示：
所述次反射镜的X-Y多项式的系数Cj如下表所示：
2.根据权利要求1所述的离轴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球面反射镜，次反射镜为凸的自由曲面反射镜。
3.根据权利要求1所述的离轴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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