CN109557648A - 一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统 - Google Patents

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刘春雨
刘帅
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杨秀彬
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Abstract

一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统属于空间光学技术领域，克服了三反光学系统消畸变能力有限和消畸变反射系统结构中色差影响和空间辐射影响的问题，该系统包括：环形主反射镜、次反射镜、折轴镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；光源发出光线，经由环形主反射镜反射至次反射镜，由次反射镜通过环形主反射镜的中心孔反射至折轴镜，折轴镜偏折光路，反射至其第三反射镜，反射至第三反射镜的光路又分别经过第四反射镜和第五反射镜反射后成像；第四反射镜为凸球面镜，第五反射镜为凹球面镜，第四反射镜和第五反射镜产生的总畸变像差与次镜和第三反射镜产生的总畸变像差符号相反。满足多光谱成像、高精度立体测绘等轻小型光学遥感卫星的需求。

Description

一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统
技术领域
本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统。
背景技术
大视场、低畸变、多光谱成像空间相机光学系统因为在航空航天领域对地遥感探测时可以对远处目标进行高清成像，广泛应用于气象探测和军事国防领域。因此对该种空间相机光学系统需求量很大，对其成像质量和小体积低重量方面的要求也越来越高。
应用于光学遥感卫星的长焦距光学系统，目前使用较多的是三反光学系统。由于普遍使用的三反射光学系统中由次镜和三镜产生的畸变均为正畸变，当减小光学系统的视场角或加大主反射镜的曲率半径后，随着光线的入射高度和入射角度的减小，整个光学系统的畸变可以变小，但其畸变值不会小于1％，不能满足空间相机多光谱成像、立体成像和地图测绘的需求；而无畸变的三反光学系统像面是弯曲的，导致拼接的CCD像面是弯曲的，更不利于应用。而利用靠近像面位置的消畸变透镜抵消由次反射镜和第三反射镜所产生的畸变，能满足稍大视场内实现低畸变，但是这种结构包含透镜材料，会带来色差和空间辐射的影响，且消畸变的透镜直径与视场成正比，随着视场的增大导致透镜直径的增大，进而影响了镜头的设计。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，克服了现有的三反光学系统消畸变能力有限的不足和包含透镜的消畸变反射系统结构中的色差影响和空间辐射影响的问题，并且改善了含透镜光学系统重量过重和体积过大的问题，使结构易于装调且满足航空航天方面应用的要求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，该系统包括：环形主反射镜、次反射镜、折轴镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；光源发出光线，经由环形主反射镜反射至次反射镜，由次反射镜通过环形主反射镜的中心孔反射至折轴镜，所述折轴镜偏折光路，反射至其第三反射镜，反射至第三反射镜的光路又分别经过第四反射镜和第五反射镜反射后成像；所述第四反射镜为凸球面镜，第五反射镜为凹球面镜，所述第四反射镜和第五反射镜产生的总畸变像差与次镜和第三反射镜产生的总畸变像差符号相反。
优选的，系统包括：环形主反射镜，作为系统的孔径光阑；次反射镜，所述次反射镜与所述环形主反射镜同轴放置，且位于所述环形主反射镜的反射光路上；折轴镜，所述折轴镜位于所述次反射镜的反射光路上；第三反射镜，所述第三反射镜设置在所述折轴镜反射光路上；
第四反射镜，所述第四反射镜设置在第三反射镜的反射光路上，且第三反射镜和第四反射镜的光轴重合；第五反射镜，所述第五反射镜设置在第四反射镜的反射光路上，第四反射镜和第五反射镜的光轴夹角小于5°。
优选的，所述第四反射镜位于所述第三反射镜和第五反射镜之间，与所述第三反射镜的距离小于环形主反射镜外径的直径；所述第四反射镜与第五反射镜的距离小于第三反射镜与第四反射镜之间的距离，中间像面位于折轴镜和次反射镜之间；第五反射镜位于第四反射镜与像面之间，与第四反射镜的距离小于第四反射镜与第三反射镜的距离。
优选的，所述环形主反射镜、次反射镜和第三反射镜均为二次曲面，环形主反射镜是凹面椭球面，次反射镜是凸面双曲面，第三反射镜是凹面椭球面。
优选的，所述光学系统中第四反射镜和第五反射镜曲率可调节。
优选的，所述第四反射镜和第五反射镜之间有实出瞳。
本发明的有益效果是：1、本发明所述光学系统中不含折射元件，故不受色差影响，适合作为高精度航天立体测绘及航天多光谱成像应用。
2、整个光学系统结构紧凑，第三反射镜、第四反射镜及第五反射镜均在主反射镜右侧外包络尺寸范围内，可满足空间相机轻小型的应用需求。
3、次反射镜与折轴镜之间具有一次像面，第四反射镜与第五反射镜之间有实出瞳，整个光学系统具有优良的杂光抑制性能。
本发明是一种全反射、长焦距、偏视场使用、低畸变轻小型同轴空间相机光学系统，可以满足多光谱成像、高精度立体测绘等轻小型光学遥感卫星的需求。
附图说明
图1本发明一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统结构示意图。
图2本发明一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统具体实施方式中调制传递函数曲线图。
图中：1、环形主反射镜，2、次反射镜，3、中间像面，4、折轴镜，5、第四反射镜，6、第三反射镜，7、第五反射镜，8、像面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
由图1所示，一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，该光学系统包括环形主反射镜1、放置在环形主反射镜1反射光路上的次反射镜2，次反射镜2的光轴与环形主反射镜1的光轴重合、放置在次反射镜2反射光路上的折轴镜4，折轴镜4的法线与次反射镜2的光轴呈45°角、设置在折轴镜4反射光路上的第三反射镜6，第三反射镜6的光轴与次反射镜2的光轴呈90°、设置在第三反射镜6反射光路上的第四反射镜5，第四反射镜5的光轴与第三反射镜6光轴重合，第四反射镜5为凸球面镜、设置在第四反射镜5反射光路上的第五反射镜7，第五反射镜7为凹球面镜，第四反射镜5的光轴与第五反射镜7光轴的夹角小于5°，第四反射镜5和第五反射镜7产生的畸变像差与次反射镜2及第三反射镜6产生的畸变像差符号相反，可以抵消次反射镜2和第三反射镜6的畸变像差，同时由于自由度的提高，可以同时降低像散。光源发出光线，经由环形主反射镜1反射至次反射镜2，由次反射镜2通过环形主反射镜1的中心孔反射至折轴镜4，所述折轴镜4偏折光路，反射至其第三反射镜6，反射至第三反射镜6的光路又分别经过第四反射镜5和第五反射镜7反射后成像。
折轴镜4的安装位置为在中间像面3之后且使第三反射镜6的位置处于环形主反射镜1的后方，并且对第三反射镜6至第四反射镜5的光路无遮挡。
第四反射镜5的安装位置在光学系统的第三反射镜6及第五反射镜7之间，其距离第三反射镜6的距离小于环形主反射镜1的直径，且第四反射镜5距离第五反射镜7的间距小于第三反射镜6距离第四反射镜5的距离。
第五反射镜7安装在光学系统的出瞳和像面8之间，与第四反射镜5的距离小于第四反射镜5与第五反射镜7的距离。
本实施例中设计的长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，环形主反射镜1的曲率为-2815.5mm，次反射镜2的曲率为-710.618mm，第三反射镜6的曲率为952.216mm，此时次反射镜2产生的畸变像差系数为-0.027，第三反射镜6产生的畸变像差系数为-0.068，第四反射镜5放置在第三反射镜6的反射光路上，第五反射镜7放置在第四反射镜5的反射光路上，第四反射镜5的曲率为1236.58mm，第五反射镜7的曲率半径为1562.35mm，第四反射镜5产生的畸变像差系数为0.053，第五反射镜7产生的畸变系数为0.041。由此可见，第四反射镜5和第五反射镜7产生的畸变像差系数与次反射镜2和第三反射镜6产生的畸变像差系数可以互相抵消，整个光学系统的畸变像差系数可以降低到-0.001以内，实现消畸变。
图2为本实施例的光学系统调制传递函数曲线图，从图中可知，本发明设计的光学系统的成像质量达到衍射极限，整个光学系统不含折射元件因而不受色差影响。由该例的光学系统畸变曲线图可知光学系统的畸变最大值小于0.003％，达到消畸变作用。
本发明适合长焦距空间相机使用，特别是F/#(焦距与入瞳直径之比)在12-14之间，焦距在9000-11000mm之间的需要消畸变的空间相机，当视场角在2°以内时光学系统畸变可以控制在0.005％以下。
光学系统视场为偏视场使用，可以避免折轴镜4对第三反射镜6至第四反射镜5之间光路的遮挡，最佳偏视场角度为不引起折轴镜4对第三反射镜6至第四反射镜5之间光路的遮挡且适合折轴镜4的空间排布。
整个光学系统在焦距为11000mm时横向尺寸可小于1700mm，纵向尺寸可小于1000mm，在焦距为9000mm时横向尺寸可小于1100mm，纵向尺寸可小于700mm，可以应用于轻小型光学卫星。

Claims (6)

1.一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，该系统包括：环形主反射镜、次反射镜、折轴镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；光源发出光线，经由环形主反射镜反射至次反射镜，由次反射镜通过环形主反射镜的中心孔反射至折轴镜，所述折轴镜偏折光路，反射至其第三反射镜，反射至第三反射镜的光路又分别经过第四反射镜和第五反射镜反射后成像；所述第四反射镜为凸球面镜，第五反射镜为凹球面镜，所述第四反射镜和第五反射镜产生的总畸变像差与次镜和第三反射镜产生的总畸变像差符号相反。
2.根据权利要求1所述的一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，包括：环形主反射镜，作为系统的孔径光阑；次反射镜，所述次反射镜与所述环形主反射镜同轴放置，且位于所述环形主反射镜的反射光路上；折轴镜，所述折轴镜位于所述次反射镜的反射光路上；第三反射镜，所述第三反射镜设置在所述折轴镜反射光路上；第四反射镜，所述第四反射镜设置在第三反射镜的反射光路上，且第三反射镜和第四反射镜的光轴重合；第五反射镜，所述第五反射镜设置在第四反射镜的反射光路上，第四反射镜和第五反射镜的光轴夹角小于5°。
3.根据权利要求2所述的一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，所述第四反射镜位于所述第三反射镜和第五反射镜之间，与所述第三反射镜的距离小于环形主反射镜外径的直径；所述第四反射镜与第五反射镜的距离小于第三反射镜与第四反射镜之间的距离，中间像面位于折轴镜和次反射镜之间；第五反射镜位于第四反射镜与像面之间，与第四反射镜的距离小于第四反射镜与第三反射镜的距离。
4.根据权利要求2所述的一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，所述环形主反射镜、次反射镜和第三反射镜均为二次曲面，环形主反射镜是凹面椭球面，次反射镜是凸面双曲面，第三反射镜是凹面椭球面。
5.根据权利要求2所述的一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，所述光学系统中第四反射镜和第五反射镜曲率可调节。
6.根据权利要求2所述的一种长焦距低畸变紧凑型五反光学系统，其特征在于，所述第四反射镜和第五反射镜之间有实出瞳。
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