CN111487756A - 一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统 - Google Patents

一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统 Download PDF

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吴建福
侯作勋
张青春
陈彦
潘铮
胡永富
张宏伟
刘明
李馨
高原
肖可平
赵兴成
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张原野
张保贵
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Abstract

本发明公开了一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，包括：前组正光焦度反射式光学组和后组负光焦度透射式光学组；其中，所述前组正光焦度光学系统包括凹面主镜反射镜和凸面次镜反射镜；所述后组负光焦度透射式光学组由正透镜组、负透镜组和小光焦度弯月透镜；物体成像光束依次经过凹面主镜反射镜和凸面次镜反射镜反射后入射至透射式系统，依次被正透镜组、负透镜组和小光焦度弯月透镜折射后成像在像面上。本发明实现了航天相机高分辨率，大幅宽范围，较小体积重量的要求。

Description

一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统
技术领域
本发明属于光学成像系统技术领域，尤其涉及一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统。
背景技术
随着航天空间探测任务的增多，航天相机所观测的要求和体积重量也越来越高，例如卫星成像分辨率较高导致焦距一般大于500mm，幅宽较大相机视场角需要为3°～6°，由于幅宽要求增加，探测器数量也由1片变为多片拼接。同时对相机重量和体积的要求也越来越苛刻。
现有实现方法主要有以下几种：
1)采用无光焦度透镜组的折反射系统，利用距离很近的正负透镜组和像面附件增加负场镜校正轴外像差，正负透镜组放置在系统最前端(次镜前)或次镜后，正负透镜距离较近采用同种材料不产生色差且具有较小光焦度，透镜组光焦度在系统焦距中贡献量很小。使用此方法由于正负透镜组不产生光焦度所以为校正场曲只能依靠焦面前的负场镜，导致视场角不会太大和较短的后截距，在需要观测幅宽和较大后截距进行像面光学拼接的产品中使用受限。
2)离轴三反系统，利用三片离轴反射镜实现线阵大视场，且具有无色差和较大后截距的优点，但是此系统只能实现线阵方向视场较大，另外一个方向视场较小，不适用于面阵凝视或视频成像，且此离轴反射式系统体积相对同轴反射式系统较大重量较重。
3)摄远透射式系统，此系统采用正透镜在前后透镜组在后的摄远结构型式，可以实现较大视场角和比焦距短的系统总长，但由于透射式结构型式的限制，此系统的长度会远大于反射式系统。并且由于透射式系统由于透镜口径的限制也不适宜应用在焦距较长的系统中。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，实现了航天相机高分辨率，大幅宽范围，较小体积重量的要求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，包括：前组正光焦度反射式光学组和后组负光焦度透射式光学组；其中，所述前组正光焦度光学系统包括凹面主镜反射镜和凸面次镜反射镜；所述后组负光焦度透射式光学组由正透镜组、负透镜组和小光焦度弯月透镜；物体成像光束依次经过凹面主镜反射镜和凸面次镜反射镜反射后入射至透射式系统，依次被正透镜组、负透镜组和小光焦度弯月透镜折射后成像在像面上。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，所述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统的焦距≥240mm，视场≤6°，F数≥4，谱段范围：可见光及红外谱段，系统长度≤1/4焦距。。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，所述前组正光焦度反射式光学组为正光焦度且焦距不大于基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统总焦距的80％。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，所述后组负光焦度透射式光学组的焦距不小于基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统总焦距的20％。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，所述正透镜组和所述负透镜组均由一片或多片不同材料的光学玻璃组成且两透镜组之间有一定间距；其中，正负透镜组通过有一定间距，实现校正轴外像差和后组透镜组自身产生的色差。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，所述正透镜组和所述负透镜组之间的间距公式为：
Figure BDA0002468191530000031
其中，
Figure BDA0002468191530000032
d45为凹面主镜反射镜和凸面次镜反射镜之间的距离，f′为系统总焦距；f1′为前组正光焦度反射式光学组焦距；f2′为后组负光焦度透射式光学组焦距；f4′为凹面主镜反射镜焦距；f6′为正透镜组焦距；s46为凹面主镜反射镜和正透镜组的距离；n为系统总焦距f′与光学系统总长L的比值，光学系统总长L为凸面次镜反射镜的顶点到像面的距离。
上述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统中，小光焦度弯月透镜的凸面面向像面，且小光焦度弯月透镜的焦距与后组负光焦度透射式光学组焦距的绝对值比值大于20。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过采用前端正光焦度反射镜组，后端负光焦度透镜组特征，且前端正反射镜组焦距不大于系统总焦距的80％，在系统长度与焦距比值固定的情况下可使正反射镜组的光学系统长度进一步减小。后端负透镜组为系统焦距提供至少20％贡献量，结合前端正反射镜组，形成摄远式光学结构型式，达到在反射式光学结构型式的基础上进一步实现增大系统焦距，减小系统体积的效果；
(2)本发明通过采用后端负光焦度透镜组特定的透镜组合方式特制，通过使用有一定间距的正、负透镜组校正轴外像差，通过最后一片小光焦度弯月透镜可补偿残余像差和校正高级像差，实现此结构型式可较好的应用在视场为3°～6°的高分辨率折反式系统中，并且此结构中不存在场镜，系统可有较大后截距，有利于实现焦面拼接。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统的示意图。如图1所示，该基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统包括前组正光焦度反射式光学组1和后组负光焦度透射式光学组2；其中，
所述前组正光焦度光学系统1包括凹面主镜反射镜4和凸面次镜反射镜5；所述后组负光焦度透射式光学组2由正透镜组6、负透镜组7和小光焦度弯月透镜8；物体成像光束依次经过凹面主镜反射镜4和凸面次镜反射镜5反射后入射至透射式系统2，依次被正透镜组6、负透镜组7和小光焦度弯月透镜8折射后成像在像面3上。
该基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统可实现光学指标如下：焦距≥240mm，视场：≤6°，F数≥4，谱段范围：可见光及红外谱段，系统长度≤1/4焦距。
前端反射式光学组1为正光焦度且焦距不大于系统总焦距的80％，后端为负光焦度透射式光学组2其光焦度为总焦距提供至少20％贡献量。后端负透镜组的正透镜组6和负透镜组7各由一片或多片不同材料的玻璃组成且两透镜组之间有一定间距。小光焦度弯月透镜8凸面面向像面，且此片透镜焦距与后组透镜组焦距的绝对值比值大于20。
正透镜组6和所述负透镜组7均由一片或多片不同材料的光学玻璃组成且两透镜组之间有一定间距；其中，正负透镜组通过有一定间距，实现校正轴外像差和后组透镜组自身产生的色差。初始结构间距公式为：
Figure BDA0002468191530000051
并且同时满足
Figure BDA0002468191530000052
式中d45为凹面主镜反射镜4和凸面次镜反射镜5之间的距离，f′为系统总焦距；f1′为前组正光焦度反射式光学组1焦距；f2′为后组负光焦度透射式光学组2焦距；f4′为主镜反射镜4焦距；f6′为正透镜组6焦距；s46为主镜反射镜4和正透镜组6的距离；n为系统总焦距f′与光学系统总长L次镜5顶点到像面3的距离的比值。这个公式相应的好处为可根据体积要求所期望的n和结构设计所期望的s46以及其它初步计算的光学元件参数确定正透镜组6和所述负透镜组7的间距，并且在此公式下可认为前组正光焦度反射式光学组1焦点与像面3位置重合，有利于各光学元件初始结构参数确定。
本实施例采用前端正光焦度反射镜组，后端负光焦度透镜组，且正反射镜组焦距不大于系统总焦距的80％，在系统长度与焦距比值固定的情况下可使正反射镜组的光学系统长度进一步减小。后端负透镜组为系统焦距提供至少20％贡献量，结合前端正反射镜组，形成摄远式光学结构型式，在反射式光学结构体积基础上可进一步增加系统焦距而不增加系统体积。
本实施例后端负光焦度透射式光学组结构型式简单，通过有一定间距的正、负透镜组校正轴外像差和后组透镜组自身产生的色差，通过最后一片小光焦度弯月透镜可补偿残余像差和校正高级像差，并且此结构中不存在场镜，系统可有较大后截距，有利于实现焦面拼接。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于包括：前组正光焦度反射式光学组(1)和后组负光焦度透射式光学组(2)；其中，
所述前组正光焦度光学系统(1)包括凹面主镜反射镜(4)和凸面次镜反射镜(5)；所述后组负光焦度透射式光学组(2)由正透镜组(6)、负透镜组(7)和小光焦度弯月透镜(8)；
物体成像光束依次经过凹面主镜反射镜(4)和凸面次镜反射镜(5)反射后入射至透射式系统(2)，依次被正透镜组(6)、负透镜组(7)和小光焦度弯月透镜(8)折射后成像在像面(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：所述基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统的焦距≥240mm，视场≤6°，F数≥4，谱段范围：可见光及红外谱段，系统长度≤1/4焦距。
3.根据权利要求1所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：所述前组正光焦度反射式光学组(1)为正光焦度且焦距不大于基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统总焦距的80％。
4.根据权利要求1所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：所述后组负光焦度透射式光学组(2)的焦距不小于基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统总焦距的20％。
5.根据权利要求1所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：所述正透镜组(6)和所述负透镜组(7)均由一片或多片不同材料的光学玻璃组成且两透镜组之间有一定间距。
6.根据权利要求5所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：所述正透镜组(6)和所述负透镜组(7)之间的间距公式为：
Figure FDA0002468191520000011
其中，
Figure FDA0002468191520000021
d45为凹面主镜反射镜(4)和凸面次镜反射镜(5)之间的距离，f′为系统总焦距；f1′为前组正光焦度反射式光学组(1)焦距；f2′为后组负光焦度透射式光学组(2)焦距；f4′为凹面主镜反射镜(4)焦距；f6′为正透镜组(6)焦距；s46为凹面主镜反射镜(4)和正透镜组(6)的距离；n为系统总焦距f′与光学系统总长L的比值，光学系统总长L为凸面次镜反射镜(5)的顶点到像面(3)的距离。
7.根据权利要求1所述的基于折反式长焦距大视场小体积成像光学系统，其特征在于：小光焦度弯月透镜(8)的凸面面向像面(3)，且小光焦度弯月透镜(8)的焦距与后组负光焦度透射式光学组(2)焦距的绝对值比值大于20。
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