CN116184645A - 一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法 - Google Patents

一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法 Download PDF

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CN116184645A CN202310466451.3A CN202310466451A CN116184645A CN 116184645 A CN116184645 A CN 116184645A CN 202310466451 A CN202310466451 A CN 202310466451A CN 116184645 A CN116184645 A CN 116184645A
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Abstract

本发明公开了一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法。该系统包括主镜、次镜、三镜、孔径光阑、像平面。整个系统的特征在于孔径光阑位于主镜前，并且放置在系统的物方焦平面，实现了光学系统既可以实入瞳入射又可以像方远心出射的目标。本发明将镜子间距作为已知量计算系统的初始结构，再结合特定操作数进行优化。本发明的光学系统是具有实入瞳的像方远心光路，F数为2.7、线视场达到
Figure ZY_1
，主、次和三镜均采用二次曲面，便于加工和装调从而降低成本。该方法降低了设计难度，提高了设计效率。

Description

一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法
技术领域
本发明涉及到空间光学成像系统技术领域，尤其涉及到空间载荷在轨绝对反射率定标基准光学系统研制相关领域，具体涉及一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法。
背景技术
随着遥感技术的发展，人们迫切要求遥感信息从定性到定量的转换，遥感信息定量化研究已成为目前遥感发展的重要方向。在遥感信息定量化过程中，辐射定标是定量化精确度的根本保障。遥感仪器的观测精度取决于定标精度；若遥感器定标不准确，则当遥感器发生衰变时，会被误以为是地球场景的辐亮度发生了变化，进而影响观测目标反射率的计算。对于发射太空的遥感仪器主要采用交叉定标或者反射率基法对仪器进行定标，从而测试仪器的性能。实入瞳像方远心成像光谱仪通过改变孔径光阑大小分别观测太阳和地球目标进行反射率计算，其定标精度较高可作为空间载荷交叉定标的基准。
成像光谱仪是航天遥感器的一个重要类别，尤其运用于作为绝对反射率定标基准的空间载荷。成像光谱仪主要由成像系统和分光系统组成。前置系统的设计不仅直接决定了光谱仪的成像质量和整个仪器的信噪比，而且也基本决定了光谱仪的体积和重量。因此，开展高信噪比、宽光谱、小体积、轻重量的成像光学系统设计对未来航空遥感载荷反射率定标具有重要意义。
实入瞳入射设计为空间遥感载荷观察不同目标切换不同光阑的需求提供了基础，并且便于在光学系统前置入瞳位置设置窗口、扫描镜、可变孔径光阑等元件；像方远心出射为在前置离轴三反成像系统像平面接光谱分光系统提供条件，因为一般成像光谱仪和采用光纤传像的成像仪器都要求前置光学成像系统为像方远心光路；小F数、大视场保证了整个成像光谱仪器的信噪比较高，便于信号探测和数据收集。
与本发明较为接近的已有技术是：视场角为
Figure SMS_1
的远心离轴三反镜成像系统，该系统存在的主要问题是，系统前焦点为虚焦点即为虚入瞳，无法满足具有实入瞳和远心要求的空间光学成像系统的应用需要。还有一种具有实入瞳的远心离轴三反镜光学成像系统，该系统存在的主要问题是，该系统必须知道次镜对主镜、三镜对次镜的遮拦比主镜/>
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，从而带入公式得到系统的初始结构模型；并且该专利中的系统焦距太长，整个系统所占的空间尺寸太大，且F数较大设计难度较小，主镜和三镜都是高次非球面，加工和装调成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统及设计方法；该系统包括主镜、次镜、三镜、孔径光阑、以及像平面。整个系统的特征在于孔径光阑位于主镜之前，并且放置在离轴三反系统的物方焦平面处，实现了整个光学系统既可以实入瞳入射又可以像方远心出射的目标。实入瞳入射保证了便于在光学系统前置入瞳位置设置窗口、扫描镜、可变孔径光阑等元件，以便满足遥感载荷观察不同目标切换可变光阑的需求；像方远心出射保证了在离轴三反后焦面接分光系统的可行性；小F数、大线视场保证了整个成像光谱仪器的信噪比较高，辐射能量传递效率高，便于信号探测和数据收集。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有小F数、大线视场的实入瞳像方远心离轴三反光学系统，包括主镜、次镜、三镜、像平面、孔径光阑和系统物方焦平面；来自无限远的平行光束经过孔径光阑衰减后到达主镜，依次经过主镜、次镜、三镜反射到达像平面上。所述孔径光阑位于所述系统物方焦平面处，构成像方远心光路，便于在像平面处接后置分光系统，使整个系统构成空间载荷成像光谱仪。
进一步地，通过初始结构计算和操作数优化设置孔径光阑距离主镜的距离l1。
进一步地，系统F数为2.7、线视场为
Figure SMS_6
。
进一步地，所述主镜、次镜、三镜均采用二次非球面，其中所述主镜、次镜和三镜均采用二次双曲面。
本发明还提供一种具有小F数、大线视场的实入瞳像方远心离轴三反光学系统的设计方法，包括：设该离轴三反系统相关结构参数表示为：
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进一步地，将计算得到的初始模型参数输入光学设计软件中，通过操作数约束进行优化；若计算的孔径光阑距离主镜的距离
Figure SMS_63
与真实设计值有差别，则在优化时将其设置为已知量并固定，将主、次、三镜的曲率半径、厚度距离、圆锥系数以及离轴和偏心设置为变量，通过设置控制调制传递函数MTF的操作数进行优化。
本发明与现有技术相比，有益效果为：从主镜到次镜、次镜到三镜的距离出发推导系统结构，更符合实际工程需求；通过合理控制操作数进行系统优化，使得整个系统能够达到小F数、大线视场的实入瞳像方远心光路。
附图说明
图1是同轴三反光学系统结构示意图；
图2是离轴三反光学系统设计过程流程图；
图3是本发明的一种具有小F数、大线视场的实入瞳像方远心离轴三反光学系统结构设计图；
图4为本发明光学系统的调制传递函数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
由于离轴三反光学系统是在同轴三反光学系统的基础上优化得到的，如图1所示；本发明根据空间遥感仪器实际使用需求，从同轴三反光路初始模型出发。所述同轴三反光学系统包括主镜
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之间的值，根据《光学非球面的设计、加工与检验》( 潘君骅著，苏州 大学出版社， 2004.12) 一书中的曲率半径公式及像差公式可得到同轴三反光学系统的初始模型。
由几何光学成像公式可得光阑距离主镜
Figure SMS_115
的距离为：
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（7），
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分别是主镜、次镜的曲率半径。
由该公式可以计算出孔径光阑所在位置，即系统物方焦面距离主镜
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与真实设计值差别较大，为了满足设计要求并提高设计效率，在优化时将其设置为已知量并固定，将整个系统的曲率半径、厚度距离、圆锥系数设置为变量，得到最优的同轴三反光学初始结构模型。
在优化好的同轴三反光学系统的基础上进行离轴设计，采用孔径离轴方式进行优化，将初始同轴三反系统中的主、次、三镜的曲率半径、厚度、圆锥系数、镜子偏心和倾斜设为变量，通过操作数控制出瞳距离像面的距离，使得系统为像方远心出射，当系统远离衍射极限，通过几何调制传递函数MTF操作数即GMTA控制整个系统的传递函数使其满足匹配的探测器需求。初始优化之后系统接近衍射极限，此时通过快速傅里叶变换MTF操作数即MTFA控制整个系统的传递函数使其满足匹配的探测器需求。
设计出的光学系统具有实入瞳并且像方远心出射，光学系统F数为2.7，设计的线视场为
Figure SMS_122
，主、次、三镜均采用二次曲面。此系统通过操作数控制有达到F数更小、线视场更大的潜力。
如图1所示，根据已知初始条件代入公式推导出同轴三反光学系统的初始结构模型，将参数输入光学设计软件进行优化；将系统物方焦面到主镜M1的距离
Figure SMS_123
改为工程需求已知量进一步优化。在优化好的同轴三反基础上通过孔径离轴进行离轴三反设计，并通过控制调制传递函数MTF的操作数进行优化。
实施例1：
本发明实施例1的具有小F数、大线视场的实入瞳像方远心离轴三反光学系统，参照图3所示。
所述具有小F数、大线视场的实入瞳像方远心离轴三反光学系统包括主镜1、次镜2、三镜3、像平面4、孔径光阑5 和系统物方焦平面6，来自无限远的平行光束经过孔径光阑5衰减后到达主镜1，依次经过主镜1、次镜2、三镜3反射到达像平面4上。主镜1为凹的双曲面反射镜，次镜2为凸的双曲面反射镜，三镜3为轴对称凹的双曲面反射镜。本发明按图1所示的结构实施。其中，选取像方焦距
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的具有实入瞳的像方远心离轴三反镜光学成像系统。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统，其特征在于：包括主镜、次镜、三镜、像平面、孔径光阑和系统物方焦平面；来自无限远的平行光束经过孔径光阑后到达主镜，依次经过主镜、次镜、三镜反射到达像平面上；所述孔径光阑位于整个系统最前面且在物方焦平面处，构成像方远心光路，便于在像平面处接后置分光系统；所述的孔径光阑与主镜的距离大于主镜距离次镜的距离；所述平行光束经主镜到达次镜，次镜位于孔径光阑和主镜之间；经次镜反射的光束到达三镜，三镜位于主镜和次镜之间。
2.根据权利要求1所述的一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统，其特征在于：通过初始结构计算和操作数设置孔径光阑距离主镜的距离
Figure QLYQS_1
。
3.根据权利要求1或2所述的一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统，其特征在于：系统F数为2.7、线视场为
Figure QLYQS_2
。
4.根据权利要求3所述的一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统，其特征在于：所述主镜、次镜、三镜采用二次非球面。
5.根据权利要求1所述的一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统，其特征在于：所述主镜、次镜、三镜采用双曲面结构。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种实入瞳像方远心离轴三反光学系统的设计方法，其特征在于：
设离轴三反系统的结构参数为：
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（4）
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Figure QLYQS_50
（5）
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Figure QLYQS_57
（7）。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，将计算得到的初始模型参数输入光学设计软件中，通过操作数约束进行优化；若计算的孔径光阑距离主镜的距离
Figure QLYQS_58
与真实设计值有差别，则在优化时将其设置为已知量并固定，将整个系统的主镜、次镜、三镜曲率半径、厚度距离、圆锥系数以及离轴和偏心设置为变量，通过设置控制调制传递函数MTF的操作数进行优化。/>
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