[發(fā)明專利]一種大視場消畸變離軸反射光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110908098B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁立銀;謝佳楠;王躍明;何志平
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G02B17/06
• 分類號: G02B17/06;G02B27/00
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種大視場消畸變離軸反射光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計方法。光學(xué)系統(tǒng)由主鏡、次鏡、場鏡和孔徑光欄組成。來自無窮遠(yuǎn)的光線經(jīng)過主鏡反射，又經(jīng)次鏡反射，再經(jīng)場鏡反射，最終到達(dá)像面。其中，主鏡為偶次非球面離軸凸面，次鏡為偶次非球面離軸凹面，場鏡為凸自由曲面反射鏡。孔徑光欄設(shè)置在主鏡處或者在主鏡和次鏡之間，后者可實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心設(shè)計。在兩鏡模型中，在焦面前設(shè)置反射式場鏡，面型設(shè)置為擴(kuò)展多項(xiàng)式，加入畸變控制后進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、全反射式、光學(xué)效率高、大視場和低畸變，特別適合用作大視場推掃成像儀器的光學(xué)系統(tǒng)，以及大視場光譜成像儀器中的望遠(yuǎn)物鏡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)設(shè)計，特別是指一種大視場消畸變離軸反射光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)

推帚式成像光譜儀在航天航空應(yīng)用中十分廣泛，可用作礦物識別、農(nóng)林監(jiān)測、軍事偵察、海色及大氣探測等。推帚式光譜成像儀，為提高作業(yè)效率和節(jié)約飛行成本，對光學(xué)系統(tǒng)的視場都提出了較高要求；并且為減少定標(biāo)和后期數(shù)據(jù)處理的工作量，對儀器光學(xué)系統(tǒng)的畸變也提出了很高的要求，因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程中，盡量考慮畸變的消除非常必要。

現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問題是：

(1)透射式物鏡的色差校正比較困難，同軸反射系統(tǒng)視場有限且有中心遮攔。(2)離軸兩反系統(tǒng)視場大但存在較大畸變，準(zhǔn)遠(yuǎn)心離軸三反視場中等，離軸四反或五反系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此，通常的反射系統(tǒng)難以兼顧結(jié)構(gòu)簡單、大視場、優(yōu)良像質(zhì)和像方遠(yuǎn)心設(shè)計。(3)成像光譜儀通常是望遠(yuǎn)物鏡和光譜儀獨(dú)立設(shè)計，兩者光瞳匹配，通常為有利于系統(tǒng)對接設(shè)計和裝調(diào)，一般將光譜儀設(shè)計成物方遠(yuǎn)心或準(zhǔn)遠(yuǎn)心，因此物鏡也需要像方遠(yuǎn)心或準(zhǔn)遠(yuǎn)心。而對于中小F數(shù)的長狹縫推掃式光譜儀，大視場低畸變準(zhǔn)遠(yuǎn)心的望遠(yuǎn)物鏡結(jié)構(gòu)形式可選擇空間極小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大視場消畸變離軸反射光學(xué)系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

圖1是本發(fā)明的光路示意圖，由主鏡1、次鏡2、場鏡3和孔徑光欄4組成。來自無窮遠(yuǎn)的光線經(jīng)過主鏡1反射至次鏡2，再經(jīng)次鏡2反射至場鏡3，最終到達(dá)像面。其中，主鏡1為偶次非球面離軸凸面，次鏡2為偶次非球面離軸凹面，場鏡3為凸面。孔徑光欄4設(shè)置在主鏡1處或者在主鏡1和次鏡2之間。

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原型是離軸兩反系統(tǒng)，在兩反初始結(jié)構(gòu)建模優(yōu)化的基礎(chǔ)上，巧妙地，在像面附近，加入自由曲面場鏡3，達(dá)到有效校正畸變的設(shè)計。

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法是：先建立兩鏡系統(tǒng)模型，將孔徑光欄4設(shè)置在主鏡1處，控制系統(tǒng)初級參數(shù)和像質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化；再在兩鏡模型中，在焦面前設(shè)置反射式場鏡3，通過坐標(biāo)變換，設(shè)置y離軸至場鏡3的幾何中心附近，設(shè)置場鏡3繞x軸傾斜一定角度放置，將面型設(shè)置為關(guān)于y軸對稱的擴(kuò)展多項(xiàng)式，加入畸變控制后進(jìn)行優(yōu)化，將孔徑光欄4設(shè)置在主鏡1和次鏡2之間可實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心設(shè)計。這種光欄位置設(shè)置，在系統(tǒng)的初級參數(shù)要求較高時，例如F數(shù)、視場、體積要求較高時，會出現(xiàn)入射光線和反射光線的部分交疊，不適合放置完整的光欄，光欄只起到限制光束部分口徑的作用，但這對成像光譜儀而言，是可以應(yīng)用的。在望遠(yuǎn)物鏡和后方光譜儀對接之后，光譜儀上的光欄將起到限制光束口徑的作用，是整個成像光譜儀的光欄，因此，望遠(yuǎn)鏡上可以沒有實(shí)際的或者完整的光欄。

本發(fā)明中的場鏡3為反射鏡，面型設(shè)計為易于金剛石單點(diǎn)車削加工的擴(kuò)展多項(xiàng)式，材料可選紅外玻璃或者光學(xué)鋁等，金剛石車削成型并結(jié)合拋光技術(shù)，采用全息元件進(jìn)行光學(xué)加工檢測，或者采用系統(tǒng)配修檢測。

由于上述技術(shù)方案的使用，本發(fā)明的大視場消畸變離軸反射光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只包含三個光學(xué)元件；全反射式，譜段使用自由，光學(xué)效率非常高；能實(shí)現(xiàn)40°及以上的大視場；沿軌方向畸變非常小，穿軌方向各像元相對中心像元的畸變非常小；孔徑光欄4設(shè)置在主鏡1和次鏡2之間可實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心或準(zhǔn)遠(yuǎn)心，可與物方遠(yuǎn)心或準(zhǔn)遠(yuǎn)心的光譜儀實(shí)現(xiàn)光瞳匹配。特別適合作為大視場光譜成像儀器中的望遠(yuǎn)物鏡。

附圖說明