CN111190273A - 用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统 - Google Patents

用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，该光学系统从物方到像方依次包括有第一块反射镜、第二块反射镜、孔径光阑和第三块反射；三块反射镜呈三角结构布局，孔径光阑设置在第二块反射镜处，光线由第一块反射镜反射到第二块反射镜上，再由第二块反射镜反射到第三块反射镜，最后从第三块反射镜反射到像平面；且第一块反射镜的面型采用Zernike多项式，第二块反射镜和第三块反射镜的面型均采用标准二次曲面；本发明该系统的第一块反射镜的面型采用Zernike多项式进行设计，这样相比传统的球面或非球面有利于提高优化设计自由度，更好地降低和平衡各类像差，最终实现了大视场、长焦距、大口径、结构紧凑、体积小及易于加工和安装。

Description

用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统
技术领域：
本发明涉及光学系统设计技术领域，主要设计一种离轴三反光学系统，尤其涉及一种可用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统。
背景技术：
在遥感领域中，空间光学系统是其中的重要组成部分，同时也是卫星的重要载荷之一。随着空间技术的不断发展，人们对空间光学系统的分辨率、长焦距、成像质量及视场范围等要求不断提高，轻小型空间光学系统可以在高分辨率成像情况下，利用卫星的机动性能实现大范围机动成像，这也使得轻小型、长焦距、大视场及高分辨率空间光学系统以一种全新的概念和崭新的设计思想成为空间遥感领域一个新的发展方向；同时，由于反射式光学系统相比于传统的折射光学系统来说，具有温度稳定性高、无色差、长焦距、光谱范围广等优点，然而，离轴三反光学系统除了反射光学系统的特点外，还具有大视场、能量集中度高、无中心遮拦等优点，因此该类光学系统在遥感领域中得到了越来越多的关注。
但是，目前人们在离轴三反光学系统的设计中所有的光学元件基本上采用的传统球面，这样得到的系统存在视场角小、尺寸大及成像性能差的问题，因此，鉴于以上的因素，设计出一种大视场、大口径、高成像性能及结构紧凑的离轴三反光学系统成为了空间遥感卫星研究中的一个亟需解决的问题。
发明内容：
为了解决目前用于空间遥感相机成像系统存在视场角校、尺寸大及成像性能差等问题，本发明提出一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型离轴三反光学系统，该用于空间遥感相机的大视场紧凑型离轴三反光学系统能够更好地实现系统像差校正和平衡。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，该光学系统从物方到像方依次包括有第一块反射镜、第二块反射镜、孔径光阑和第三块反射；三块反射镜呈三角结构布局，孔径光阑设置在第二块反射镜处，光线由第一块反射镜反射到第二块反射镜上，再由第二块反射镜反射到第三块反射镜，最后从第三块反射镜反射到像平面；且第一块反射镜的面型采用Zernike多项式，第二块反射镜和第三块反射镜的面型均采用标准二次曲面。
所述光学系统的通光孔径为120mm，视场为水平方向1.5°×垂直方向10°，焦距为840mm，总长为717.1mm，光谱范围为400nm～1400mm。
所述孔径光阑位于第二块反射镜上，并通过视场倾斜来避免中心遮拦。
所述第一块反射镜的半径为-1914.925mm，所述第一块反射镜中心与第二块反射镜中心的距离值为-516.146mm；所述第二块反射镜的半径为-591.982mm，所述第二块反射镜中心与第三块反射镜中心的距离值为561.241mm；所述第三块反射镜的半径为-879.159mm，所述第三块反射中心与像平面中心的距离值为-630.019mm。
所述第一块反射镜的面型采用Zernike多项式设计，该形式的面型表达式为
Figure 298245DEST_PATH_IMAGE001
， (1)
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为顶点的曲率半径，
Figure 605598DEST_PATH_IMAGE003
是径向的光线坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为二次曲面圆锥系数，并且表达式的右边第一项整体为标准二次曲面；
Figure 493657DEST_PATH_IMAGE005
为级数中的Zernike系数的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为Zernike多项式展开项，
Figure 544659DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 326408DEST_PATH_IMAGE006
的系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为极坐标的半径，
Figure 227499DEST_PATH_IMAGE009
为极坐标的角度。其中，第一块反射镜的二次曲面系数
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；第一块反射镜面型设计时采用Zernike多项式的前五项进行设计，它们的Zernike多项式的系数分别为
Figure 963374DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 270596DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 408316DEST_PATH_IMAGE015
。
所述第二块反射镜和第三块反射镜的面型采用标准二次曲面，其相应的表达式为表达式(1)的右边第一项整体部分
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，它们的二次曲面系数分别为0.295和0.214。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明设计的用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统是离轴三反光学系统，该系统的第一块反射镜的面型采用Zernike多项式进行设计，这样相比传统的球面或非球面有利于提高优化设计自由度，更好地降低和平衡各类像差，最终实现了大视场、长焦距、大口径、结构紧凑、体积小及易于加工和安装。
附图说明
图1是本发明所述的一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统的结构示意图；
图2是根据图1所示的一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统的调制传递函数（MTF）曲线图；
图3是根据图1所示的一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统的畸变(F-Theta)曲线图；
图4是根据图1所示的一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统的光路图。
具体实施方式
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详细地描述：
如图1和图4所示，一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，该光学系统从物方到像方依次包括有第一块反射镜M1、第二块反射镜M2、孔径光阑K和第三块反射M3；三块反射镜呈三角结构布局，孔径光阑设置在第二块反射镜M2处。
光线由第一块反射镜M1反射到第二块反射镜M2上，再由第二块反射镜M2反射到第三块反射镜M3，最后从第三块反射镜M3反射到像平面M4；且第一块反射镜M1的面型采用Zernike多项式，第二块反射镜M2和第三块反射镜M3的面型均采用标准二次曲面设计。
所述光学系统的通光孔径为120mm，视场为水平方向1.5°×垂直方向10°，焦距为840mm，总长为717.1mm，光谱范围为400nm～1400nm。
所述孔径光阑K位于第二块反射镜M2上，并通过视场倾斜来避免中心遮拦。
所述第一块反射镜M1的半径为-1914.925mm，所述第一块反射镜M1中心与第二块反射镜M2中心的距离值为-516.146mm；所述第二块反射镜M2的半径为-591.982mm，所述第二块反射镜M2中心与第三块反射镜M3中心的距离值为561.241mm；所述第三块反射镜M3的半径为-879.159mm，所述第三块反射M3中心与像平面M4中心的距离值为-630.019mm。其它相关的光学系统结构参数见表1所示。
另外，所述的第一块反射镜M1的面型采用Zernike多项式进行设计，其相应的面型表达式为
Figure 73784DEST_PATH_IMAGE001
， (1)
上式中，
Figure 529911DEST_PATH_IMAGE002
为顶点的曲率半径，
Figure 407868DEST_PATH_IMAGE003
是径向的光线坐标；
Figure 134516DEST_PATH_IMAGE004
为二次曲面圆锥系数，并且表达式的右边第一项整体
Figure 25679DEST_PATH_IMAGE016
为标准二次曲面；
Figure 969102DEST_PATH_IMAGE005
为级数中的Zernike系数的序号，
Figure 385171DEST_PATH_IMAGE006
为Zernike多项式展开项，
Figure 231904DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 832650DEST_PATH_IMAGE006
的系数，
Figure 764834DEST_PATH_IMAGE008
为极坐标的半径，
Figure 748708DEST_PATH_IMAGE009
为极坐标的角度。其中，第一块反射镜M1的二次曲面系数见表1所示；另外，第一块反射镜面型设计时采用Zernike多项式的前五项进行设计，它们的Zernike多项式展开项的系数
Figure 512265DEST_PATH_IMAGE007
值见表2所示。
所述第二块反射镜M2和第三块反射镜M3的面型均采用标准二次曲面设计，其相应的面型表达式为Zernike多项式表达式的第一项整体表达式
Figure 487174DEST_PATH_IMAGE016
，即表达式(1)中的右边第一项整体表达式。它们的二次曲面系数见表1所示。
表1 一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统结构参数
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表2 第一块反射镜M1的前五项Zernike多项式展开项的系数
Zernike多项式系数项
Figure 296867DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure 830572DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
系数值 0 7.289×10<sup>-15</sup> 1.487×10<sup>-18</sup> 3.036×10<sup>-25</sup> 6.195×10<sup>-31</sup>
假定CCD器件单个像素尺寸为7μm，可以计算出光学系统的奈奎斯特频率为71.4 lp/mm，因此图2给出了系统在空间频率为71.4 lp/mm情况下的调制传递函数（MTF）曲线图，从图2中，可以得出在最大视场时MTF值均大于0.33，并且子午和弧矢方向上的MTF曲线相对比较平滑且两个方向的MTF值相差较小，表明该光学系统具有高的成像质量，且满足单个像素为7μm的CCD器件的成像要求；另外，图4为光学系统的畸变曲线图，从图4中可以看出全视场范围内的F-Tan(theta)畸变不大于0.1%，畸变非常小。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，可以使得镜头具有大视场、长焦距、大口径、结构紧凑、体积小及易于加工和安装等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以验证本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改。等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：该光学系统从物方到像方依次包括有第一块反射镜、第二块反射镜、孔径光阑和第三块反射；三块反射镜呈三角结构布局，孔径光阑设置在第二块反射镜处，光线由第一块反射镜反射到第二块反射镜上，再由第二块反射镜反射到第三块反射镜，最后从第三块反射镜反射到像平面；且第一块反射镜的面型采用Zernike多项式，第二块反射镜和第三块反射镜的面型均采用标准的二次曲面。
2.根据权利要求1所述一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：所述光学系统的通光孔径为120mm，视场为水平方向1.5°×垂直方向10°，焦距为840mm，总长为717.1mm，光谱范围为400nm～1400mm。
3.根据权利要求1所述一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：所述孔径光阑位于第二块反射镜上，并通过视场倾斜来避免中心遮拦。
4.根据权利要求1所述一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：所述第一块反射镜的半径为-1914.925mm，所述第一块反射镜中心与第二块反射镜中心的距离值为-516.146mm；所述第二块反射镜的半径为-591.982mm，所述第二块反射镜中心与第三块反射镜中心的距离值为561.241mm；所述第三块反射镜的半径为-879.159mm，所述第三块反射中心与像平面中心的距离值为-630.019mm。
5.根据权利要求1所述一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：所述第一块反射镜的面型采用Zernike多项式进行设计，该形式的面型表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
， (1)
上式中，
Figure 148510DEST_PATH_IMAGE002
为顶点的曲率半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是径向的光线坐标；
Figure 878700DEST_PATH_IMAGE004
为二次曲面系数，并且表达式的右边第一项整体
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为标准二次曲面；
Figure 766759DEST_PATH_IMAGE006
为级数中的Zernike系数的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为Zernike多项式展开项，
Figure 365231DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure 851707DEST_PATH_IMAGE007
的系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为极坐标的半径，
Figure 375967DEST_PATH_IMAGE010
为极坐标的角度；其中，第一块反射镜的二次曲面系数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；第一块反射镜面型设计时采用Zernike多项式的前五项进行设计，它们的Zernike多项式的系数分别为
Figure 846263DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 389370DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、。
6.根据权利要求1所述一种用于空间遥感相机的大视场紧凑型光学系统，其特征在于：所述第二块反射镜和第三块反射镜的面型采用标准二次曲面，其相应的表达式为表达式(1)的右边第一项整体部分
Figure 37345DEST_PATH_IMAGE005
，它们的二次曲面系数分别为0.295和0.214。
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