自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明所述的系統(tǒng)包括第一反射鏡，第二反射鏡，第三反射鏡，第四反射鏡和孔徑光闌，以及探測(cè)器，目標(biāo)經(jīng)過所述第一反射鏡反射后照射到第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡反射后照射到第三反射鏡，經(jīng)過第三反射鏡反射后照射到第四反射鏡，最后由第四反射鏡反射后照射到探測(cè)器像面；所述孔徑光闌與第三反射鏡位置重合；所述第一反射鏡是光焦度為負(fù)的長(zhǎng)條形球面反射鏡，第二反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡，第三反射鏡是光焦度為負(fù)的自由曲面反射鏡，第四反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡。采用這種光學(xué)系統(tǒng)的相機(jī)，視場(chǎng)超大、畸變小，可以實(shí)現(xiàn)多光譜成像。可應(yīng)用在航空、航天光電成像領(lǐng)域。
【專利說明】自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及空間光學(xué)中的一種自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明是以多光譜線陣光電探測(cè)器作為成像接收器的自由曲面、超大視場(chǎng)、全反射式、多光譜成像空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，在航空及航天空間對(duì)地偵察、遙感、探測(cè)等領(lǐng)域獲得高清晰度照片，可廣泛應(yīng)用于民用、國(guó)防、軍工等領(lǐng)域。
[0003]目前采用的離軸三反射式光學(xué)系統(tǒng)的相機(jī)，視場(chǎng)容限有限，目前國(guó)內(nèi)最大的離軸三反射式光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)為17°。另外現(xiàn)有的離軸反射式系統(tǒng)成像畸變過大，系統(tǒng)所成圖像變形嚴(yán)重，影響空間相機(jī)的使用范圍。
[0004]發(fā)明人在2012年獲得的發(fā)明專利超大視場(chǎng)偏軸全反射式光學(xué)系統(tǒng)(專利號(hào)201010613570.X)中采用了四塊球面反射鏡進(jìn)行成像，只能適用于短焦距的大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)中，焦距一般小于100mm。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，，該系統(tǒng)適用于焦距IOOOmm左右的光學(xué)系統(tǒng)，使得成像視場(chǎng)更大，像質(zhì)更優(yōu)異，同時(shí)系統(tǒng)的成像畸變低，適合于多光譜探測(cè)器的自由曲面全反射式光學(xué)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，包括:
[0008]第一反射鏡，第二反射鏡，第三反射鏡，第四反射鏡和孔徑光闌，以及探測(cè)器，目標(biāo)經(jīng)過所述第一反射鏡反射后照射到第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡反射后照射到第三反射鏡，經(jīng)過第三反射鏡反射后照射到第四反射鏡，最后由第四反射鏡反射后照射到探測(cè)器像面；所述孔徑光闌與第三反射鏡位置重合；所述第一反射鏡是光焦度為負(fù)的長(zhǎng)條形球面反射鏡，第二反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡，第三反射鏡是光焦度為負(fù)的自由曲面反射鏡，第四反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超大視場(chǎng)成像，視場(chǎng)角達(dá)到76°。系統(tǒng)布局緊湊，為光電系統(tǒng)的小型化提供可能。各反射鏡之間間距設(shè)計(jì)合理，可以很好的抑制雜光。系統(tǒng)采用準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)成像畸變小，使得多光譜窄帶濾光片帶來(lái)的波帶漂移減小。本發(fā)明為多光譜列陣探測(cè)器設(shè)計(jì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)和近紅外譜段成像。系統(tǒng)在Y方向的視場(chǎng)容限足夠大，可以允許進(jìn)行多光譜探測(cè)器拼接來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)的成像幅寬。因此，系統(tǒng)特別適合作為小衛(wèi)星上用的大視場(chǎng)多光譜相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)。應(yīng)用領(lǐng)域包括空間偵察、空間觀測(cè)等。
【專利附圖】

【附圖說明】[0010]圖1為本發(fā)明自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明采用的坐標(biāo)系示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)中反射鏡位置關(guān)系示意圖。
[0013]圖中:1、第一反射鏡，2、第二反射鏡，3、第三反射鏡，4、第四反射鏡，5、孔徑光闌，6、多光譜列陣探測(cè)元件，7、多光譜列陣探測(cè)元件像面
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:光學(xué)系統(tǒng)采用全反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，采用四塊反射鏡，反射鏡I光焦度為負(fù)，反射鏡2、3、4為自由曲面，四塊反射鏡的光軸與系統(tǒng)光軸均不重合，每反射一次系統(tǒng)光軸就偏折一次。
[0016]具體的本發(fā)明所述的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)是由第一反射鏡1，第二反射鏡2，第三反射鏡3，第四反射鏡4和孔徑光闌5，以及多光譜列陣探測(cè)元件6組成。
[0017]本光學(xué)系統(tǒng)按XYZ右手空間坐標(biāo)系有序排列，Z軸方向定為光軸方向，Y軸在圖不2平面內(nèi)，X軸垂直于YZ平面，YZ坐標(biāo)平面為光學(xué)系統(tǒng)的子午面，每經(jīng)過一塊反射鏡系統(tǒng)光軸發(fā)生一次偏折，反射鏡及光闌的排列順序?yàn)?第一反射鏡1，第二反射鏡2，第三反射鏡3，孔徑光闌5與第三反射鏡3重合，第四反射鏡4和多光譜列陣探測(cè)元件像面7。
[0018]第一反射鏡I是一塊光焦度為負(fù)的長(zhǎng)條形球面反射鏡，第二反射鏡2是一塊光焦度為正的自由曲面反射鏡，第 三反射鏡8是一塊光焦度為負(fù)的自由曲面反射鏡，第四反射鏡4是一塊光焦度為正的自由曲面反射鏡。
[0019]第一反射鏡I和第二反射鏡2的反射面相對(duì)安排,第二反射鏡2和第三反射鏡3的反射面相對(duì)安排，第三反射鏡3和第四反射鏡4的反射面相對(duì)安排，第四反射鏡4與多光譜列陣探測(cè)元件像面7相對(duì)安排；四塊反射鏡的中心間隔按照1.4:1:1的比例安排；四塊反射鏡的中心都在YZ平面上(X坐標(biāo)均為零)，但與傳統(tǒng)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)(TMA)系統(tǒng)不同，各反射鏡中心不在同一線上，即同面不同線。孔徑光闌5和第三反射鏡3的位置重合。各反射鏡在Y方向的具體位置由鏡面與光軸的夾角和反射鏡中心間隔決定，見圖3。相互之間的關(guān)系如公式(I)。
[0020]Y12 = S12 ? tan2 a(I)
[0021]其中，Y12為第二反射鏡2在Y方向的坐標(biāo)，第一反射鏡與光軸的焦點(diǎn)為原點(diǎn)；S12為第一反射鏡和第二反射鏡的中心間隔；a為光軸與第一反射鏡法線的夾角。
[0022]為了使超大視場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)能清晰成像在多光譜列陣探測(cè)元件像面7上，采用了自由曲面全反射式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第一反射鏡I的光焦度為負(fù)，第二反射鏡2的光焦度為正，無(wú)窮遠(yuǎn)的目標(biāo)經(jīng)過第一反射鏡I后照射到第二反射鏡2，經(jīng)過第二反射鏡2后照射到第三反射鏡3，經(jīng)過第三反射鏡3反射到第四反射鏡4，最后由第四反射鏡反射到多光譜列陣探測(cè)元件7上，得到最后的像。
[0023]本發(fā)明通過合理分配四塊反射鏡的光焦度，采用負(fù)-正-負(fù)-正的光焦度分配方案，同時(shí)第二反射鏡2、第三反射鏡3、第四反射鏡4均采用Zernike式自由曲面，其中第二反射鏡和第四反射鏡采用41項(xiàng)自由曲面面形優(yōu)化項(xiàng)，第三反射鏡采用25項(xiàng)自由曲面優(yōu)化項(xiàng)。Zernike式自由曲面表征函數(shù)見公式(2)。
[0024]
【權(quán)利要求】
1.自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，包括:第一反射鏡，第二反射鏡，第三反射鏡，第四反射鏡和孔徑光闌，以及探測(cè)器，其特征在于:目標(biāo)經(jīng)過所述第一反射鏡反射后照射到第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡反射后照射到第三反射鏡，經(jīng)過第三反射鏡反射后照射到第四反射鏡，最后由第四反射鏡反射后照射到探測(cè)器像面；所述孔徑光闌與第三反射鏡位置重合；所述第一反射鏡是光焦度為負(fù)的長(zhǎng)條形球面反射鏡，第二反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡，第三反射鏡是光焦度為負(fù)的自由曲面反射鏡，第四反射鏡是光焦度為正的自由曲面反射鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡和第二反射鏡中心距離、第二反射鏡和第三反射鏡的中心距離、第三反射鏡和第四反射鏡的中心距離的比例為1.4:1:1。
3.如權(quán)利要求1所述的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡的中心、第二反射鏡的中心、第三反射鏡的中心、第四反射鏡的中心，各反射鏡的中心在同一平面上，但是不在同一直線上。
4.如權(quán)利要求1所述的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第二反射鏡的自由曲面、第三反射鏡的自由曲面、第四反射鏡的自由曲面滿足如下的澤尼克公式
5.如權(quán)利要求1所述的自由`曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)器為多光譜列陣探測(cè)元件。
6.如權(quán)利要求1所述的自由曲面成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡的材質(zhì)、第二反射鏡的材質(zhì)、第三反射鏡的材質(zhì)、第四反射鏡的材質(zhì)為SiC或微晶材料。
【文檔編號(hào)】G02B17/06GK103592749SQ201310498453
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】張新, 王靈杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所