CN113777766B - 替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其目的是解决在轨测试之前，现有技术尚无可代替前置物镜，对高光谱成像系统的后续各分系统进行测试的光学系统的技术问题。该系统包括物面a和像面b，及二者间沿光路依次设置的光阑、调焦镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、第四球面反射镜和平面反射镜；调焦镜和第一球面反射镜与原同轴三反系统的调焦镜及其前一片球面反射镜的结构和参数一致；第二球面反射镜、第三球面反射镜和第四球面反射镜的光焦度符号相同，与平面反射镜形成折叠式离轴三反系统代替原同轴三反系统中的其余镜片；物面a位于原同轴三反系统的像面处，像面b模拟无穷远物体作为成像物面。

Description

替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统
技术领域
本发明涉及一种调试用光学系统，具体涉及一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统。
背景技术
随着空间遥感应用要求的不断提高，对高光谱成像系统的幅宽、空间分辨率和相对孔径等指标的要求越来越高。但视场覆盖范围大、相对孔径大等因素，导致了成像系统体积的不断增加，尤其是前置物镜口径的不断加大，这给加工装调、测试验证带来了困难，进而导致调试周期过长。
目前，太阳同步轨道上卫星搭载的前置物镜多为同轴三反系统(即一种特定结构的前置物镜)，国外在轨有名的前置物镜，如美国的哈勃天文望远镜，其口径为2.4米，2019年发射的詹姆斯韦伯天文望远镜的口径达到6米；截至目前，国内星上前置物镜的最大光学口径为1米，在研的前置物镜最大口径为1.4米。正是由于前置物镜的口径大，故体积大、造价高，且加工周期长，导致高光谱成像系统的研制周期长。
为了缩短高光谱成像系统的研制周期，在前置物镜(同轴三反系统)研制完成前，可先对高光谱成像系统的前置物镜以外的各分系统进行测试验证，因此就需要有新的光学系统代替前置物镜，对后续的各分系统进行测试，这样可以极大地提高研制效率，缩短研制周期，降低装调难度。目前，调试用光学系统的研制与使用，已成为航空航天在轨研制中不可缺少的一环。
发明内容
本发明的目的是解决在轨测试之前，现有技术尚无可代替前置物镜，对高光谱成像系统的后续各分系统进行测试的光学系统的技术问题，提供一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统。
发明构思：
高光谱成像系统光谱维方向是色散方向，空间维为推扫方向。原同轴三反系统前置物镜为满足卫星载荷推扫范围，设计视场较大，其在装调阶段只需保证光谱维视场即可。
利用本发明的调试用光学系统，对高光谱成像光学系统中前置物镜(同轴三反系统)以外的各分系统进行检测调试，调试完成后，拆下该调试用光学系统，安装加工好的前置物镜(同轴三反系统)，继续进行最后的调试，从而避免因前置物镜(同轴三反系统)加工周期过长，而影响高光谱成像光学系统整机的研发进度。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特殊之处在于：
包括物面a和像面b，以及二者之间沿光路依次设置的光阑、调焦镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜、第四球面反射镜和平面反射镜；
所述调焦镜和第一球面反射镜与原同轴三反系统的调焦镜和调焦镜的前一片球面反射镜的结构参数一致；
所述第二球面反射镜、第三球面反射镜、第四球面反射镜和平面反射镜，形成折叠式离轴三反系统代替原同轴三反系统中的其余镜片；其中，平面反射镜用于将光路折叠并反射至第二球面反射镜和第四球面反射镜之间的像面b处；
一次像面c位于第一球面反射镜和第二球面反射镜之间；
所述第二球面反射镜、第三球面反射镜和第四球面反射镜的光焦度符号相同；
所述物面a位于原同轴三反系统的像面处；
所述像面b模拟无穷远物体作为成像物面。
进一步地，所述第二球面反射镜的光焦度绝对值取值范围为0.001～0.002；
所述第三球面反射镜的光焦度绝对值取值范围为0.0023～0.0032；
所述第四球面反射镜的光焦度绝对值取值范围为0.0009～0.001。
进一步地，所述第二球面反射镜的光焦度绝对值取值为0.0015；
所述第三球面反射镜的光焦度绝对值取值为0.003；
所述第四球面反射镜的光焦度绝对值取值为0.00095。
进一步地，所述物面a与光阑之间的距离为808.5mm。
进一步地，所述物面a的弧矢向线视场为2mm，子午向线视场为120mm。
进一步地，所述物面a的物方数值孔径为0.05，所述像面b的像方数值孔径为0.056。
进一步地，所述光阑的直径为80.0mm。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的光学系统，作为前置物镜的替代系统，是一种对高光谱成像光学系统中同轴三反系统以外的各分系统进行检测调试的光学系统，当高光谱成像系统不具备在轨条件时，可代替前置物镜对各个分系统进行装调测试，实现整机装配的功能，提高高光谱成像光学系统不具备在轨条件时的装调测试能力，提高了研制效率，缩短了研制周期，降低了装调难度，解决了现有技术尚无可代替前置物镜，对高光谱成像系统的后续各分系统进行测试的光学系统的技术问题。
2、相比透射式结构，本发明提供的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，采用全反射式结构，具有无色差、工作谱段不受限制、材料成本低和体积小等优点。
3、本发明提供的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统为有限距二次成像系统，采用离轴反射式结构，且光阑设置在物面和调焦镜之间，以保证与原同轴三反系统的光瞳匹配，同时，采用平面反射镜对光路进行折叠，空间利用率高，从而减小了系统体积和质量等，保证了各个镜片之间互不干涉，并具有足够的结构件装调空间。
4、本发明提供的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，第一球面反射镜、第二球面反射镜、第三球面反射镜和第四球面反射镜均采用球面镜，还包括一个平面反射镜，最大限度地降低了镜片加工及装调的难度。
附图说明
图1为本发明替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统的结构示意图；
图2为本发明替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统的系统全视场在34lp/mm处的成像传函图；
图3为本发明替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统的像面点列图；
图4为本发明替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统的像面子午方向系统畸变图；
图5为本发明替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统的像面弧矢方向系统畸变图；
附图标记说明：
1-调焦镜、2-第一球面反射镜、3-第二球面反射镜、4-第三球面反射镜、5-第四球面反射镜、6-平面反射镜、7-光阑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统(以下简称调试用光学系统)，包括物面a和像面b，以及二者之间沿光路依次设置的光阑7、调焦镜1、第一球面反射镜2、第二球面反射镜3、第三球面反射镜4、第四球面反射镜5和平面反射镜6；所述调焦镜1和第一球面反射镜2与原同轴三反系统的调焦镜和调焦镜的前一片球面反射镜的结构参数一致，所述第二球面反射镜3、第三球面反射镜4、第四球面反射镜5和平面反射镜6，形成折叠式离轴三反系统代替原同轴三反系统中的其余镜片；其中，光阑位于物面a和调焦镜1之间，平面反射镜6用于将光路折叠并反射至第二球面反射镜3和第四球面反射镜5之间的像面b处；所述调试用光学系统的一次像面c位于第一球面反射镜2和第二球面反射镜3之间；所述第二球面反射镜3、第三球面反射镜4和第四球面反射镜5的光焦度符号相同；所述物面a位于原同轴三反系统的像面处；所述像面b模拟无穷远物体作为成像物面。其中，第一球面反射镜2、第二球面反射镜3、第三球面反射镜4和第四球面反射镜5均采用球面镜，还包括一个平面反射镜6，最大限度地降低了镜片加工及装调的难度。
第二球面反射镜3、第三球面反射镜4和第四球面反射镜5的光焦度如下表所示：
镜片 光焦度绝对值取值范围 优选光焦度绝对值
第二球面反射镜 0.001-0.002 0.0015
第三球面反射镜 0.0023-0.0032 0.003
第四球面反射镜 0.0009-0.001 0.00095
本发明的调试用光学系统采用全反射式成像的技术方案，使其在满足现有装调约束的条件下，有效实现了各项任务要求。由于调试用光学系统只需要保证光谱维视场成像完善，以完成其他分系统(即光学系统整机中同轴三反系统以外的各分系统)的装调需要，保证光谱成像。
调试用光学系统的指标如下：
系统入瞳距离(即物面a到光阑7之间的距离，对应原同轴三反系统的入瞳距离)：808.5mm；
入瞳直径(光阑7直径)：80.0mm；
物方线视场-子午向物面a的Y向线视场：120mm；
物方线视场-弧矢向物面a的X向线视场：2mm；
物方数值孔径为：0.05；
像方数值孔径为：0.056。
图2为调试用光学系统的成像传函图，系统全视场在34lp/mm处成像质量接近衍射极限，全系统传函>0.73；图3为调试用光学系统的像面点列图，均方根半径RMS最大为5.6μm，成像质量良好。图4和图5分别为系统的像面子午、像面弧矢方向系统畸变图，由图可见，子午方向全视场畸变<1.1％，弧矢方向全视场畸变<0.3％。
工作原理：
相比透射式结构，调试用光学系统采用全反射式结构，具有无色差、工作谱段不受限制、材料成本低和体积小等优点。调试用光学系统为有限距二次成像系统，因系统设计视场较大，为避免次镜挡光，并减小系统体积和质量等，采用离轴反射式结构，且调试用光学系统的光阑7设置在物面a和调焦镜1之间，以保证与原同轴三反物镜系统的光瞳匹配。
本发明的调试用光学系统采用了反向设计，将原同轴三反系统出瞳设置为调试用光学系统的入瞳，以保证调试用光学系统光瞳与原前置物镜(即原同轴三反系统)光瞳相匹配，将原前置物镜的像面作为调试用光学系统的物面。保留原同轴三反系统的二次成像系统，本发明一次像面c位于第一球面反射镜2与第二球面反射镜3之间，为保证全系统体积小，空间利用率高，采用平面反射镜6对光路进行折叠，从而减小系统体积，保证各个镜片之间互不干涉，并具有足够的结构件装调空间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
包括物面a和像面b，以及二者之间沿光路依次设置的光阑(7)、调焦镜(1)、第一球面反射镜(2)、第二球面反射镜(3)、第三球面反射镜(4)、第四球面反射镜(5)和平面反射镜(6)；
所述调焦镜(1)和第一球面反射镜(2)与原同轴三反系统的调焦镜和调焦镜的前一片球面反射镜的结构参数一致；
所述第二球面反射镜(3)、第三球面反射镜(4)、第四球面反射镜(5)和平面反射镜(6)，形成折叠式离轴三反系统代替原同轴三反系统中的其余镜片；其中，平面反射镜(6)用于将光路折叠并反射至第二球面反射镜(3)和第四球面反射镜(5)之间的像面b处；
一次像面c位于第一球面反射镜(2)和第二球面反射镜(3)之间；
所述第二球面反射镜(3)、第三球面反射镜(4)和第四球面反射镜(5)的光焦度符号相同；
所述物面a位于原同轴三反系统的像面处；
所述像面b模拟无穷远物体作为成像物面；
所述第二球面反射镜(3)的光焦度绝对值取值范围为0.001～0.002；
所述第三球面反射镜(4)的光焦度绝对值取值范围为0.0023～0.0032；
所述第四球面反射镜(5)的光焦度绝对值取值范围为0.0009～0.001。
2.根据权利要求1所述的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
所述第二球面反射镜(3)的光焦度绝对值取值为0.0015；
所述第三球面反射镜(4)的光焦度绝对值取值为0.003；
所述第四球面反射镜(5)的光焦度绝对值取值为0.00095。
3.根据权利要求2所述的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
所述物面a到光阑(7)之间的距离为808.5mm。
4.根据权利要求3所述的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
所述物面(a)的弧矢方向线视场为2mm，子午方向线视场为120mm。
5.根据权利要求4所述的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
所述物面(a)的物方数值孔径为0.05，所述像面(b)的像方数值孔径为0.056。
6.根据权利要求5所述的替代同轴三反系统对高光谱成像分系统调试用光学系统，其特征在于：
所述光阑(7)的直径为80.0mm。
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