CN110703406B - 利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器 - Google Patents

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Abstract

一种利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，包括主镜、次镜、折叠镜、分光镜、三镜、主承力框架及具有弹性的支撑杆；主承力框架包括前安装面及与前安装面相背的后安装面；主镜弹性的安装于前安装面，次镜弹性的连接于支撑杆的一端并与主镜间隔相对，支撑杆远离次镜的一端与前安装面连接；折叠镜及分光镜安装于后安装面；三镜安装于后安装面且与分光镜间隔相对。本发明使主镜和次镜在重力作用下通过形变量偏离理论位置，这样主镜和次镜在地面重力作用下装调出的最佳位姿，待空间遥感器发射入轨后发生重力变形回弹释放时，主镜和次镜的位置关系仍能保持装调时位置关系，空间遥感器的成像质量不受影响。

Description

利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，特别是涉及一种利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器。
背景技术
空间光学遥感器在天文观察、太空探测、气象预报、对地观察、军事应用等领域均有重要应用。随着空间遥感技术的不断发展，对空间光学遥感器的分辨率要求越来越高，光学系统的焦距和口径需求也越来越大。
随着空间光学遥感器的焦距和口径不断增大，其尺寸和重量也急剧增加，遥感器在地面装调和检测时，重力对大尺寸反射镜的面形精度和位姿精度、遥感器的轻量化机身产生的影响也会加大。光学系统在地面装调和检测到的最优状态，实际上是各反射镜受重力影响(重力引起的面形精度误差和位姿误差)下的最佳状态。当遥感器发射入轨后工作在空间微重力环境中时，遥感器在地面装调时引入的重力变形会发生回弹释放，导致遥感器中各反射镜产生一定的面形精度误差和位姿误差，光学元件偏离光学系统中的最佳位置，使光学系统失调，从而影响遥感器的在轨成像质量。
对重力的影响问题，人们提出了各种解决方法，如重力卸载技术、改进支撑方式和轻量化技术等，但是由于地面难以精确模拟在轨飞行环境以及各种综合剩余误差的影响，所以难以保证大口径光学元件在轨不失调。
发明内容
针对上述技术问题，本发明给出了一种对大口径、长焦距空间光学遥感器采用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器。
本发明提供一种利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，包括主镜、次镜、折叠镜、分光镜、三镜、主承力框架及具有弹性的支撑杆；所述主承力框架包括前安装面及与所述前安装面相背的后安装面；所述主镜弹性的安装于所述前安装面，所述次镜弹性的连接于所述支撑杆的一端并与所述主镜间隔相对，所述支撑杆远离次镜的一端与所述前安装面连接；所述折叠镜及所述分光镜安装于所述后安装面；所述三镜安装于所述后安装面且与所述分光镜间隔相对；所述主镜将光线反射至所述次镜，所述次镜反射的光线穿过主镜及主承力框架后依次经所述折叠镜反射、所述分光镜透射后到达所述三镜。
本发明将主镜、折叠镜、分光镜及三镜布置在同一个主承力框架上，通过提高主承力框架的刚度，可有力保证它们之间的相对位置关系；为降低机身组件的重量，次镜采用支撑杆支撑，再通过支撑杆与主承力框架连接；如此，通过光学设计使主镜和次镜在重力作用下通过形变量偏离理论位置，这样主镜和次镜在地面重力作用下装调出的最佳位姿，待空间遥感器发射入轨后发生重力变形回弹释放时，主镜和次镜的位置关系仍能保持装调时位置关系，空间遥感器的成像质量不受影响。
附图说明
图1为本发明提供的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器的光路原理图。
图2为本发明提供的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器的结构图。
图3为图2所示的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器的主镜与主承力框架的连接结构示意图。
图4为图2所示的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器的次镜与支撑杆的连接结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明优选实施方式提供的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器的光路原理图，该光学遥感器采用同轴反射式光学系统，这里以大口径长焦距空间光学遥感器的设计为例，如图1所示，利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器包括主镜、次镜、折叠镜、分光镜及三镜；其中次镜位于主镜的反光面的一侧，所述折叠镜、所述分光镜及所述三镜位于所述主镜与所述次镜相背的一侧，且次镜反射的光穿过主镜后依次经折叠镜反射、所述分光镜透射后到达所述三镜。其中所述主镜与所述次镜的中心轴同轴设置，所述折叠镜的中心轴与所述主镜的中心轴及所述三镜的中心轴均呈45度夹角设置，所述三镜的中心轴与所述主镜的中心轴相互垂直。
对于图1所示光路图，通过光学仿真分析得出系统中各光学元件的位置和姿态允差分配如表1所示。
表1光学系统各光学元件的位姿允差
位置误差类型 允差值
主镜轴向位置误差 0.2mm
次镜轴向位置误差 0.2mm
三镜轴向位置误差 0.2mm
折叠镜轴向位置误差 0.2mm
分光镜轴向位置误差 0.2mm
主镜X方向偏心误差 0.02mm
主镜Y方向偏心误差 0.02mm
主镜绕X轴倾角 2″
主镜绕Y轴倾角 2″
次镜X方向偏心误差 0.03mm
次镜Y方向偏心误差 0.03mm
次镜绕X轴倾角 8″
次镜绕Y轴倾角 8″
次镜绕Z轴倾角 15″
三镜X方向偏心误差 0.3mm
三镜Y方向偏心误差 0.3mm
三镜绕X轴倾角 25″
三镜绕Y轴倾角 25″
三镜绕Z轴倾角 25″
折叠镜绕X轴倾角 25″
折叠镜绕Y轴倾角 25″
分光镜绕X轴倾角 25″
分光镜绕Y轴倾角 25″
分光镜绕Z轴倾角 25″
从图1和表1可以看出，该光学系统的各光学元件中主镜的口径最大、质量最重，其支撑难度、镜面面形精度和位姿受重力影响也最大；次镜的位姿误差较为严格，与主镜之间的间隔大，对光学系统性能的影响也大；三镜、折叠镜、分光镜的尺寸、质量较小，与主镜的位置相对集中。
根据图1及表1的光学仿真分析的参数要求，依据光路中各光学元件的位置分布特性，具体的，如图2所示，本发明提供利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器100，包括主镜10、次镜20、折叠镜30、分光镜40、三镜50、主承力框架60及具有弹性的支撑杆70；所述主承力框架60包括前安装面61及与所述前安装面61相背的后安装面62；所述主镜10弹性的安装于所述前安装面61，所述次镜20弹性的连接于所述支撑杆70的一端并与所述主镜10间隔相对，所述支撑杆70远离次镜20的一端与所述前安装面61连接；所述折叠镜30及所述分光镜40安装于所述后安装面62；所述三镜50安装于所述后安装面62且与所述分光镜40间隔相对；所述主镜10将光线反射至所述次镜20，所述次镜20反射的光线穿过主镜10及主承力框架60后依次经所述折叠镜30反射、所述分光镜40透射后到达所述三镜50。
如图2所示，本发明将主镜10、折叠镜30、分光镜40及三镜50布置在同一个主承力框架60上，通过提高主承力框架60的刚度，可有力保证它们之间的相对位置关系；为降低机身组件的重量，次镜20采用支撑杆70支撑，再通过支撑杆70与主承力框架60连接；如此，通过光学设计使主镜10和次镜20在重力作用下通过形变量偏离理论位置，这样主镜10和次镜20在地面重力作用下装调出的最佳位姿，待空间遥感器发射入轨后发生重力变形回弹释放时，主镜10和次镜20的位置关系仍能保持装调时位置关系，空间遥感器的成像质量不受影响。
如下表2所示，为图2所示的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器100的主镜10及次镜20在重力作用下的位姿变化，表3给出了重力作用下次镜20相对于主镜10位置关系。分析表明：重力作用下光学系统的传函和理论值几乎相同，对成像质量不受影响。
表2主、次镜在重力作用下的位姿变化
Figure BDA0002236977830000051
Figure BDA0002236977830000061
表3次镜相对于主镜的位置关系
Figure BDA0002236977830000062
进一步的，请同时参阅图1及图3，所述主镜10通过第一连接组件604连接至所述前安装面61，所述第一连接组件604包括第一柔性铰链6041及第一支撑背板6042；所述第一柔性铰链6041具有弹性且一端与所述主镜10背离所述次镜20的一侧相连，另一端与所述第一支撑背板6042相连，所述第一支撑背板6042与所前安装面61相连接；所述第一柔性铰链6041用以保证主镜10的面形精度。通过调整第一柔性铰链6041在重力下的变形量，从而调整主镜10的位姿变化量。
进一步的，请同时参阅图1及图4，所述次镜20通过第二连接组件701连接至所述支撑杆70远离所述主镜10的一端，所述第二连接组件701包括第二柔性铰链7011及第二支撑背板7012；所述第二柔性铰链7011具有弹性且一端与所述次镜20背离所述主镜10的一侧相连，另一端与第二支撑背板7012相连，所述第二支撑背板7012与所述支撑杆70相连接；所述第二柔性铰链7011用以保证次镜20的面形精度。通过调整第二柔性铰链7011的在重力下的变形量、支撑杆70等结构件的刚度及形变量，从而调整次镜20的位姿变化量。
进一步的，所述主承力框架60开设有贯穿前安装面61及后安装面62的通光孔601，所述后安装面62还固定设置有围绕所述通光孔601的第一收容筒602，所述折叠镜30及所述分光镜40安装于所述第一收容筒602内；所述次镜20反射的光线穿过所述主镜10及所述主承力框架60的通光孔601进入到所述第一收容筒602后依次经折叠镜30反射、所述分光镜40透射后到达所述三镜50。所述第一支撑背板6042还开设有对应于所述通光孔601的穿孔6043，所述穿孔6043用于通过光线。
进一步的，所述后安装面62还固定设置与所述第一收容筒602间隔的第二收容筒603，所述三镜50安装于所述第二收容筒603内；所述次镜20反射的光线穿过主镜10及主承力框架60的通光孔601进入到所述第一收容筒602后依次经折叠镜30反射、所述分光镜40透射后进入到所述第二收容筒603然后到达所述三镜50。
本实施方式中，所述主镜10与所述次镜20的中心轴同轴设置，所述折叠镜30的中心轴与所述主镜10的中心轴及所述三镜50的中心轴均呈45度夹角设置，所述三镜50的中心轴与所述主镜10的中心轴相互垂直；使得整体结构更为稳定及紧凑。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，其特征在于，包括主镜、次镜、折叠镜、分光镜、三镜、主承力框架及具有弹性的支撑杆；所述主承力框架包括前安装面及与所述前安装面相背的后安装面；所述主镜弹性的安装于所述前安装面，所述次镜弹性的连接于所述支撑杆的一端并与所述主镜间隔相对，所述支撑杆远离次镜的一端与所述前安装面连接；所述折叠镜及所述分光镜安装于所述后安装面；所述三镜安装于所述后安装面且与所述分光镜间隔相对；所述主镜将光线反射至所述次镜，所述次镜反射的光线穿过主镜及主承力框架后依次经所述折叠镜反射、所述分光镜透射后到达所述三镜；
所述主镜通过第一连接组件连接至所述前安装面，所述第一连接组件包括第一柔性铰链及第一支撑背板；所述第一柔性铰链具有弹性且一端与所述主镜背离所述次镜的一侧相连，另一端与所述第一支撑背板相连，所述第一支撑背板与所前安装面相连接；
所述次镜通过第二连接组件连接至所述支撑杆远离所述主镜的一端，所述第二连接组件包括第二柔性铰链及第二支撑背板；所述第二柔性铰链具有弹性且一端与所述次镜背离主镜的一侧相连，另一端与第二支撑背板相连，所述第二支撑背板与所述支撑杆相连接。
2.根据权利要求1所述的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，其特征在于，所述主承力框架开设有贯穿所述前安装面及所述后安装面的通光孔，所述后安装面还固定设置有围绕所述通光孔的第一收容筒，所述折叠镜及所述分光镜安装于所述第一收容筒内；所述次镜反射的光线穿过所述主镜及所述主承力框架的通光孔进入到所述第一收容筒后依次经折叠镜反射、所述分光镜透射后到达所述三镜。
3.根据权利要求2所述的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，其特征在于，所述第一支撑背板还开设有对应于所述通光孔的穿孔。
4.根据权利要求2所述的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，其特征在于，所述后安装面还固定设置与所述第一收容筒间隔的第二收容筒，所述三镜安装于所述第二收容筒内；所述次镜反射的光线穿过主镜及主承力框架的通光孔进入到所述第一收容筒后依次经折叠镜反射、所述分光镜透射后进入到所述第二收容筒后到达所述三镜。
5.根据权利要求1所述的利用结构变形量补偿光学系统失调量的光学遥感器，其特征在于，所述主镜与所述次镜的中心轴同轴设置，所述折叠镜的中心轴与所述主镜的中心轴及所述三镜的中心轴均呈45度夹角设置，所述三镜的中心轴与所述主镜的中心轴相互垂直。
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