CN109387932A - 一种全反射光学系统及空间遥感光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全反射光学系统，包括沿光轴设置的第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜以及焦平面，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用非球面，第一反射镜和第三反射镜共轴设置，第二反射镜和焦平面分别位于第一反射镜的两侧，第一反射镜上设有孔径光阑，外界光束由孔径光阑入射至第一反射镜，经过第一反射镜反射后照射在第二反射镜，经过第二反射镜的反射后照射在第三反射镜，经由第三反射镜反射回第二反射镜，经过第二反射镜再次反射后达到焦平面，其中第二反射镜对外界光束进行两次反射，在不增加反射镜个数的前提下，起到了光路折叠的作用，简化系统结构，还可以缩短光学筒长，降低了装配难度。本发明还提供一种空间遥感光学设备。

Description

一种全反射光学系统及空间遥感光学设备

技术领域

本发明涉及空间遥感领域，特别涉及一种全反射光学系统及空间遥感光学设备。

背景技术

随着空间观察和对地观测需求的不断提高，空间遥感光学系统越来越向着焦距不断变长方向发展，现今主流商用卫星载荷的焦距已经发展到8～10米或者更高的级别，例如Komp SAT主载荷焦距8.6m、IKONOS的主载荷焦距10m、world view 2的主载荷焦距达到13m。焦距越来越长引起的问题是光学系统的体积越来越大，但受到发射体积和质量的限制，要求载荷本身的体积要小型化。

空间遥感光学系统多采用折反混合系统或者全反射系统，但因为折反混合系统无法彻底消除长焦距引入的色差，所以大多采用全反射系统。全反射系统分为同轴系统和离轴系统两类，离轴系统为实现无遮拦，通常系统体积相比同轴系统要庞大，同轴系统可以通过光路折叠等手段将体积进行压缩，以实现功能密度最大化。

现有方案中，中国专利申请CN105334607A中公开了“一种无遮拦纯反射光学系统”、中国专利申请CN104035192A中公开了“准同轴低畸变长焦距四反射光学系统”、中国专利申请CN203480122U中公开了“一种全反射光学成像系统”分别论述了不同形式的离轴全反射式光学系统，在实现长焦距的前提下，它们的体积都比较庞大，且系统复杂，给加工和装调都带来极大的困难。

发明内容

本发明实施例提供了一种全反射光学系统及空间遥感光学设备，相对于相同指标的全反射光学系统，缩短了光学筒长，同时，因为反射镜的集成设计以及复用，简化了系统的复杂程度，大大降低了加工和装调的难度。

第一方面，本发明提供一种全反射光学系统，包括沿光轴设置的第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜以及焦平面，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均采用非球面，所述第一反射镜和所述第三反射镜共轴设置，所述第二反射镜和所述焦平面分别位于所述第一反射镜的两侧，所述第一反射镜上设有孔径光阑，外界光束由所述孔径光阑入射至所述第一反射镜，经过所述第一反射镜反射后照射在所述第二反射镜，经过所述第二反射镜的反射后照射在所述第三反射镜，经由所述第三反射镜反射回所述第二反射镜，经过所述第二反射镜二次反射后达到所述焦平面。

作为一种可选的方案，所述第一反射镜和所述第三反射镜采用共基准集成结构。

作为一种可选的方案，所述第一反射镜和所述第三反射镜采用一体成型结构。

作为一种可选的方案，所述第一反射镜的反射面为具有二次、四次、六次、八次非球面系数的凹的高次非球面，所述第二反射镜的反射面为凸的双曲面，所述第三反射镜的反射面具有二次、四次、六次的凹的椭球面。

作为一种可选的方案，所述全反射光学系统的各部件参数为：

作为一种可选的方案，所述第二反射镜与所述第三反射镜的间隔为715.4mm。

作为一种可选的方案，所述全反射光学系统的像方焦距10000mm，入瞳口径1400mm，像方F#7.177，光谱范围为500nm～800nm，全视场角1.0°。

作为一种可选的方案，所述第三反射镜的通光口径和第一反射镜的通光口径的比值为0.314。

第二方面，本发明提供一种空间遥感光学设备，具有如上述的全反射光学系统。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供一种全反射光学系统，包括沿光轴设置的第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜以及焦平面，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用非球面，第一反射镜和第三反射镜共轴设置，第二反射镜和焦平面分别位于第一反射镜的两侧，第一反射镜上设有孔径光阑，外界光束由孔径光阑入射至第一反射镜，经过第一反射镜反射后照射在第二反射镜，经过第二反射镜的反射后照射在第三反射镜，经由第三反射镜反射回第二反射镜，经过第二反射镜二次反射后达到焦平面，其中第二反射镜对外界光束进行两次反射，在不增加反射镜个数的前提下，起到了光路折叠的作用，简化系统结构，还可以缩短光学筒长，降低了装配难度。本发明还提供一种空间遥感光学设备，简化系统结构，还可以缩短光学筒长，降低了装配难度。

附图说明

图1是本发明提供的全反射光学系统的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的全反射光学系统的一种实施例的传递函数曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种全反射光学系统，包括沿光轴设置的第二反射镜2、第一反射镜1、第三反射镜3以及焦平面4，所述第一反射镜1、所述第二反射镜2和所述第三反射镜3均采用非球面，所述第一反射镜1和所述第三反射镜3共轴设置，所述第二反射镜2和所述焦平面4分别位于所述第一反射镜1的两侧，所述第一反射镜1上设有孔径光阑，外界光束由所述孔径光阑入射至所述第一反射镜1，经过所述第一反射镜1反射后照射在所述第二反射镜2，经过所述第二反射镜2的反射后照射在所述第三反射镜3，经由所述第三反射镜3反射回所述第二反射镜2，经过所述第二反射镜2二次反射后达到所述焦平面，其中第二反射镜对外界光束进行两次反射，在不增加反射镜个数的前提下，起到了光路折叠的作用，节省反射镜的使用，简化系统结构，还可以缩短光学筒长，降低了装配难度。

本实施例中的全反射光学系统为同轴系统，整个系统相对于光轴旋转对称，物方无穷远光线沿光轴方向从左至右入射，首先入射到第一反射镜1，经第一反射镜1反射至第二反射镜2，再经第二反射镜2反射，汇聚于第一像面5，而后光线继续向右传播，入射到第三反射镜3上，经第三反射镜3反射，再反射到第二反射镜2上，经第二反射镜2再反射后，最终光线汇聚于焦平面4，相对于相同指标的全反射光学系统，缩短了光学筒长，实现了筒长焦距比0.0715。同时，因为反射镜的集成设计以及复用，简化了系统的复杂程度，大大降低了加工和装调的难度。

本实施例中，所述第一反射镜1和所述第三反射镜3采用共基准集成结构，具体地，第一反射镜1和第三反射镜3可以采用一体成型结构，降低了多个反射镜背部支撑结构的复杂程度，同时降低了装调过程的复杂程度。

本实施例中，第一反射镜1的反射面为具有二次、四次、六次、八次非球面系数的凹的高次非球面，第二反射镜2的反射面为凸的双曲面，第三反射镜3的反射面具有二次、四次、六次的凹的椭球面。

本实施例中，全反射光学系统的各部件参数具体如表1所示：

表1。

筒长焦距比的定义为系统中反射镜轴向最远距离与系统焦距的比值，此系统的第二反射镜2与第三反射镜3的间隔为反射镜间最远距离715.4mm，此系统的焦距为10000mm，因此此系统的筒长焦距比为0.0715，所述全反射光学系统的像方焦距10000mm，入瞳口径1400mm，像方F#7.177，光谱范围为500nm～800nm，全视场角1.0°。

本系统中，入瞳设计在第一反射镜1上，造成遮拦的原因有两个：第二反射镜对第一反射镜1的遮拦，造成第一反射镜1接收光的有效口径变小；第三反射镜3通光口径造成第一反射镜1需要做成环形镜，造成第一反射镜1的有效反射口径变小。这两个因素中，造成第一反射镜有效口径变小最多的，是造成系统遮拦的主要因素。根据表1中所列数据，第二反射镜的通光在第一次反射时通光口径为φ350，第三反射镜的通光口径为φ440，第三反射镜的口径影响比第二反射镜的影响大，所以此系统的遮拦比为系统遮拦比即所述第三反射镜3的通光口径和第一反射镜1的通光口径的比值＝440/1400＝0.314。

结合图2所示，用光学传递函数MTF评价成像系统的质量好坏，横坐标代表空间频率分布，纵坐标代表归一化的光学传递函数MTF值，特定空间频率下，MTF值越高，代表系统的成像质量越好，不同的曲线代表系统不同视场的MTF曲线，可见本发明提供的全反射光学系统具有较好的成像效果。

相应地，本发明提供一种空间遥感光学设备，具有如上述的全反射光学系统，相对于相同指标的全反射光学系统，缩短了光学筒长，同时，因为反射镜的集成设计以及复用，简化了系统的复杂程度，大大降低了加工和装调的难度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种全反射光学系统及空间遥感光学设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种全反射光学系统，其特征在于，包括沿光轴设置的第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜以及焦平面，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜均采用非球面，所述第一反射镜和所述第三反射镜共轴设置，所述第二反射镜和所述焦平面分别位于所述第一反射镜的两侧，所述第一反射镜上设有孔径光阑，外界光束由所述孔径光阑入射至所述第一反射镜，经过所述第一反射镜反射后照射在所述第二反射镜，经过所述第二反射镜的反射后照射在所述第三反射镜，经由所述第三反射镜反射回所述第二反射镜，经过所述第二反射镜二次反射后达到所述焦平面。

2.根据权利要求1所述的全反射光学系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第三反射镜采用共基准集成结构。

3.根据权利要求2所述的全反射光学系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第三反射镜采用一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的全反射光学系统，其特征在于，所述第一反射镜的反射面为具有二次、四次、六次、八次非球面系数的凹的高次非球面，所述第二反射镜的反射面为凸的双曲面，所述第三反射镜的反射面具有二次、四次、六次的凹的椭球面。

5.根据权利要求4所述的全反射光学系统，其特征在于，所述全反射光学系统的各部件参数为：

6.根据权利要求5所述的全反射光学系统，其特征在于，所述第二反射镜与所述第三反射镜的间隔为715.4mm。

7.根据权利要求5所述的全反射光学系统，其特征在于，所述全反射光学系统的像方焦距10000mm，入瞳口径1400mm，像方F#7.177，光谱范围为500nm～800nm，全视场角1.0°。

8.根据权利要求5所述的全反射光学系统，其特征在于，所述第三反射镜的通光口径和第一反射镜的通光口径的比值为0.314。

9.一种空间遥感光学设备，其特征在于，具有如权利要求1至8中任一项所述的全反射光学系统。