CN113655608A - 一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种稀疏口径拼接主镜系统。其特别之处在于：沿着光线传播方向依次经过由6个子镜，按照glory方式排列的拼接主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜；整个系统采用偏视场，通过折轴镜对系统的长度进行折叠；孔径光阑放置在拼接主镜上；6个子镜的相对位置可以移动，用来分析子镜位置误差对系统成像质量影响。本发明提供了一种能够用于地面及空间实现高分辨探测的高分辨光学系统，主镜由6个子镜拼接而成，实现可见光波段到近红外波段的成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种高分辨率大口径稀疏口径可见或红外光学系统。主要用于遥远星系的高分辨观测，对系外生命体的探测及大爆炸后红线的漂移等现象，也可用于对地高分辨观测，包括对国土普查、自然灾害监察等领域。
技术背景
为了提高光学系统的分辨率，需要增大系统的通光孔径，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。而受到各种加工条件及原料制备、装调检测的限制，单口径的反射镜加工一般不超过8m。随着人类探索的深入，大口径光学系统的需求越来越迫切，因此大口径光学系统的研究将会是未来的一个重要方向。
而对于超大口径的设计，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，单口径为主体的传统光学望远镜的设计理念已经难以支撑空间望远镜口径增大的需要。因此，通过小尺寸子镜拼接得到大口径反射主镜的形式成为首选，特别是稀疏口径系统，是实现大口径乃至超大口径光学系统的主要形式，口径大小最大可以达到几十米量级。
1978年美国在亚里桑那建造的MMT(Multiple Mirror Telescope)是最早的稀疏孔径成像系统。它由六块直径为1.8m的子望远镜组成，等效孔径相当于直径4.45m的望远镜。系统内有计算机控制的调整系统和图像的激光稳定系统，视场为3秒。但是该系统只有很小的一部分视场能够被定相，同时需要一个有经验的操作人员进行人工调整。The MultiAperture Imaging Array系统由9个口径10cm的子望远镜排成“Y”字形。每个子望远镜为10倍放大率，系统等效孔径0.65m，视场15microradians。该系统的特色是采用了PhaseDiversity波前传感方法在白光照明情况下利用扩展目标进行闭环定相控制.Star9系统也是由9个子望远镜组成。每个子望远镜口径为12.5cm，系统等效口径0.61m，视场角1μrad。另一个用于天文观测的地基光学稀疏孔径成像系统是LBT(The Large BinocularTelescope)。它由亚里桑那大学和一些国际研究机构合作共同建造。LBT由两个8.4m的主镜组成，它们被固定在共同的基座上。系统最长基线达到22.8m。当工作波长在550nm时，系统角分辨率达到6.1mas。稀疏口径光学系统的口径发展越来越大，正在逐步解决光学系统口径增大困难的问题。而文中所设计的稀疏口径系统口径达到20m左右，是未来稀疏口径系统实现高分辨率成像的一个重要尺寸，现阶段，还没有这么大口径的相关理论与技术的突破。
发明内容
为了解决背景中存在的技术问题，增大光学系统的口径从而提高系统的分辨率，使得系统可以进行高分辨成像，获得被测物体的更多细节信息，本发明提出一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统。
本发明的技术解决方案是：
一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述光学系统由光阑、第一射镜、第二反射镜、第三反射镜和折轴镜组成；
所述光学系统沿光学传播方向依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述折轴镜；
所述光阑位于所述第一反射镜上，所述光阑采用偏视场；
所述折轴镜缩短整个所述光学系统的尺寸。
其特征在于：所述第一反射镜由6块子镜拼接而成；所述子镜的排列方式为glory排列。
其特征在于：所述第一反射镜的光学特性为：-0.11f′＜f1′＜-0.2f′，-0.11f′＜R1＜-0.2f′；
所述第二反射镜的光学特性为：-0.001f′＜f2′＜-0.005f′，-0.001f′＜R2＜-0.005f′；
所述第三反射镜的光学特性为：-0.015f′＜f3′＜-0.025f′，-0.015f′＜R3＜-0.025f′；
所述折轴镜的光学特性为：f4′＝∞，R3＝∞；
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。
其特征在于：所述第一反射镜由6块子镜拼接而成，得到的所述第一反射镜的填充因子在0.3～0.5之间，所述第一反射镜的尺寸在19m～22m之间。
其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行点扩散函数分析，对系统成像质量进行分析。
其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行传递函数曲线分析，对系统成像质量进行分析。
其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，对系统成像的波前图进行分析，从而对系统成像质量进行分析。
其特征在于：所述光学系统焦距为240～260m，视场大小为0.01°×0.02°-0.01°×0.03°，探测器像远尺寸大小为8-12μm，系统的口径为15-25m。
其特征在于：所述光学系统的成像谱段覆盖0.6-1.5μm，覆盖了可见光到近红外波段。
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1a为本发明的一个实施例提供的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统
光学系统结构示意图；
图1b为本发明一个实施例提供的主镜结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的光学系统光路结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的稀疏口径光学系统的点列图；
图4为本发明一个实施例提供的稀疏口径光学系统的波前图；
图5为本发明一个实施例提供的稀疏口径光学系统的传递函数曲线图；
图中附图标记为：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。
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，沿着光线传播方向依次保罗主镜1(第一反射镜)、次镜2(第二反射镜)、三镜3(第三反射镜)和折轴镜4(折轴镜)，光阑位于主镜1上，光阑采用偏视场，折轴镜4缩短整个所述光学系统的尺寸。
第一反射镜(也就是主镜1)由6块子镜拼接而成，子镜的排列方式为glory排列。
第一反射镜(也就是主镜1)的光学特性为：-0.11f′＜f1′＜-0.2f′，-0.11f′＜R1＜-0.2f′；第二反射镜(也就是次镜2)的光学特性为：-0.001f′＜f2′＜-0.005f′，-0.001f′＜R2＜-0.005f′；第三反射镜(也就是三镜3)的光学特性为：-0.015f′＜f3′＜-0.025f′，-0.015f′＜R3＜-0.025f′；折轴镜的光学特性为：f4′＝∞，R3＝∞；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。
如图2所示第一反射镜由6块子镜拼接而成，得到的所述第一反射镜的填充因子在0.3～0.5之间，所述第一反射镜的尺寸在19m～22m之间。
第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行点扩散函数分析，对系统成像质量进行分析。
第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行传递函数曲线分析，对系统成像质量进行分析。
第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，对系统成像的波前图进行分析，从而对系统成像质量进行分析。
光学系统焦距为240～260m，视场大小为0.01°×0.02°-0.01°×0.03°，探测器像远尺寸大小为8-12μm，系统的口径为15-25m。光学系统的成像谱段覆盖0.6-1.5μm，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6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，入射光线通过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜后在像面上进行成像；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。
本实施例所提供的光学系统焦距为250m，视场大小为0.01°×0.02°，探测器像远尺寸大小为10μm，系统的口径为20m。如图所示，在可见光到近红外的波段内，全视场范围内MTF(如图5所示)均接近衍射极限，但是衍射曲线较为平坦，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20m所致。
针对所设计的稀疏口径光学系统，可以对子镜的位置进行调节来分析不同位置误差大小对系统成像质量的影响，从而可以得到每个子镜的位置公差大小。下面图像则是系统对应的点列图(图3)，波前图(图4)，MTF曲线(图5)。
以上对本申请实施例所提供的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，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 (9)
1.一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述光学系统由光阑、第一射镜、第二反射镜、第三反射镜和折轴镜组成；
所述光学系统沿光学传播方向依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述折轴镜；
所述光阑位于所述第一反射镜上，所述光阑采用偏视场；
所述折轴镜缩短整个所述光学系统的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：
所述第一反射镜由6块子镜拼接而成；所述子镜的排列方式为glory排列。
3.根据权力要求1所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：
所述第一反射镜的光学特性为：-0.11f′＜f1′＜-0.2f′，-0.11f′＜R1＜-0.2f′；
所述第二反射镜的光学特性为：-0.001f′＜f2′＜-0.005f′，-0.001f′＜R2＜-0.005f′；
所述第三反射镜的光学特性为：-0.015f′＜f3′＜-0.025f′，-0.015f′＜R3＜-0.025f′；
所述折轴镜的光学特性为：f4′＝∞，R3＝∞；
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。
4.根据权力要求2所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述第一反射镜由6块子镜拼接而成，得到的所述第一反射镜的填充因子在0.3～0.5之间，所述第一反射镜的尺寸在19m～22m之间。
5.根据权力要求2所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行点扩散函数分析，对系统成像质量进行分析。
6.根据权利要求2所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，能够进行传递函数曲线分析，对系统成像质量进行分析。
7.根据权利要求2所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述第一主镜由6块小尺寸子镜按照glory的排列方式进行排列，可以结合系统误差优化校正的球差、彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差和轴向色差，对系统成像的波前图进行分析，从而对系统成像质量进行分析。
8.根据权利要求1-3所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述光学系统焦距为240～260m，视场大小为0.01°×0.02°-0.01°×0.03°，探测器像远尺寸大小为8-12μm，系统的口径为15-25m。
9.根据权利要求1-3所述的一种基于稀疏孔径的可见或红外高分辨光学系统，其特征在于：所述光学系统的成像谱段覆盖0.6-1.5μm，覆盖了可见光到近红外波段。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211116 |