[發(fā)明專利]一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210579272.2
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN102981254A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉偉奇;劉軍;馮睿;魏忠倫;張大亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 劉樹清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間光學技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種長焦距短結(jié)構(gòu)非球的面共軸四反射鏡光學系統(tǒng)。

背景技術(shù)

從基本理論可知，當空間相機軌道高度和CCD像元尺寸一定時，隨著光學系統(tǒng)焦距的增加，可以提高地面的像元分辨率，通常把焦距超過1m的光學系統(tǒng)稱為長焦距光學系統(tǒng)。傳統(tǒng)的折射式光學系統(tǒng)隨著焦距的增長將導致光學系統(tǒng)體積增大，使得光學系統(tǒng)的質(zhì)量增大，從而增加了發(fā)射成本，同時，折射式光學系統(tǒng)色差校正困難。相比之下，反射式光學系統(tǒng)無色差，光學系統(tǒng)可折疊，在小體積、輕量化的發(fā)展道路上具有明顯的優(yōu)勢。

全部由反射鏡組成的光學系統(tǒng)在航天遙感的應(yīng)用中備受關(guān)注，愈來愈多的應(yīng)用于空間分辨率為米級和亞米級航天相機上。按系統(tǒng)中反射鏡個數(shù)分類，反射式光學系統(tǒng)一般可分為：兩反射鏡光學系統(tǒng)，三反射鏡光學系統(tǒng)以及四反射鏡光學系統(tǒng)等。兩反射鏡光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但是自由度太少，不能同時校正多種像差；三反射鏡光學系統(tǒng)有更多的自由度，能校正更多的像差，但是，由于三反射鏡光學系統(tǒng)的設(shè)計自由度不足以校正所有像差，通常由于畸變過大，系統(tǒng)成像變形嚴重，影響了其應(yīng)用范圍；在長焦距光學系統(tǒng)中，往往因為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)長度和焦距的比值比較大，致使光學系統(tǒng)體積大，增大了光學系統(tǒng)的質(zhì)量，增加了發(fā)射成本。四反射鏡光學系統(tǒng)是在三反射鏡光學系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加一片反射鏡，系統(tǒng)的自由度更大，能做到長焦距短結(jié)構(gòu)，在空間光學領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。經(jīng)檢索查新沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學系統(tǒng)的報導。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：在保證平像場，50lp/mm頻率處傳遞函數(shù)>0.45，全視場畸變<0.01%，以及四片非球面反射鏡共軸的前提下，盡可能的做大光學系統(tǒng)的焦距，以獲得高的地面像元分辨率，同時控制光學系統(tǒng)焦距與結(jié)構(gòu)長度的比值，以減小光學系統(tǒng)的體積，降低發(fā)射成本。特設(shè)計一種長焦距、短結(jié)構(gòu)、無中心遮攔、像差特性優(yōu)良的共軸非球面四反射鏡光學系統(tǒng)。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學系統(tǒng)。解決技術(shù)問題的技術(shù)方案：如圖1所示，包括主鏡1、次鏡2、光闌3、三鏡4、四鏡5、平面反射鏡6和探測器像面7。主鏡1、次鏡2、三鏡4和四鏡5共軸排布，次鏡2放置在主鏡1的反射光路上，三鏡4放置在次鏡2的反射光路上，將光闌3置于次鏡2的鏡框上，兩者固連，四鏡5放置在三鏡4的反射光路上，平面反射鏡6放置在四鏡5的反射光路上，離軸角為-49°起到折疊后焦距的作用，探測器像面7放置在四反射鏡光學系統(tǒng)的焦面上，離軸角為-49°；在該共軸四反射鏡光學系統(tǒng)的光路連接中各鏡之間的距離分別為：次鏡2到主鏡1的距離為d1、三鏡4到次鏡2的距離為d2、四鏡5到三鏡4的距離為d3、平面反射鏡6到四鏡5的距離為d4、探測器像面7到平面反射鏡6的距離為d5，其中，d1=-418.645mm，d2=420.000mm，d3=-415.000mm，d4=750.000mm，d5=-384.953；主鏡1、次鏡2、三鏡4和四鏡5，四個鏡面的頂點曲率半徑分別為：?R1、R2、R3、R4，其中，R1=-1902.171mm，R2=-1277.557mm，R3=-1492.532mm，R4=-1237.540mm；四個反射鏡的反射面型均采用非球面，其中，主鏡1和次鏡2為雙曲面，主鏡1的二次曲面系數(shù)為k1，k1=-2.349，次鏡2的二次曲面系數(shù)為k2，k2=-8.198；三鏡4和四鏡5為包含二階與六階項的高次非球面，其中，三鏡4二次曲面系數(shù)為k3，k3=-7.514，二階非球面系數(shù)為A3，A3=3.926E-4，六階非球面系數(shù)為C3?，C3=6.094E-16；四鏡5的二次曲面系數(shù)為k4，k4=-0.310，二階非球面系數(shù)為A4，A4=-2.180E-4，六階非球面系數(shù)為C4，C4=2.050E-17。此光學系統(tǒng)的焦距長2466mm，焦距與結(jié)構(gòu)長度比約為5.3/1，為無中心遮攔的共軸非球面四反射光學系統(tǒng)。

本發(fā)明的工作原理：本光學系統(tǒng)為了使成像光束能清晰成像在探測器像面7上，采用了偏視場設(shè)計，成像光束在子午方向偏離光軸7°~7.3°角進入光學系統(tǒng)，經(jīng)過主鏡1、次鏡2、三鏡4、四鏡5以及平面反射鏡6五片反射鏡的反射后，最終成像在探測器像面7上。為了實現(xiàn)偏視場無中心遮攔的設(shè)計，將光闌3設(shè)置在次鏡2的鏡框上；為獲取優(yōu)良的像差特性，利用非球面來校正像差，使得成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限。在o-xyz右手坐標系中，球面和非球面的數(shù)學描述如下：