CN114035309B - 一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，属于光学遥感技术领域。该基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和探测器；入射光线依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射，最终成像在探测器上；第一反射镜采用XY多项式面型，第二反射镜采用偶次非球面，第三反射镜采用偶次非球面。系统无中心遮拦，无色差，工作波段长，可搭载TDI‑CCD，用于推扫/多通道式空间相机等空间对地的目标探测或信息获取设备，实现大视场低畸变的成像效果，更好地实现系统的像差的矫正和平衡。
Description
技术领域
本发明涉及光学遥感技术领域，具体涉及一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统。
背景技术
离轴三反光学器件具有无色散、无色差、热性能好、工作光谱范围宽等特点，可以广泛应用于光学遥感领域。由同轴反射光学系统改进而来的离轴反射光学系统由于拥有更宽的视场(FOV)、更好的光斑图，能量更加集中等优点而越来越受到关注。近几十年来，离轴反射光学系统已大量应用于民用与军用。
传统采用简单面型离轴三反射光学系统中，由于面型与位置参数较少，整个光学系统很难兼顾视场与成像质量。目前较为常见的离轴反射系统多为采用传统简单面型的非致冷型系统，无法同时满足轻小型、长波段、大视场的要求。
公开号为CN212341587U的中国专利，公开了一种应用自由曲面的离轴三反光学系统，设计了一个波段在3-5μm，视场大小为3.662°×2.931°的光学系统，虽然面型应用了自由曲面，但系统视场较小，结构存在偏心和倾斜，工程可实现性差。
公开号为CN109917535A的中国专利，公开了一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，主镜和三镜均使用了自由面面Zernike面型，实现了100％冷光阑效率。但是最终像差较大，成像效果不好。
Meng Qingyu等人于2016年在Applied Optics(应用光学)中提出Off-axisthree-mirror freeform telescope with a large linear field of view based on anintegration mirror(基于集成镜的大视场离轴三镜自由曲面望远镜)，设计了大视场离轴三镜自由曲面望远镜，采用了二十七阶的XY多项式自由曲面。成像效果理想，但是制造难度大，且相对孔径较小。
王蕴琦等人于2016年在红外与激光工程中发表了《基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计》，该文章设计了一个具有17°×2°宽矩形视场的离轴三反系统，该系统焦距1440mm，F数4.8，但未使用自由曲面，相对口径小，系统尺寸相对较大。
发明内容
针对空间遥感相机成像系统视场角小，相对孔径小和畸变严重等问题，本发明提出一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，该基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统是一种主镜(第一反射镜)应用XY多项式面型校正离轴像差的大视场宽波段的离轴三反光学系统，该系统无中心遮拦，无色差，工作波段长，可搭载TDI-CCD，用于推扫/多通道式空间相机等空间对地的目标探测或信息获取设备，实现大视场低畸变的成像效果，更好地实现系统的像差的矫正和平衡。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和探测器；入射光线依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射，最终成像在探测器上；
其中，第一反射镜采用XY多项式面型，第二反射镜采用偶次非球面，第三反射镜采用偶次非球面。
所述的第二反射镜还作为孔径光阑。
本发明的一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其工作波段为400nm～1000nm，最大视场大小为子午方向20°×弧矢方向2°，视场范围为弧矢方向(-9°～-11°)，子午方向(-10°～+10°)，视场范围内RMS波像差为0.05λ-0.1λ(λ为波长)，焦距为500mm，F数为10/3；
视场范围内均方根半径为0.440-1.406μm，波长在656nm时衍射极限为460lp/mm，传递函数均优于0.75@50lp/mm。
本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其通光孔径为100-150mm。
作为优选，所述的第一反射镜的曲率半径为-1966.65mm，二次曲面系数为-2.043，X半宽为287mm，Y半宽为110mm；所述的第二反射镜的曲率半径为-521.300mm，二次曲面系数为6.442，X半宽为60mm，Y半宽为50mm，其中，第二反射镜，以第一反射镜中心为基准，向X方向正向倾斜1.023°，向Y方向负向偏心-15.466mm；所述的第三反射镜的曲率半径为-675.30mm，二次曲面系数为0.270，X半宽为300mm，Y半宽为100mm，其中，第三反射镜，以第一反射镜中心为基准，向X方向正向倾斜0.696°，向Y方向负向偏心-14.03mm。
作为优选，第一反射镜中心和第二反射镜中心的距离值为462.03mm；第二反射镜中心和第三反射镜中心的距离值为454.68mm；第三反射镜中心和探测器的平面中心的距离值为524.401mm。
进一步的，入射光线的最下方光线和第二反射镜下边缘之间的距离大于30mm；第三反射镜反射光线和第二反射镜上边缘之间的距离大于20mm。
进一步的，反射镜孔径离轴量为向上200mm，视场离轴角为-9°。
本发明的一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其有益效果为：
1、本发明主镜选用自由曲面XY多项式面型校正离轴像差，次镜和三镜选用的是偶次非球面面型，同时各个镜面结构都是在面内的偏心和倾斜，主镜使用的自由曲面关于弧矢面对称，只更改X的偶次项参数，保证了整个系统关于弧矢面对称，大大减小了生产加工难度，同时增大了系统视场。在设计的过程中，使用操作数约束入射光线最下方光线与第二反射镜下边缘之间的距离大于30mm和经第三反射镜反射光线和第二反射镜上边缘之间的距离大于20mm，保证在优化的过程中，全部光线没有遮挡。
2、通过实例可以看出，将自由曲面应用到离轴反射系统当中同时解决了大视场、高像质、高灵敏度、高信噪比的问题，可以用于推扫/多通道式空间相机等空间对地的目标探测或信息获取设备，实现大视场低畸变的成像效果，更好地实现系统的像差的矫正和平衡，具有重要的实用意义和应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的结构示意图。
图2为本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统在可见光波段(0.4-0.6mm)的传递曲线。
图3为本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统在红外波段(0.75-1mm)的传递曲线。
图4为本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统点列图。
图5为本发明的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的场曲/F-Tan(Theta)畸变图。
图6为对比例2的宽视场离轴三反光学系统的结构示意图。
图7为对比例2的宽视场离轴三反光学系统的点列图。
图8为对比例3的离轴三反光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例中基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统包括第一反射镜101，第二反射镜102，第三反射镜103，探测器104；第二反射镜102也是本发明中的孔径光阑。入射光线依次经第一反射镜101、再经过第二反射镜102、第三反射镜103反射后，成像在探测器104；整个光学系统结构紧凑、无遮拦。
所述的光学系统的通光孔径为150mm，视场大小为子午方向20°×弧矢方向2°，视场范围为弧矢方向(-9°～-11°)，子午方向(-10°～+10°)，焦距为500mm，总长为513mm，光谱范围为400nm～1000nm。
所述的第一反射镜的曲率半径为-1966.65mm，所述第一反射镜中心与第二反射镜中心的距离值为462.03mm；所述第二反射镜的曲率半径为-521.300mm，所述第二反射镜中心与第三反射镜中心的距离值454.68mm；所述第三反射镜的曲率半径为-675.30mm，所述第三反射镜与探测器平面中心的距离值为524.401mm。
所述的主镜使用的自由曲面XY多项式进行设计，其相应的面型表达式为：
式中r为光轴方向的半径高度；等号右侧第一项为圆锥曲面方程，c为曲面顶点处的曲率，k为圆锥曲面系数；等号右侧第二项是用多项式描述的曲面部分，cj为第j项多项式的系数，x、y、z分别是光学面局部坐标系中的变量，式中m和n为非负整数，分别代表x和y的阶数，j表示项数。在光学设计软件中，对多项式的阶数通常取10阶以内的多项式表征自由曲面，即m+n≤10。
本设计基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统中，各个镜面结构都是在面内的偏心和倾斜,主镜使用的自由曲面关于弧矢面对称，所以项只取X的偶次幂，如表2所示，在设计过程中根据改变各项的系数，控制局部面型来达到校正像差的目的，提高了系统成像质量并且减少了系统加工和检测的难度。
表1光学系统的结构参数
表2第一反射镜XY多项式面型参数
表3第二反射镜和三反射镜的偶次非球面参数
图2为系统在可见光波段(0.4-0.6mm)的传递曲线，图3为系统在红外波段(0.75-1mm)的传递曲线，可以看出在两个波段，传递函数均接近衍射极限，成像质量良好。
系统的在可见光波段的点列图如图4所示，各视场的RMS(均方跟)半径分别为：0.440μm、0.756μm、1.719μm、1.119μm、1.505μm、1.536μm、0.768μm、1.046μm，艾里斑半径为2.387μm。因为反射系统不存在像差，不同波段点列图是一致的，艾里斑半径会随波长边长而变大，所以不再列举其他波段的点列图。
系统在从三维结构图可以得到，系统宽为530mm，系统横宽为550mm，高度为498mm，整体体积为0.145m3，在扩大视场的情况下，依旧满足轻小型的设计。
图5为基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的场曲/F-Tan(Theta)畸变图，通过图5可以看出系统各视场的点列斑基本集中在艾里斑之内，说明其成像效果好，能量集中。
对比例1
一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，同实施例1，不同之处在于，第一反射镜和三反射镜均采用Zernike多项式面型，其多个反射镜为自由曲面，而本系统只将主镜(第一反射镜)设置为自由曲面，达到相似成像效果，设计难度更大，但加工难度降低。
对比例2
一种宽视场离轴三反光学系统，同实施例1，不同之处在于，所有反射镜面型都为偶次非球面，其结构示意图(见图6)和点阵图(见图7)，则在相同视场条件下，调用面型所有参数都无法达到相同成像效果。
对比例3
若第二反射镜的偏心距离发生改变，见图8所示，偏心距离调整到向X正方向偏移50mm，就会发生光线遮挡，无法发挥离轴反射系统的优势。
Claims (8)
1.一种基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和探测器；入射光线依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射，最终成像在探测器上；其特征在于，第一反射镜采用XY多项式面型，第二反射镜采用偶次非球面，第三反射镜采用偶次非球面；
第一反射镜XY多项式面型参数为：
第二反射镜和三反射镜的偶次非球面参数为：
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，所述的第二反射镜为孔径光阑。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的结构参数为：
第一反射镜的曲率半径为-1966.65mm，二次曲面系数为-2.043，X半宽为287mm，Y半宽为110mm；
第二反射镜的曲率半径为-521.300mm，二次曲面系数为6.442，X半宽为60mm，Y半宽为50mm，其中，第二反射镜，以第一反射镜中心为基准，向X方向正向倾斜1.023°，向Y方向负向偏心-15.466mm；
第三反射镜的曲率半径为-675.30mm，二次曲面系数为0.270，X半宽为300mm，Y半宽为100mm，其中，第三反射镜，以第一反射镜中心为基准，向X方向正向倾斜0.696°，向Y方向负向偏心-14.03mm。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，第一反射镜中心和第二反射镜中心的距离值为462.03mm；第二反射镜中心和第三反射镜中心的距离值为454.68mm；第三反射镜中心和探测器的平面中心的距离值为524.401mm。
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，入射光线的最下方光线和第二反射镜下边缘之间的距离大于30mm；第三反射镜反射光线和第二反射镜上边缘之间的距离大于20mm。
6.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的通光孔径为100-150mm。
7.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统的工作波段为400nm～1000nm，最大视场大小为子午方向20°×弧矢方向2°，视场范围：弧矢方向为-9°～-11°，子午方向为-10°～+10°，视场范围内RMS波像差为0.05λ-0.1λ，其中，λ为波长，焦距为500mm，F数为10/3。
8.根据权利要求1所述的基于自由曲面的宽视场长波段离轴三反光学系统，其特征在于，视场范围内均方根半径为0.440-1.406μm，波长在656nm时衍射极限为460lp/mm，传递函数在50lp/mm均优于0.75。
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| GR01 | Patent grant | ||
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