CN106383401B - 一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，包括正光焦度的主反射镜，负光焦度的次反射镜和正光焦度的三反射镜，主镜反射面为球面，次镜和三镜反射面均为扁球型二次曲面，三块反射镜的顶点曲率半径近似满足平像场条件；主镜在主、次镜间形成远处景物的实像，次镜和三镜将此实像中继成像于像面处，孔径光阑置于三镜的前焦面处，实现像方远心光路；主镜相对于中心视场入射主光线沿X轴倾斜，次镜与三镜同轴，子午面内中心视场主光线经主镜反射后，与次镜、三镜公共对称轴线形成夹角。它具有超宽视场、中等相对孔径、宽工作波段、像方远心无遮拦、物方畸变小和成像质量好等优点，适用于空间相机、成像光谱仪等对地成像观测领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于空间相机、成像光谱仪前置物镜的望远物镜，特别涉及一种可工作于紫外到红外波段的超宽视场离轴远心三反射镜望远物镜，属光学成像技术领域。
背景技术
近年来，大视场宽覆盖已成为光学遥感仪器重要发展趋势。视场是对地观测仪器的重要指标，它决定了观测仪器的全球覆盖和重访周期，视场越大，重访周期越小，时间分辨率就越高。
离轴反射式光学系统具有结构简单、无色差、无中心遮拦、易做大相对孔径、抗热性能好、宜轻量化等优点，还可获得高质量宽视场景物像，可用作宽波段宽视场高光谱成像仪的前置物镜，成为研究和应用的热点。
凸-凹和双凹两反射镜系统都适于宽视场应用。现有技术中，文献“大相对孔径宽视场无遮拦平场两反射镜望远物镜分析与设计”（周正平，赵知诚等.. 光学学报，2015, 35(3):0322002）报道了一种凸-凹两反射镜光学系统，它可实现宽视场、大相对孔径和平像场设计，但存在的主要不足是该系统仅实现了40°线视场，像方远心时无法设置实孔径光栏，用于宽视场场合时，消杂散光设计复杂，遮光罩和挡光装置的体积与复杂程度随着视场增大而快速增大。现有技术（参见文献： Nijkerk D, van Venrooy B, et al.. The TROPOMItelescope, design, fabrication and test of a freeform optical system.International Conference on Space Optics, 2012.）报道了一种TROPOMI前置系统，由两片凹自由曲面反射镜组成，存在中间实像，可方便地在此设置视场光阑和设计内遮光装置，无需庞大的遮光罩便能有效抑制杂散光。其交轨视场达到108°，但其相对孔径较小，限制了仪器信噪比进一步提升。
相比于一般的两反射镜光学系统，三反射镜光学系统具有更多优化自由度，在增大视场的同时能获得较好像质。在美国专利US 4240707中，William B. Wetherell给出了一个类Cook三片式的离轴三反射镜光学系统，该系统的主反射镜为正光焦度的凹面反射镜，次镜为负光焦度的凸面反射镜，三镜为正光焦度的凹面反射镜，孔径光阑放在次镜上，系统可实现10°×10°矩形视场，或者35°线视场。然而，该系统在获得较好像质同时，难以实现100°以上的宽线视场。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，在保证一定焦点伸出量（像面到次镜的距离）、远心和无遮拦的前提下，提供一种X方向线视场角达108°，适用于紫外到红外波段的无遮拦三反射镜光学成像系统。该系统不仅实现了超宽视场、中等相对孔径和平像场设计，而且具有实孔径光阑和中间实像，有利于消杂光设计。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：提供一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，该光学系统包括主镜、次镜和三镜三块反射镜，孔径光阑和焦平面；主镜相对于中心视场入射主光线沿X轴倾斜，次镜与三镜同轴，孔径光阑置于三镜的前焦面处，实现像方远心光路；来自地面景物的入射光线经主镜反射后，在主镜和次镜之间形成一次实像，次镜和三镜对得到的一次实像中继成像，在焦平面处形成景物像；主镜、次镜和三镜三块反射镜的光焦度分配依次为正-负-正，它们的顶点曲率半径近似满足平像场条件，其中R 1、R 2和R 3分别为主镜、次镜和三镜的顶点曲率半径；主镜面型为球面，次镜和三镜面型为扁球型二次曲面。
本发明提供的超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，它的相对孔径为1/4～1/6。该光学系统中，次镜和三镜的回转对称轴重合；还可在主镜和次镜之间形成的一次实像处，放置视场光阑和内遮光罩。
本发明的原理是：在凸-凹同轴两反射镜系统的基础上，于凸面反射镜之前添加一块凹面反射镜，用于扩大视场，组成新的离轴三反射镜结构，使其兼具凸凹结构大相对孔径和双凹结构具有中间实像的特点，使系统X方向线视场角达到108°。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、在凸-凹同轴两反射镜系统的基础上，利用一块凹面反射镜扩大系统视场角，X方向线视场角可达108°。
2、系统相对孔径为1/4～1/6，有利于仪器实现高信噪比。
3、次镜和三镜的回转对称轴重合于轴线，给系统装校带来很大方便。
4、系统孔径光阑位于三镜的前焦平面处，实现像方远心光路。
5、系统为两次成像系统，在一次实像处可放置视场光阑和内遮光罩，无需庞大的遮光罩便能有效抑制杂散光。
6、系统采用离轴全反射式结构，无遮拦且无色差影响，可工作于紫外到红外波段。
附图说明
图1是本发明实施例所述光学成像系统光路侧视示意图；
图2是本发明实施例所述光学成像系统光路俯视示意图；
图3是本发明实施例所述光学成像系统的调制传递函数曲线；
图4是本发明实施例所述光学成像系统的像高随视场角的变化曲线；
图5是本发明实施例所述光学成像系统的Y方向物方畸变规律曲线；
图中，1、主镜；2、次镜；3、三镜；4、系统孔径光阑；5、像面；6、次镜和三镜的公共对称轴线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方案做进一步的具体阐述。
实施例1
本实施例提供的技术方案适用于超宽视场高光谱成像系统的前置望远系统。参见附图1和2，它们分别是本实施例光学系统成像光路侧视和俯视示意图。其中，1为主镜，2为次镜，3为三镜，4为系统孔径光阑，5为像面，6为次镜和三镜的公共对称轴线。在本实施例中，选取系统像方焦距f ˊ=17mm，相对孔径D/F=1/4，视场角108°×0.05°，波长0.27μm～2.4μm。
由图1和2可见，本实施例提供的离轴三反射镜望远物镜包括主镜1、次镜2和三镜3；次镜2置于主镜1的反射光路上，三镜3置于次镜2的反射光路上；为避免遮拦且实现像方远心光路，主镜1相对于中心视场入射主光线沿X轴倾斜角为α，次镜2与三镜3同轴，子午面内中心视场主光线经主镜1反射后，与次镜1、三镜3的公共对称轴线6的夹角为η，孔径光阑4置于三镜3的前焦面处；为实现所需的视场宽度，主镜1采用球面反射镜，次镜2和三镜3采用能够满足成像质量要求的最低次非球面镜，即扁球型二次曲面镜，它们的顶点曲率半径近似满足平像场条件，其中R 1、R 2和R 3分别为主镜1、次镜2和三镜3的顶点曲率半径，系统X方向线视场角为108°。
孔径光阑4置于三镜3的前焦平面上，实现像方远心光路，在本实施例中，主镜1相对于中心视场入射主光线沿X轴倾斜角α为7°，次镜2与三镜3同轴，子午面内中心视场主光线经主镜1反射后，与次镜2和三镜3的公共对称轴线6的夹角η为32.8°。
通过光学设计软件优化设计，得到的系统具体结构参数列于表1。
表1 系统结构参数
| Surface | Radius | Thickness | Glass | Conic | Tilt about X |
| Object | Infinity | Infinity | — | — | — |
| 1 | -180.000 | -315.898 | Mirror | — | 7° |
| 2 | -107.087 | 41.673 | Mirror | 3.654 | — |
| Stop | Infinity | 83.751 | — | — | — |
| 4 | -167.502 | -165.407 | Mirror | 0.063 | — |
| Image | Infinity | — | — | — | — |
选取像面上像高分别为(0,0)、(4,0)、(8,0)、(12,0)和(16,0)五个视场进行成像质量评价，像高单位为mm。
参见附图3，它是本实施例光学系统在像平面处的调制传递函数（MTF）曲线图，横坐标为空间频率，纵坐标为系统调制传递函数值，可见成像质量接近衍射极限，各视场在焦平面等效像素尺寸对应的奈奎斯特频率19.2lp/mm处MTF值均高于0.75。
参见附图4，它是光学系统的像高随视场角的变化曲线，横坐标为物方视场角，纵坐标是系统像高，可知像高和视场角近似满足 f-θ的畸变规律关系，有利于在实际应用中对畸变进行标定。
参见附图5，它是光学系统的Y方向物方畸变规律曲线，横坐标为X方向物方视场角，纵坐标为Y方向物方视场角，曲线一侧的五个点分别为像面上上述五个像高点对应的物方视场角，可知在边缘视场(54°)处，Y向视场偏移量约为1.8°，偏移比例约为1/30，物方畸变控制在很小的范围内。
Claims (4)
1.一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，其特征在于：光学系统包括主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）三块反射镜，孔径光阑（4）和焦平面（5）；主镜（1）相对于中心视场入射主光线沿X轴倾斜，次镜（2）与三镜（3）同轴，孔径光阑（4）置于三镜（3）的前焦面处，实现像方远心光路；来自地面景物的入射光线经主镜（1）反射后，在主镜（1）和次镜（2）之间形成一次实像，次镜（2）和三镜（3）对得到的一次实像中继成像，在焦平面（5）处形成景物像；主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）三块反射镜的光焦度分配依次为正-负-正，它们的顶点曲率半径近似满足平像场条件，其中R 1、R 2和R 3分别为主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）的顶点曲率半径；主镜（1）面型为球面，次镜（2）和三镜（3）面型为扁球型二次曲面。
2.根据权利要求1所述的一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，其特征在于：系统相对孔径为1/4～1/6。
3.根据权利要求1所述的一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，其特征在于：次镜（2）和三镜（3）的回转对称轴重合。
4.根据权利要求1所述的一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统，其特征在于：在主镜（1）和次镜（2）之间形成的一次实像处放置视场光阑和内遮光罩。
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