CN111123503B - 一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统，目标景物的偏轴光束经过主镜、次镜、三镜、平面反射镜反射，再经透镜透射汇聚到焦面探测器上，所有镜面的光轴在同一直线上；平面反射镜位于主镜与三镜之间；主镜和次镜构成卡塞格林系统，形成一次实像，再经三镜、平面反射镜和透镜中继成像在焦面探测器上；主镜、次镜、三镜承担了绝大部分光焦度，透镜承担较小光焦度，用于校正畸变；孔径光阑位于主镜上。本发明解决了同轴三反系统畸变大的问题；采用一块球面透镜、光路简单且紧凑；可实现大视场、大口径和大相对孔径条件时高分辨率像质、低畸变的空间成像，并可大大缩短主次镜间距，适用于高精度星载激光三维测绘相机和红外成像相机。

Description

一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统
技术领域
本发明涉及星载或地面激光三维遥感成像技术领域，具体是指一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统，用于实现大相对孔径、大视场、大口径、小畸变和高质量的对地成像。
背景技术
在测绘应用中，激光三维成像仪是一种用于精确、快速获取地面及地面目标三维空间信息的主动式雷达探测技术系统，利用激光雷达发射的激光脉冲能穿透部分树林遮挡的特点，可直接获取真实地面的高精度三维地形信息，具有传统摄影测量技术手段无法取代的优越性，然而光学系统的畸变大小决定着图像数据的几何定位精度，直接影响着图像最终的测绘精度。
目前多个国家成功发射了激光三维测绘相机，比较有代表性的包括日本研发的ALOS卫星立体测绘全色遥感仪器PRISM，采用离轴三镜消像散光学结构，焦距2m，地面分辨率达到2.5m；德国三线阵测绘相机MEOSS，地面分辨率为52m，采用透射式结构，焦距为61.6mm；美国的IKONOS-2上的CCD测绘相机，采用同轴三镜消像散光学结构，主镜、次镜和三镜均采用非球面设计，焦距为10m，地面分辨率达到1m。
激光三维测绘相机的光学形式主要有透射式光学系统、离轴三反消像散光学系统和同轴三反消像散光学系统。由于透射式光学系统材料尺寸的局限性，不适合长焦距大口径的测绘相机；而离轴三反系统的加工和装调难度极大，子午方向畸变难以控制，系统敏感造成工程实施困难，系统质量难以保证；在轨运行的采用同轴三反光学系统项目，其光学畸变达到百分之几的量级，绝对畸变大为后期数据处理和修正带来了很大困难，难以满足高精度测绘相机的未来发展需要。
将同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统应用于激光三维测绘相机中，可以实现大口径和大视场苛刻条件下的光学系统超低畸变性能，大相对孔径设计大大减小仪器体积，单透镜设计方案校正了同轴三反系统残余畸变，折反射式光学形式结构紧凑、简单，共轴设计装调不敏感且容易实施，解决了大视场、大口径、大相对孔径时高质量成像与低畸变的矛盾问题。
发明内容
综上所述，如何设计大视场、大口径、大相对孔径时超低畸变且简单易实施的光学系统，乃是本发明所要解决的技术问题。同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统，包括主镜1、次镜2、三镜3、平面反射镜4、透镜5，其特征在于，来自目标景物的偏轴光束经过同轴折反射式低畸变望远光学系统的主镜1、次镜2、三镜3、平面反射镜4反射后，再经透镜5透射汇聚到焦面探测器上成像；其中主镜1、次镜2、三镜3、平面反射镜4和透镜5的光轴在同一直线上；主镜1和次镜2构成经典卡塞格林系统，形成一次实像，一次实像经过三镜3、平面反射镜4和透镜5再次中继成像在焦面探测器上；透镜5起着校正畸变的作用；系统孔径光阑位于主镜1上。
本发明所述的主镜1、次镜2和三镜3为金属或玻璃材料，镀有高反射率反射膜，主镜1、次镜2和三镜3面形为8阶高次非球面。
本发明所述的平面反射镜4为金属或玻璃材料，镀有高反射率反射膜，平面反射镜4位于主镜1与三镜3之间，距离主镜顶点250mm位置处。
本发明所述的透镜5为氟化镁材料，镀有增透膜，面形为球面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明在同轴三反消像散光学系统的基础上增加一个小光焦度的球面透镜，球面透镜位于焦面前，通过球面透镜校正了原有同轴三反的畸变像差，使得系统具有低畸变性能，畸变仅千百万分之二，体积为离轴三反系统的一半左右，超低畸变和小体积、大相对孔径特点使同轴折反射式望远系统作为激光三维测绘光学系统优势突出。
2.本发明采用三个同轴的非球面反射镜和一个球面透镜，主镜采用1/1相对孔径，结构紧凑简单，因此系统的工程稳定性更高，易于实现仪器内部的温度控制，实施可行性对于星载相机更有利。
3.本发明在主次镜与三镜之间存在中间一次实像，可在一次实像处设计视场光阑和遮光罩，可以有效地抑制轴外视场杂散光，提高杂光的消除效果。
4.本发明的主镜、次镜、三镜采用高阶非球面面形，透镜采用全球面面形，设计结果提升了光学系统的传函和成像性能，实现了光学系统的低畸变空间成像。
5.本发明系统具有超低畸变、小体积、高可靠性、优良像质等优点，适用于航天或航空激光三维测绘卫星的高分辨率和高精度光学成像领域。
附图说明
图1为同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统光路图。1为主镜，2为次镜，3为三镜，4为平面反射镜，5为透镜。
具体实施方式
本发明设计了一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统，主要技术特点如下：
1.口径：孔径光阑500mm；
2.视场：1.5°；
3.工作波段：400nm-800nm；
4.相对孔径：1/3，焦距1500mm；
5.探测器参数：像元大小5μm、像元数8K×2；
6.空间分辨率：优于3.3μrad；
7.畸变：≤千百万分之二；
7.成像性能：全视场传函在奈奎斯特频率100lp/mm处优于0.55，全视场畸变小于1微米。
表1光学系统具体设计参数

Claims (1)

1.一种同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统，包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、平面反射镜(4)、透镜(5)，其特征在于，
来自目标景物的偏轴光束经过同轴四镜折反射式低畸变望远光学系统的主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、平面反射镜(4)反射后，再经透镜(5)透射汇聚到焦面探测器上成像；其中主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、平面反射镜(4)和透镜(5)的光轴在同一直线上；主镜(1)和次镜(2)构成经典卡塞格林系统，形成一次实像，一次实像经过三镜(3)、平面反射镜(4)和透镜(5)再次中继成像在焦面探测器上；透镜(5)起着校正畸变的作用；系统孔径光阑位于主镜(1)上；
所述的主镜(1)、次镜(2)和三镜(3)为金属或玻璃材料，镀有高反射率反射膜，主镜(1)、次镜(2)和三镜(3)面形为8阶高次非球面，其中：主镜(1)的曲率半径为1000mm，K＝-1.236，4阶系数-5.2E-11，6阶系数3.65E-18，8阶系数-1.3E-23；次镜(2)的曲率半径为418.4mm，K＝-1.038，4阶系数1.83E-9，6阶系数-5.5E-15，8阶系数-1.1E-19；三镜(3)的曲率半径为640.6mm，K＝-3.213，4阶系数-1.37E-9，6阶系数2.51E-15，8阶系数-7.7E-21；
所述的平面反射镜(4)为金属或玻璃材料，镀有高反射率反射膜，平面反射镜(4)位于主镜(1)与三镜(3)之间，距离主镜顶点250mm位置处；
所述的透镜(5)为氟化镁材料，镀有增透膜，面形为球面，两个面的曲率半径分别为101.54mm、91.11mm。
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