CN116990949A - 一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，属于光学技术领域。该光学系统包括：球面主镜、视场分割器、N个场镜、N个校正镜组和N个探测器，所述视场分割器呈倒置的多面体状，所述视场分割器的每一个面彼此相邻均为平面反射镜，球面主镜分别与每个平面反射镜、场镜、校正镜组和探测器组成单路光学通道。本发明应对大口径大视场白天和夜间同时工作的难题，基于多通道视场分割思想，在保证长焦距条件下，实现大口径大视场设计，解决光学系统大口径、大视场、长焦距的矛盾，满足了对空间目标的全时域大视场搜索发现和探测需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统。
背景技术
随着人类发射的人造航天器越来越多，空间碎片的熟练迅猛增长，给在轨航天器带来极大的安全隐患；小卫星特别是皮卫星、纳卫星的释放越来越多，探测和跟踪这些小卫星对现有系统能力构成了极大挑战。因此地球周围的大量空间碎片对运行中航天器构成的风险也越来越大，并且对人类未来的空间活动也产生了很大的威胁。因此掌握这些空间碎片的轨道数据并进行监视就显得尤为重要，目前空间目标探测与跟踪的主要手段是雷达和光电望远镜。
相比于雷达望远镜，采用光学观测主要有以下几个优势：首先雷达观测和光学观测之间的主要差异不仅限于接收信号的波长，还在于被观测对象的照明类型。在采用雷达观测时，目标是由雷达信号主动照明，而光学设备则基于被动接收太阳照射目标后散射或者目标自身辐射。其次光学设备接收的目标信号强度与距离的平方成反比，而雷达设备接收目标信号强度与距离的四次方成反比。所以，光学测量属于被动观测，具有隐蔽性强，探测距离远，能发现尺度更小的目标。但是采用光学设备对卫星和空间碎片观测也有其局限性，既需要目标被太阳照亮，又需要天空背景较暗，故一般光学望远镜工作在夜晚。
为解决空间目标全天时能被观测的科学难题，需要对光学系统进行创新设计，实现米级大口径光学收集足够能量满足cm级小尺度目标探测、实现F#4以上长焦距抑制白天亮背景影响，提高探测信噪比、实现度级以上光学视场满足对目标快速搜索发现，达到目标探测的时效性要求。
目前现有的光学系统尚没有能兼顾大口径、长焦距、大视场的系统，已有系统一般是大口径、长焦距或者是大口径、大视场，分别对应于小视场跟踪和大视场夜间探测。目前主要的大口径大视场望远镜形式主要有梅森-施密特式以及主焦点式望远镜，两者都可以实现较大光学视场，并且取得较好的成像效果。
施密特式望远镜的梅森-施密特形式的光学系统由三片大口径非球面反射镜组成，非球面反射镜的面型均为高次非球面，为了消除额外的像差，有些系统还在像面前添加了小口径的透射校正镜，来获取更好的成像质量。梅森-施密特形式的大口径大视场光电探测系统，具有以下优点：光学系统总长短，系统受环境影响小。其缺点主要包括：系统遮拦大；加工和系统装调难度大。典型的梅森-施密特式系统为美国DOD研制SST大口径地基望远镜，其口径为3.5m、视场为3.5°；以及美国的LSST望远镜口径为8.4m，其光学系统采用同轴三反射与透射校正结合的形式，其视场为3.5°。
主焦点形式的光学系统的主要特点是利用非球面主镜进行目标光束的收集，通过一系列光学透镜校正轴外像差及色差，主焦点形式的大口径大视场望远镜的优点在于其光学结构简单，虽然口径最大的主镜为非球面镜，但是对于现代光学加工技术来说已经不是难点。由于主镜是非球面反射镜，即只有一个光轴，因此对轴外光学像差的校正就需要多个透镜配合实现，但是生产相应的大口径校正器就成为了关键点和难点；另外由于特殊的光学结构，F数较小的光学系统后截距往往比较短，也就是探测器位置的安装和调试会增加结构设计的难度，尤其是当需要冷却甚至低温条件时探测器的体积就更加受限。典型的主焦点大口径大视场望远镜为3.6m口径的CFHT望远镜，视场为1°×1°；4m口径的 BlaNco望远镜，视场为1.7°×1.7°；4.2m口径的 DCT望远镜，视场为2°。以上系统均只能工作在夜间，因此，需要一种兼顾大口径、长焦距、大视场的光学系统。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，具体技术方案如下：
一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，所述光学系统包括：球面主镜、视场分割器、N个场镜、N个校正镜组和N个探测器，所述视场分割器呈倒置的多面体状，所述视场分割器的每一个面彼此相邻均为平面反射镜，球面主镜分别与每个平面反射镜、场镜、校正镜组和探测器组成单路光学通道，所述光学系统包括N个单路光学通道；
所述球面主镜将光线收集后聚焦在视场分割器处，所述视场分割器上多个平面反射镜用于将球面主镜收集的光线按不同入射角度分割成N份，即将一个大视场分割成N个视场，并将分割后的光线分别折转经过各个单路光学通道中，每份经过平面反射镜的光线分别经过场镜会聚后经校正镜组进行像差的校正进而成像在探测器靶面处。
优选的，所述视场分割器上的平面反射镜的个数为N。
优选的，每个所述平面反射镜所分割的N个视场大小相等。
优选的，每个所述平面反射镜的形状为四边形或六边形。
优选的，每个所述平面反射镜表面镀减反膜。
优选的，所述球面主镜为凹球面反射镜。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明应对大口径大视场白天和夜间同时工作的难题，基于多通道视场分割思想，在保证长焦距条件下，实现大口径大视场设计，解决光学系统大口径、大视场、长焦距的矛盾，满足了对空间目标的全时域大视场搜索发现和探测需求。
2、将视场分为N个部分后，由透镜组成的校正镜组也被相应地细分为N个缩减部分，每个单路的光学元件的物理尺寸随之大幅缩减，这就规避了大口径透镜的制备和装调难题。
3、如N个视场的光学性能一致，则N个光学通道的校正镜组件也为一致，不仅可实现校正镜元件的批量生产，同时增加了系统的维护性。校正器尺寸的减小允许通过使用标准的现成光学元件（透镜）或使用易于标准化的透镜来实现校正器。这种方法不但保持了增强的性能，而且意味着成本大大降低，并可实现批量生产。
4、由于整个光学视场被分割成N个部分，单独光学通道的像差控制变得就易于实现，也就规避了大口径大视场望远镜像面场曲的问题。
附图说明
图1为本发明提供的该光学系统整体结构爆炸图；
图2为本发明提供的单路光学通道成像光路示意图；
图3为本发明提供的主镜多光轴视场分割示意图，其中，a为球面主镜球心。
图中，
1、球面主镜；2、视场分割器；3、场镜；4、校正镜组；5、探测器；
21、平面反射镜。
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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参见图1-图3；
一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，所述光学系统包括：球面主镜1、视场分割器2、N个场镜3、N个校正镜组4和N个探测器5，所述视场分割器2呈倒置的多面体状，所述视场分割器2的每一个面彼此相邻均为平面反射镜21，球面主镜1分别与每个平面反射镜21、场镜3、校正镜组4和探测器5组成单路光学通道；优选的，所述视场分割器2上的平面反射镜21的个数为N；优选的，每个所述平面反射镜21所分割的N个视场大小相等；优选的，每个所述平面反射镜的形状为四边形或六边形；优选的，每个所述平面反射镜21表面镀减反膜；优选的，所述球面主镜1为凹球面反射镜。
所述球面主镜1将光线收集后聚焦在视场分割器2处，所述视场分割器2上多个平面反射镜21用于将球面主镜1收集的光线按不同入射角度分割成N份，即将一个大视场分割成N个视场，并将分割后的光线分别折转经过各个单路光学通道中，每份经过平面反射镜21的光线分别经过场镜3会聚后经校正镜组4进行像差的校正进而成像在探测器5靶面处。所述场镜3为单透镜，所述校正镜组4由多个透镜组成。
由于球面镜的光轴在理论上可以是无数条，因此将球面镜设计成凹面反射镜，则可以实现在较大视场范围内局部视场的一致性，当目标光线首先会聚到球面主镜1的焦点后，由视场分割器2将视场进行分割，视场分割器2在外观上为一个倒置的多面体，形状大致为倒金字塔状，视场分割器2的每一个面均为平面反射镜21，每个平面发射镜的形状可以为四边形或者六边形，其形状可以大约为视场分割的形状，各个视场的分割线即为平面与平面之间的交界：例如每个平面反射镜的形状为四边形，那么局部被分割的视场即为四边形（六边形同理）。由于视场分割器位于球面主镜上方，因此其产生的中心遮拦是不可避免的，为了使视场分割器所产生的中心遮拦达到最小，将其放置于主镜焦点处，这样也有缩小后续光学系统口径的作用。
同样由于球面镜的特性，经过球面主镜1的光线存在球差，随着视场的增加，彗差和像散等轴外像差也开始出现，因此在经过视场分割器反射后的光线，每部分被分割的视场都具有基本相同的像差特性。光线经过一次成像后处于发散状态，因此首先需要场镜3将光线重新会聚，但是由于场镜3为单透镜，不能直接校正色差及其他光学像差，因此需要后续透镜组组成的校正镜组4对像差进行校正，为重新分割系统视场对应不同的校正器。因此不管与传统施密特形式还是主焦点形式所需的校正镜组4相比，此类校正镜组4的单片透镜尺寸都小得多。经过校正镜组4校正后的光线则在经过滤光片进入到探测器5靶面。又由于主镜的球面对称性，如果望远镜的整个视场被分割为形状相同大小相等的N个部分，则相应的N个校正镜组可以完全相同，从而实现易于实现和维护的高度模块化的系统。
视场分割器的N个平面反射表面的结构彼此相邻，则可以实现连续的可拼接的视场大于10平方度，但甚至高达几十平方度，对于局部视场来说则意味着可以增加焦距来提高望远镜的光学分辨力。
实施例
一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，所述光学系统包括：球面主镜1、视场分割器2、N个场镜3、N个校正镜组4和N个探测器5，所述球面主镜1为凹球面反射镜，所述视场分割器2位于所述球面主镜1焦点处，所述视场分割器2呈倒置的多面体状，所述视场分割器2的每一个面彼此相邻且大小相等均为平面反射镜21，所述平面反射镜21个数为N；每个所述平面反射镜21为四边形且表面镀减反膜；球面主镜1分别与每个平面反射镜21、场镜3、校正镜组4和探测器5组成单路光学通道；所述球面主镜1将光线收集后聚焦在视场分割器2处，所述视场分割器2上多个平面反射镜21用于将球面主镜1收集的光线按不同入射角度分割成N等份，即将一个大视场分割成形状相同大小相等的N个视场，并将分割后的光线分别折转经过各个单路光学通道中，每份经过平面反射镜21的光线分别经过场镜3会聚后经校正镜组4进行像差的校正进而成像在探测器5靶面处。所述场镜3为单透镜，所述校正镜组4由多个透镜组成。
本实施例中望远镜的整个视场被分割为形状相同大小相等的N个部分，则相应的N个校正镜组4可以完全相同，可实现校正镜元件的批量生产，同时增加了系统的维护性。
本发明设计的每个视场的光学结构均为主焦点形式的变形，不同点在于采用了二次成像的光学结构形式。在将视场划分为N个区域中的每一部分中，采用独立的探测器，因此可将单独通道的光学系统进行独立设计，采用专用的光学元件以适配不同的探测器，因此本发明具有较高的模块化性能，便于维护和进行功能性的扩展。
Claims (6)
1.一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：球面主镜（1）、视场分割器（2）、N个场镜（3）、N个校正镜组（4）和N个探测器（5），所述视场分割器（2）呈倒置的多面体状，所述视场分割器（2）的每一个面彼此相邻均为平面反射镜（21），球面主镜（1）分别与每个平面反射镜（21）、场镜（3）、校正镜组（4）和探测器（5）组成单路光学通道；
所述球面主镜（1）将光线收集后聚焦在视场分割器（2）处，所述视场分割器（2）上多个平面反射镜（21）用于将球面主镜（1）收集的光线按不同入射角度分割成N份，即将一个大视场分割成N个视场，并将分割后的光线分别折转经过各个单路光学通道中，每份经过平面反射镜（21）的光线分别经过场镜（3）会聚后经校正镜组（4）进行像差的校正进而成像在探测器（5）靶面处。
2.根据权利要求1所述的一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，所述视场分割器（2）上的平面反射镜（21）的个数为N。
3.根据权利要求1所述的一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，每个所述平面反射镜（21）所分割的N个视场大小相等。
4.根据权利要求1所述的一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，每个所述平面反射镜（21）的形状为四边形或六边形。
5.根据权利要求1所述的一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，每个所述平面反射镜（21）表面镀减反膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于全时域探测的大口径大视场光学系统，其特征在于，所述球面主镜（1）为凹球面反射镜。
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