CN113568151A

CN113568151A - 一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统

Info

Publication number: CN113568151A
Application number: CN202110853193.5A
Authority: CN
Inventors: 王臣臣; 谢远; 张蕾; 王文成; 田晓; 张陈俊; 魏丽敏; 李香草
Original assignee: Xian Aeronautical University
Current assignee: Xian Aeronautical University
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2021-10-29

Abstract

本发明提供了一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，涉及光学成像技术领域，能够用于空间和地面高分辨探测，实现可见光到红外光波段成像，能够根据成像结果分析子镜位置误差在系统所不能校正的多种像差的基础上对成像质量的影响；该光学系统沿光线传播方向依次包括第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜和折轴镜；所述第一拼接反射主镜和所述第二反射镜相对设置，两者之间的距离大于所述第二反射镜的焦距；所述第三反射镜和所述折轴镜分设在所述第一拼接反射主镜的两侧，且所述折轴镜设置在所述第二反射镜的焦点与所述第一拼接反射主镜之间；所述系统在所述折轴镜的焦面上成像。本发明提供的技术方案适用于光学成像的过程中。

Description

一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统。

背景技术

随着人类对太空探索的不断深入，对于具有更高分辨率、更高灵敏度的太空光学系统的需求越来越迫切，用来获取被测目标更多的细节信息。根据瑞利判据，口径越大，分辨率越高。天基系统中，有已投入应用的2.4m口径哈勃望远镜以及在研的6.5m口径的詹姆斯韦伯望远镜，地基系统中有正在研制的MMT，口径大小为30m等。

对于大口径光学系统的实现形式，主要有单口径光学系统和拼接主镜光学系统等可以选择。单口径光学系统的主镜为一块大尺寸反射镜，1990年发射的2.4m口径的哈勃望远镜由于不受大气湍流的扰动，没有大气散射造成的散射光等优点，成功弥补了地面观测的不足；迄今最大的天基远红外望远镜是2009年发射的赫歇尔望远镜，其宽为4m，高为7.5m。然而，受到诸如镜面材料、加工工艺、航天器运载能力、发射体积等因素的限制，以单口径为主体的传统空间望远镜的设计理念已经难以支撑空间望远镜口径持续增大的需求。

拼接主镜系统与稀疏口径光学系统有着相同的设计理念，使用多个小尺寸子镜拼接得到大口径主镜，拼接完成后主镜的填充因子比稀疏口径光学系统更大，可以达到等效尺寸大小的单块主镜的分辨率及成像质量。经典的凯克I与II由美国在1991年和1996年分别研制成功，使用36块对角线长1.8m，10cm厚的六角形镜面拼接组成，使其主镜口径达到了10m。目前美国正在进行地面测试的詹姆斯韦伯望远镜(JWST)是为数不多的在研天基拼接主镜光学系统，主镜采用18块对角距离为1.5m的正六边形子镜拼接组合而成，主镜口径达到6.5m。主镜采用轻量化技术，折叠发射，在轨展开，重量小于400kg。以上系统设计都是在单一口径系统设计的基础上优化完成，而拼接主镜则是单一口径设计后进行分块处理。子镜的位置误差会对成像质量产生影响，以上系统则是通过理论分析单一对位置误差进行分析，没有考虑到系统真实存在像差的大小。

因此，有必要研究一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，能够用于空间和地面高分辨探测，实现可见光到红外光波段成像，能够根据成像结果分析子镜位置误差在系统所不能校正的多种像差的基础上对成像质量的影响。

本发明提供一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述系统沿光线传播方向依次包括第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜和折轴镜；

所述第一拼接反射主镜和所述第二反射镜相对设置，两者之间的距离大于所述第二反射镜的焦距；

所述第三反射镜和所述折轴镜分设在所述第一拼接反射主镜的两侧，且所述折轴镜设置在所述第二反射镜的焦点与所述第一拼接反射主镜之间；

所述系统在所述折轴镜的焦面上成像。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜由若干子镜拼接而成；每个子镜相互独立，所有子镜对称分布，对系统成像产生的影响能够叠加。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述子镜的个数为4个。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统采用偏视场，防止所述第三反射镜的反射光线被遮挡。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜光学特性为：-0.25f′＜f₁′＜-0.075f′，-0.5f′＜R₁＜-0.15f′；所述第二反射镜的光学特性为：-0.025f′＜f₂′＜-0.005f′，-0.05f′＜R₂＜-0.01f′；所述第三反射镜的光学特性为：-0.025f′＜f₃′＜-0.01f′，-0.05f′＜R₃＜-0.02f′；所述折轴镜的光学特性为：f₄′＝∞，R₄＝∞；

其中，f′为系统焦距，f₁′、f₂′、f₃′、f₄′依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜的焦距；R₁、R₂、R₃、R₄依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜的曲率半径。

一般认为一个光学系统产生的波前在二十分之一个波长以下可以进行完善成像，而现在的大口径光学系统的成像波段一般是红外波段，不能进行可见光波段成像，包括著名的詹姆斯韦伯望远镜(JWST)，如图7和图8所示，在可见光波段形成的波像差大小为五分之一个波长左右，只能成像在短波红外到中波红外波段，因此对于大口径光学系统在可见光波段进行成像，需要对系统的结构参数进行重新优化，包括每个反射镜的曲率半径，二次项系数和镜子之间的距离等，得到一个全新结构参数的光学系统，形成的波像差大小小于二十分之一个波长。正如本申请上述光学特性，使得本申请的光学系统能够实现可见光和红外光的光学成像。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜的填充因子小于1，有效口径小于6m。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述子镜为圆形凹面镜。圆形子镜的加工较为简单，采用四个圆形子镜相比较18个正六边形子镜，首先数量减少，其次加工难度降低，再次数量少可以减少子镜背部支撑结构的数量和难度，减少校正器的使用，降低费用。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述光学系统焦距为75-85m，视场大小为0.1°×0.3°-0.3°×0.5°，口径为5.5-6.5m，探测器像元尺寸大小为5-15μm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述光学系统成像谱段覆盖0.5-1.2μm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在整个光学系统存在无法校正的像差的条件下，能够通过所述光学系统的成像结果对成像质量进行分析；分析方式为成像亮斑尺寸对比、传递函数曲线分析和/或波前图分析。分析过程可由主控单元实现，所述主控单元为光学系统的一部分。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：系统可以成功进行高分辨率成像，能够用于空间和地面高分辨探测，实现可见光到红外光波段成像；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：能够通过多种手段在系统所不能校正的多种像差的基础上分析子镜位置误差对成像质量的影响。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的大口径拼接主镜光学系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的主镜结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的大口径拼接主镜光学系统光路结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的大口径拼接主镜光学系统的点列图；

图5是本发明一个实施例提供的大口径拼接主镜光学系统的波前图；

图6是本发明一个实施例提供的大口径拼接主镜光学系统的传递函数曲线图；

图7是JWST光学系统在可见光波段的波前图；

图8是JWST光学系统在可见光波段的波前图的传递函数曲线图。

其中，图中：

1、主镜；2、次镜；3、三镜；4、折轴镜。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明针对子镜位置误差影响分析的需要，考虑到系统所存在的真实像差的基础上研究分析子镜位置误差对成像质量产生的影响，提出了一种高分辨率大口径拼接主镜可见/红外光学系统，一般系统要么是可见光成像，要么是红外光成像，本发明可以实现可见和红外波段同时成像，波段变宽了，光的能量就提高了。

如图1-2所示，一种基于拼接主镜的可见/红外高分辨率系统，沿着光线传播方向依次包括主镜1、次镜2、三镜3和折轴镜4，主镜1、次镜2和三镜3均为反射镜，折轴镜4为平面折轴镜；光阑位于第一反射镜上，系统采用推扫的成像模式，采用偏视场，即矩形视场的一半，可以防止第三反射镜反射后到达像面的光线被遮挡。系统采用折轴镜压缩系统尺寸，从而缩短整个系统的尺寸。

第一反射镜(也就是主镜1)的光学特性为：-0.25f′＜f₁′＜-0.075f′，-0.5f′＜R₁＜-0.15f′；第二反射镜(也就是次镜2)的光学特性为：-0.025f′＜f₂′＜-0.005f′，-0.05f′＜R₂＜-0.01f′；第三反射镜(也就是三镜3)的光学特性为：-0.025f′＜f₃′＜-0.01f′，-0.05f′＜R₃＜-0.02f′；第四反射镜(也就是折轴镜)的光学特性为：f₄′＝∞，R₄＝∞；其中f′为系统焦距，f₁′、f₂′、f₃′、f₄′依次为系统反射镜的焦距；R₁、R₂、R₃、R₄依次为系统反射镜所对应的四个曲率半径。

大口径的光学设计一般是通过单块主镜进行设计，但不能分析由于子镜位置偏离理想位置而对系统成像质量的影响。系统主镜采用分块设计，通过较小尺寸子镜拼接得到大尺寸主镜，每个子镜相互独立，对系统成像产生的影响可以叠加，因此根据一个光学系统如果正常成像，其产生的波像差的大小要小于二十分之一个波长的理论，可以分解得到每个子镜在考虑到系统固有的无法校正的各种像差产生的波像差的基础上，其由于位置误差而引起的波像差大小，从而获得每个子镜的位置公差容限。子镜的位置为对称分布，每个子镜的位置误差容限相同。

第一反射镜由4块子镜拼接而成，沿光路依次为第一拼接反射镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜。

通过子镜拼接后得到的拼接主镜的填充因子小于1，有效尺寸小于6m。

在整个系统无法校正像差的条件下，光线经过光学系统传递后在焦面上会形成一个具有一定尺寸大小的亮斑，经过四个子镜反射后形成的亮斑大小可以用于对系统的成像质量进行分析，尺寸越小则说明系统的成像质量越好。

在整个系统无法校正像差的条件下，能够进行传递函数曲线分析，对系统成像质量进行分析。通过对光瞳函数进行卷积运算可以得到光学传递函数，进行取模可以得到系统的调制传递函数MTF，调制传递函数曲线的数值越高，系统的成像质量越好，对于目标的细节传递能力越强。对于4块子镜的光瞳函数进行计算可以得到该系统的传递函数，对系统成像质量进行分析。

在整个系统无法校正像差的条件下，能够进行波前图的分析，对系统成像质量进行分析。波前图是由于一个平面光瞳在经过系统的传递后，在像面上形成的像。某一子镜位置不同会使经过此子镜的光线所走的路程不同，最终系统的波前会增大，致使系统成像质量下降。

每个子镜的位置相互独立，可根据不同的子镜位置完成对成像质量影响的分析，包括波前图和传递函数曲线。对其中的子镜位置进行一定位移大小的移动，子镜的位置变动影响光线的传递距离，从而产生一定的光程差大小，引起波前图和传递函数的曲线变化。当一个子镜沿着光轴方向产生30nm的移动时，产生的波像差大小为三十分之一个波长左右。

光学系统焦距为75-85m，视场大小为0.1°×0.3°-0.3°×0.5°，探测器(探测器就是焦面上的CMOS元件，相当于屏幕)像元尺寸大小为5-15μm，系统的口径为5.5-6.5m。

成像谱段覆盖0.5-1.2μm，覆盖了可见光到近红外波段。

实施例1：

如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，系统主镜由4块小尺寸子镜拼接而成，每个子镜的位置相互之间独立，可以单独给出位置误差，包括子镜的位移误差、离心误差、倾斜误差等，结合整个系统所自带的各种像差，包括球差、彗差、像散、畸变等完成对系统成像质量影响的分析，最终可以得到子镜位置误差的最大公差，从而保证整个系统能正常成像。

本实施例所提供的光学系统焦距为80m，视场大小为0.2°×0.4°，探测器像元尺寸大小为10μm，系统的口径为6m。如图3-5所示，在可见光到近红外的波段内，全视场范围内MTF均接近衍射极限，形成的波前大小小于单块主镜的波前大小，主要是由于通过子镜拼接后得到的拼接主镜的填充因子小于1，有效尺寸小于6.5m所致。

光学系统采用对子镜位置进行赋值的方式可以实现对不同位置的子镜影响的分析，可以得到不同位置误差子镜所对应的波前图，MTF曲线，点列图等，完成子镜误差对系统成像质量影响大小的分析，最终可以得到在系统像差不能完全校正的情况下，系统正常成像的子镜位置的公差大小。

本发明的光学系统，能够用于空间和地面高分辨探测，实现可见光到红外光波段成像，能够分析子镜位置误差在系统所不能校正的多种像差的基础上对成像质量产生影响。通过调整子镜的位置，可以通过软件分析系统的波前图、传递函数相对于理想位置时的波前图和传递函数进行对比，从而计算得到由于子镜移动而引起的波前变化多少。

以上对本申请实施例所提供的一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传播方向依次包括第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜和折轴镜；

所述系统在所述折轴镜的焦面上成像。

2.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜由若干子镜拼接而成；每个子镜相互独立，所有子镜对称分布，对系统成像产生的影响能够叠加。

3.根据权利要求2所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述子镜的个数为4个。

4.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述系统采用偏视场，防止所述第三反射镜的反射光线被遮挡。

5.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜光学特性为：-0.25f′＜f′₁＜-0.075f′，-0.5f′＜R₁＜-0.15f′；所述第二反射镜的光学特性为：-0.025f′＜f′₂＜-0.005f′，-0.05f′＜R₂＜-0.01f′；所述第三反射镜的光学特性为：-0.025f′＜f′₃＜-0.01f′，-0.05f′＜R₃＜-0.02f′；所述折轴镜的光学特性为：f′₄＝∞，R₄＝∞；

其中，f′为系统焦距，f′₁、f′₂、f′₃、f′₄均为焦距；R₁、R₂、R₃、R₄均为曲率半径。

6.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜的填充因子小于1，有效口径小于6m。

7.根据权利要求4所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述子镜为圆形凹面镜。

8.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述光学系统焦距为75-85m，视场大小为0.1°×0.3°-0.3°×0.5°，口径为5.5-6.5m，探测器像元尺寸大小为5-15μm。

9.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，所述光学系统成像谱段覆盖0.5-1.2μm。

10.根据权利要求1所述的用于实现高分辨的大口径拼接主镜光学系统，其特征在于，在整个光学系统存在无法校正的像差的条件下，能够通过所述光学系统的成像结果对成像质量进行分析；分析方式为成像亮斑尺寸对比、传递函数曲线分析和波前图分析。