CN110908098B - 一种大视场消畸变离轴反射光学系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场消畸变离轴反射光学系统及设计方法。光学系统由主镜、次镜、场镜和孔径光栏组成。来自无穷远的光线经过主镜反射，又经次镜反射，再经场镜反射，最终到达像面。其中，主镜为偶次非球面离轴凸面，次镜为偶次非球面离轴凹面，场镜为凸自由曲面反射镜。孔径光栏设置在主镜处或者在主镜和次镜之间，后者可实现像方远心设计。在两镜模型中，在焦面前设置反射式场镜，面型设置为扩展多项式，加入畸变控制后进行优化。本发明的优点是：结构简单、全反射式、光学效率高、大视场和低畸变，特别适合用作大视场推扫成像仪器的光学系统，以及大视场光谱成像仪器中的望远物镜。

Description

一种大视场消畸变离轴反射光学系统及设计方法

技术领域

本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种大视场消畸变离轴反射光学系统及其设计方法。

背景技术

推帚式成像光谱仪在航天航空应用中十分广泛，可用作矿物识别、农林监测、军事侦察、海色及大气探测等。推帚式光谱成像仪，为提高作业效率和节约飞行成本，对光学系统的视场都提出了较高要求；并且为减少定标和后期数据处理的工作量，对仪器光学系统的畸变也提出了很高的要求，因此在光学系统设计过程中，尽量考虑畸变的消除非常必要。

现有技术存在的主要问题是：

(1)透射式物镜的色差校正比较困难，同轴反射系统视场有限且有中心遮拦。(2)离轴两反系统视场大但存在较大畸变，准远心离轴三反视场中等，离轴四反或五反系统比较复杂，因此，通常的反射系统难以兼顾结构简单、大视场、优良像质和像方远心设计。(3)成像光谱仪通常是望远物镜和光谱仪独立设计，两者光瞳匹配，通常为有利于系统对接设计和装调，一般将光谱仪设计成物方远心或准远心，因此物镜也需要像方远心或准远心。而对于中小F数的长狭缝推扫式光谱仪，大视场低畸变准远心的望远物镜结构形式可选择空间极小。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种大视场消畸变离轴反射光学系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

图1是本发明的光路示意图，由主镜1、次镜2、场镜3和孔径光栏4组成。来自无穷远的光线经过主镜1反射至次镜2，再经次镜2反射至场镜3，最终到达像面。其中，主镜1为偶次非球面离轴凸面，次镜2为偶次非球面离轴凹面，场镜3为凸面。孔径光栏4设置在主镜1处或者在主镜1和次镜2之间。

光学系统的设计原型是离轴两反系统，在两反初始结构建模优化的基础上，巧妙地，在像面附近，加入自由曲面场镜3，达到有效校正畸变的设计。

光学系统的设计方法是：先建立两镜系统模型，将孔径光栏4设置在主镜1处，控制系统初级参数和像质进行优化；再在两镜模型中，在焦面前设置反射式场镜3，通过坐标变换，设置y离轴至场镜3的几何中心附近，设置场镜3绕x轴倾斜一定角度放置，将面型设置为关于y轴对称的扩展多项式，加入畸变控制后进行优化，将孔径光栏4设置在主镜1和次镜2之间可实现像方远心设计。这种光栏位置设置，在系统的初级参数要求较高时，例如F数、视场、体积要求较高时，会出现入射光线和反射光线的部分交叠，不适合放置完整的光栏，光栏只起到限制光束部分口径的作用，但这对成像光谱仪而言，是可以应用的。在望远物镜和后方光谱仪对接之后，光谱仪上的光栏将起到限制光束口径的作用，是整个成像光谱仪的光栏，因此，望远镜上可以没有实际的或者完整的光栏。

本发明中的场镜3为反射镜，面型设计为易于金刚石单点车削加工的扩展多项式，材料可选红外玻璃或者光学铝等，金刚石车削成型并结合抛光技术，采用全息元件进行光学加工检测，或者采用系统配修检测。

由于上述技术方案的使用，本发明的大视场消畸变离轴反射光学系统的优点是：系统结构简单，只包含三个光学元件；全反射式，谱段使用自由，光学效率非常高；能实现40°及以上的大视场；沿轨方向畸变非常小，穿轨方向各像元相对中心像元的畸变非常小；孔径光栏4设置在主镜1和次镜2之间可实现像方远心或准远心，可与物方远心或准远心的光谱仪实现光瞳匹配。特别适合作为大视场光谱成像仪器中的望远物镜。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

图中：1为主镜；2为次镜；3为场镜；4为孔径光栏。

具体实施方式

下面根据图1参数，给本发明一个较好实施例并作详细阐述：

设计一个成像光谱仪物镜，后接光谱仪横向放大倍率为-1，所用探测器面阵规模为4096元×256元，像元尺寸为15μm×15μm。望远物镜技术指标要求列于表1。

表1

光谱范围	焦距	F数	视场角
				0.4-2.5μm	84.4mm	3.5	40°

设计数据列于表2中。

表2

设计结果为：光学系统归一化0视场、0.707视场和1视场，光谱范围0.4-2.5μm的点列图rms直径小于8μm，小于15μm像元尺寸。在奈奎斯特截止频率33.3pl/mm处，归一化0视场、0.707视场和1视场，光谱范围0.4-2.5μm的MTF最低值优于0.75。光学系统沿轨畸变低于0.76μm，远小于后接光谱仪的狭缝宽度尺寸；穿轨轴外视场相对于中心视场的畸变低于2.5％，低于1μm。光学性能设计结果表明可以作为64mm长狭缝准像方远心光谱仪的望远物镜使用。主次镜均为二次非球面，均具有光学加工检测可行性。场镜为27项扩展多项式面型，与加工比较球面的偏离小于0.02毫米，镜坯可选用红外玻璃或者光学铝等材料，采用单点金刚石车削成型并结合抛光技术，借助光学全息检测技术或者系统配合检测方法，具有光学加工检测可行性。

Claims (2)

1.一种大视场消畸变离轴反射光学系统，由主镜(1)、次镜(2)、场镜(3)和孔径光栏(4)组成，其特征在于：

来自无穷远的光线经过主镜(1)反射至次镜(2)，再经次镜(2)反射至场镜(3)，最终到达像面；其中，主镜(1)为偶次非球面离轴凸面，次镜(2)为偶次非球面离轴凹面，场镜(3)为凸自由曲面反射镜；孔径光栏(4)设置在主镜(1)处或者在主镜(1)和次镜(2)之间。

2.一种如权利要求1所述的一种大视场消畸变离轴反射光学系统的设计方法，其特征在于方法如下：

先建立两镜系统模型，孔径光栏(4)设置在主镜(1)处，控制系统初级参数和像质进行优化；再在两镜模型中，在焦面前设置反射式场镜(3)，通过坐标变换设置场镜(3)绕x轴倾斜一定角度放置，设置y离轴至场镜(3)的几何中心附近，将面型设置为关于y轴对称的复合多项式，加入畸变控制后进行优化，孔径光栏(4)设置在主镜(1)和次镜(2)之间可实现像方远心设计。

Images