CN114185162B - 一种简约型搜索跟踪一体化光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种简约型搜索跟踪一体化光学系统，该高分辨跟踪光学系统采用传统同轴两反加后路的光学结构，广域搜索光学系统采用离轴多反光学结构，其中两块反射镜为跟踪光学系统的主镜的两离轴区域，使大口径光学元件共形共体，而非共用离轴反射镜采用自由曲面面形，优化结构布局提升像质，令工作中光学系统元件保持相对位置不变，降低了一体化光学系统的设计与研制难度，提升了仪器工程可实施性和可靠性。

Description

一种简约型搜索跟踪一体化光学系统
技术领域
本发明属于光电成像领域，为搜索与跟踪成像光学系统设计提供一种新的技术思路。
背景技术
天基搜索与跟踪成像系统在目标搜索、跟踪识别、精确制导等应用领域发挥着重要的作用。为了满足这一应用需求，一般采用大视场搜索相机与区域重点高分辨侦察相机相结合的多相机组合方案，但存在体积重量大的问题。为此，上海技术物理研究所发明了一种“搜索与跟踪一体化相机”(CN201810945438.5)，该相机提出了广域搜索光学系统与重点跟踪光学系统大口径光学元件共用，使用复杂曲面共体可运动的光学元件切换工作模式的技术思想，相对多相机组合方案，极大地压缩了搜索与跟踪成像系统的体积和重量，是一种全新的技术方案。但是该技术方案的缺陷在于采用运动部件切换工作模式，为仪器研制的可靠性提出了较高要求，工程可靠性差。
本发明针对上述问题，提出一种简约搜索与跟踪一体化光学系统方案，该技术方案在发明专利CN201810945438.5的技术思想上再次发明创造，通过增加离轴系统单镜数量的方法，改善结构布局、提升像质，获得一个不需要运动部件切换工作模式的搜索与跟踪一体化光学系统方案，大大提升了系统工程可实施性和可靠性。
发明内容
本发明公开一种简约型搜索跟踪一体化光学系统，在发明专利CN201810945438.5广域搜索光学系统与区域高分辨重点跟踪侦查光学系统共用大口径光学元件的技术思想上再次发明创造，解决了其诸多缺点。
首先，为了降低高分辨跟踪光学系统的设计与研制难度，本发明摒弃原发明专利CN201810945438.5中大口径光学元件不共形共体的类似R-C结构，而采用经典的同轴两反加后光路的光学结构。发明专利CN201810945438.5搜索与跟踪一体化光学系统中，搜索和跟踪两工作模式，共用的光学元件为广域搜索工作模式的COOK型离轴三反射光学系统的反射镜1和反射镜3。这两个反射镜被二次利用为高分辨跟踪工作模式下类R-C结构的等效主镜，是非共形共体的，因此，需要高分辨跟踪相机后光路针对等效主镜的两个不同元件(CN201810945438.5中描述的反射镜1和反射镜3)反射的光进行光程补偿，从而实现跟踪高分辨相机全口径光束共相位，达到组合孔径等效大口径的高分辨成像效果。然而类R-C结构的等效主镜的两个光学元件在兼顾离轴搜索光学系统像质的同时，其两者形状和位置差异必然很大，至少在几个毫米的偏差，而需要在后光路精准完成毫米量级的光程补偿技术难度很大，这也就是美国詹姆斯韦伯(JWST)空间望远镜历时几十年的研发路的关键影响因素。为此，本发明摒弃原发明专利CN201810945438.5中大口径光学元件非共形共体的设计思想，首先设计高分辨跟踪工作模式的光学系统，采用经典的同轴两反加后光路的光学结构，从而将非共形共体的组合孔径的研制难度降低为单孔径同轴反射镜的研制难度。本发明的高分辨跟踪光学系统采用经典同轴两反(主镜IM和次镜MO2)，加后光路的光学结构，之后在搜索相机光学系统中重复利用该同轴主镜IM，以使两个工作模式的相机共用大口径光学元件，做到大尺度光学元件共形共体，降低系统的设计与研制难度。
其次，为了降低天基仪器在轨可靠性的研制难度，本发明提出广域搜索相机采用离轴多反射式光学结构，通过增加离轴系统单镜数量的方法，改善结构布局，减少光束遮挡，提升像质，在无需运动部件的条件下，实现两种工作模式的光学结构的一体化设计。离轴多反射式光学结构使用同轴两反主镜IM的局部孔径M1收集目标光，之后利用次镜M2反射令光束再次经过同轴主镜IM的局部孔径M3，最后经第四反射镜M4提升像质成像。M1和M3面形方程一致，其共坐标系，做到共形共体，是高分辨跟踪光学系统同轴反射镜IM上两局部离轴区域，M2和M4为自由曲面光学面形，M2在同轴两反光路内尺寸尽量小，M4位于同轴两反光路外。该一体化系统通过优化M2和M4的面形和位置，减小光束遮挡，提升像质，使两个工作模式的光学系统光路交叠共用大口径同轴反射镜IM，且工作中上述光学组部件均保持相对位置不变，实现搜索和跟踪两种探测功能。
本发明相对已有搜索与跟踪一体化光学系统方案，做了的改进主要表现在：1)大口径光学元件采用具有旋转对称轴的同轴反射镜，降低光学组部件的研制难度；2)通过适当地增加光学元件数量，优化结构布局，使一体化光学系统各光学组部件在工作中保持相对位置不变，降低天基光学仪器可靠性的研制难度，提升了工程可实施性和可靠性。
附图说明
图1是跟踪相机光学系统结构图，物光光束先后经主镜IM，次镜OM2依次反射进入后镜组BL成完整像，该光学系统光学视场为方视场。
图2是搜索相机光学系统结构图，物光光束先后经主镜M1、次镜M2、三镜M3和四镜M4反射成完整像，其中，主镜M1和三镜M3的面形方程一致，为一个跟踪相机光学系统主镜IM的两个局部区域，该光学系统光学视场为线视场。
图3是简约型搜索跟踪一体化光学系统，跟踪相机光学系统的主镜IM和扫描相机光学系统的主镜M1和三镜M3为共用元件，即扫描相机光学系统的主镜M1和三镜M3为跟踪相机光学系统的主镜IM局部区域。
图4是跟踪相机光学弥散斑，可见波段工作视场0.5度×0.5度范围内，光学系统的弥散斑半径RMS小于3微米。
图5是搜索相机光学弥散斑，可见波段工作视场线视场10度范围内，光学系统的弥散斑半径RMS小于8微米。
图6是跟踪相机光学调制传递函数OTF，可见波段工作视场0.5度×0.5度范围内，光学系统在62.5cy/mm处，OTF大于等于0.5。
图7是搜索相机光学调制传递函数OTF，可见波段工作视场线视场10度范围内，光学系统在33cy/mm处，OTF大于等于0.45。
具体实施方式
针对某需求，设计一套无运动部件的简约型搜索跟踪一体化光学系统。该搜索跟踪一体化光学系统工作在可见波段，其搜索模式的口径200mm，焦距750mm，线视场10度，角分辨率20微弧度，跟踪模式的口径750mm，焦距3750mm，视场0.5度×0.5度，角分辨率2.1微弧度。
跟踪相机的光学系统光路图如图1所示，物光光束先后经主镜IM，次镜OM2依次反射进入后镜组BL成完整像。该光学系统的结构参数如下表1所示。
表1：跟踪相机的光学系统参数表
Figure BDA0003355970820000041
Figure BDA0003355970820000051
搜索相机的光学系统光路图如图2所示，物光光束先后经主镜M1、次镜M2、三镜M3和四镜M4反射成完整像，其中，主镜M1和三镜M3的面形方程一致，为一个整体镜的两个局部区域，该光学系统光学视场为线视场。搜索相机的主镜M1和三镜M3与跟踪相机的主镜IM共用，从而形成搜索跟踪一体化光学系统，使仪器空间得到有效利用。在矫正系统像差过程中，次镜M2和四镜M4设置为Biconic Zernike自由曲面。搜索相机光学系统参数如下表2和表3所示。
表2：搜索相机光学系统参数
Figure BDA0003355970820000052
表3：次镜M2和四镜M4的Biconic Zernike自由曲面参数表
面形方程参数 M2 M4
Y Vertical radius(mm) -359.655 1560.454
Y Conic 1.427 -4.322
X Vertical radius(mm) -379.247 1182.255
X Conic 1.450 -2.314
x<sup>4</sup> -5.183E-08 -1.471E-10
y<sup>4</sup> -1.212E-08 -6.526E-10
Z3 0.299 -9.556
Z4 -0.015 -2.498
Z5 9.690E-05 -6.649E-04
Z6 -0.244 0.086
Z7 -0.020 0.367
Z8 1.733E-06 2.267E-05
Z9 0.005 -0.558
Z10 -6.607E-06 -5.118E-05
Z11 0.012 0.250
Z12 0.009 -0.118
Z13 0 -1.834E-05
Z14 0.015 0.239
Z15 0 1.224E-05
Z17 1.409E-04 0.008
Z19 1.487E-05 -0.009
Z20 0 1.252E-06
Z21 0 0.008
Z22 0 -9.885E-04
该搜索跟踪一体化相机的光学像质情况如下：
1)跟踪相机可见波段工作视场0.5度×0.5度范围内，光学系统的弥散斑半径RMS小于3微米，如图4所示。
2)搜索相机可见波段工作视场线视场10度范围内，光学系统的弥散斑半径RMS小于8微米，如图5所示。
3)跟踪相机可见波段工作视场0.5度×0.5度范围内，光学系统在62.5cy/mm处，OTF大于等于0.5，如图6所示。
4)搜索相机可见波段工作视场线视场10度范围内，光学系统在33cy/mm处，OTF大于等于0.45，如图7所示。

Claims (1)

1.一种简约型搜索跟踪一体化光学系统，包括同轴反射镜IM、同轴反射镜OM2和后光路镜组BL，其特征在于：
所述搜索跟踪一体化光学系统的高分辨跟踪子光学系统采用传统同轴两反加后光路的光学结构，光束先后经同轴反射镜IM、同轴反射镜OM2和后光路镜组BL高分辨成像；所述搜索跟踪一体化光学系统的广域搜索子光学系统采用离轴多反射式光学结构，包括反射镜M1、M2、M3和M4，光束先后经反射镜M1、M2、M3和M4反射汇聚实现广域成像，其中，M1和M3面形方程坐标系一致，且为同轴反射镜IM上两局部离轴区域，M2和M4为自由曲面光学面形，M2在同轴两反光路内尺寸尽量小，M4位于同轴两反光路外，所述的一体化系统通过优化M2和M4面形和位置，减小光束遮挡，提升像质，使广域搜索和区域高分辨重点跟踪两个光学系统光路交叠共用大口径同轴反射镜IM，且工作中上述光学组部件均保持相对位置不变，实现搜索和跟踪两种探测功能。
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