[發明專利]同軸四反超低畸變光學系統

有效

• 申請號: 201210334328.8
• 申請日: 2012-09-12
• 公開（公告）號: CN102866487A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 蘇云;楊秉新;張鵬斌;湯天瑾;周峰
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06;G02B5/10;G02B1/10;G01C11/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

技術領域

本發明屬于航天光學遙感器技術領域，涉及一種適用于星載空間對地的超低畸變高精度立體測繪成像光學系統，特別是涉及一種同軸四反超低畸變光學系統。

背景技術

隨著空間光學遙感技術的不斷發展，對于測繪相機的光學系統要求也日益嚴格。

測繪衛星主要任務是攜帶滿足立體攝影要求的成像傳感器對地球表面進行立體攝影，獲取地物的多維圖像數據，利用測繪處理技術對圖像數據進行處理，精確測定地貌、地物形狀、大小、屬性和空間位置信息，然而光學系統的畸變大小決定著圖像數據的幾何定位精度，直接影響圖像最終的測繪精度。

目前世界上有多個國家成功發射了立體測繪相機，其中比較有代表性的包括有美國的IKONOS-2上的CCD立體測繪相機、德國的三線陣CCD測繪相機MEOSS、日本研制ALOS衛星上的立體測繪全色遙感儀器(PRISM)。其中美國的IKONOS-2上的CCD立體測繪相機，焦距為10m，地面分辨率達到1m采用同軸三鏡消像散(TMA)光學系統結構型式，主、次、三鏡均采用非球面設計；德國的單鏡頭三線陣CCD測繪相機(MEOSS)，焦距僅為61.6mm，采用透射式結構型式，地面像元分辨率僅為52m×80m；日本ALOS衛星上的立體測繪相機采用光學系統是離軸三鏡消像散(TMA)的系統結構，焦距為2m，像元分辨率2.5m。

目前已成功發射的立體測繪相機的光學系統型式有透射式系統、離軸反射式三鏡消像散系統和同軸反射式三鏡消像散系統。對于長焦距高分辨率立體測繪相機，透射式系統由于材料尺寸及其特性的限制而無法采用。因此高分辨立體測繪采用的光學系統形式目前主要局限于離軸反射式三鏡消像散系統和同軸反射式三鏡消像散系統。其中離軸反射式系統反射鏡的加工難度極大，反射鏡加工、檢測和裝調都不能采用傳統的方法，光學設計切向子午畸變難以控制，系統工程化難度大，溫控精度很難保證，尤其不適合敏捷型立體測繪相機的光學系統。而同軸反射式三鏡消像散系統雖然系統工程實現性好，易于實現高精度溫控，但無法實現大視場，系統畸變難以消除。目前已成功在軌運行的采用同軸反射式三鏡消像散結構型式的立體測繪相機光學系統畸變都大于百分之一量級，當采用長線陣探測器時絕對畸變值很大，后期修正困難，很難滿足未來測繪相機的發展需求。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供同軸四反超低畸變光學系統，適用于高精度星載立體測繪相機，可實現高像質、超低畸變和高穩定性，并可大大降低大口徑主鏡的加工難度。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

同軸四反超低畸變光學系統，包括主鏡、次鏡、三鏡、四鏡、平面反射鏡和接收像面，其中主鏡、次鏡、三鏡、四鏡和平面反射鏡的光軸在同一直線上，平面反射鏡位于三鏡與四鏡之間，主鏡與次鏡構成經典R-C系統，并形成一次實像，一次實像經過三鏡、四鏡中繼成像并通過平面反射鏡(5)折轉至接收像面處；主鏡、次鏡和三鏡構成同軸TMA系統并承擔絕大部分光焦度，四鏡在光學系統成像中承擔較小光焦度，承擔的光焦度占總光焦度的10-20％；光學系統孔徑光闌位于主鏡上，四鏡置于系統出瞳位置處。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，主鏡、次鏡、三鏡和四鏡的材料為碳化硅，微晶玻璃或熔石英。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，主鏡、次鏡、三鏡和四鏡的反射面鍍有鋁或銀材料的金屬高反射率反射膜。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，接收像面為線陣CCD或TDICCD探測器接收面。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，主鏡與三鏡的二次項系數為-1.5～0，四鏡的二次項系數大于-10。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，平面反射鏡位于三鏡與四鏡之間，且距離四鏡280-370mm位置處。

在上述同軸四反超低畸變光學系統中，主鏡、次鏡、三鏡、四鏡面型均為非球面反射鏡，其中主鏡面型近似拋物面，四鏡面型為具有大二次項系數的小非球面度雙曲面。

本發明與現有技術相比具有如下有益效果：

(1)本發明在同軸TMA光學系統的基礎上引入小光焦度大非球面系數四鏡，四鏡位于系統出瞳附近，通過四鏡的非球面系數校正系統光瞳像差，使系統實現超低畸變，畸變值僅為百萬分之三，體積為同類指標離軸反射系統的1/2左右，這種長焦距、超低畸變同軸四反光學系統作為高精度立體測繪相機光學系統優勢十分明顯。