大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)及其應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感光學系統(tǒng)設計與像質分析技術領域，涉及一種大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)及其應用。
【背景技術】
[0002]為了提高遙感衛(wèi)星的分辨率，國外從20世紀末開始研發(fā)新型光學成像技術，包括空間分塊可展開反射鏡技術、稀疏孔徑成像技術和衍射成像技術。
[0003]空間分塊可展開技術需要主鏡輕量化、嚴格的鏡片面形控制、精確的展開機構和波前傳感與控制機構，這些技術難題致使該技術的可行性降低。稀疏孔徑成像技術由于各子孔徑的同相位的要求，子系統(tǒng)的位置精度需控制在光波長的數量級內。另一方面，分塊可展開成像系統(tǒng)和稀疏孔徑成像系統(tǒng)自身的重量仍然很大，給支撐結構與發(fā)射裝置提出了苛刻的要求，因此研究進展較慢。衍射成像技術為解決高分辨率成像問題提供了一種新思路，它具有可實現大口徑、所用材料面密度極輕、面形控制要求低和生產工藝相對較容易等優(yōu)點。
[0004]傳統(tǒng)光學基于光波的折射和反射原理，利用透鏡、反射鏡和棱鏡等元件進行設計和實現各種光學功能。衍射效應總是導致光學系統(tǒng)的分辨率受到限制，除了光波的色散性質可應用于光譜學之外，傳統(tǒng)光學總是盡量的避免衍射效應造成的不利影響。二元光學則是完全依賴衍射效應實現的，二元光學是衍射光學的一種實現途徑。
[0005]因此，大口徑二元光學成像系統(tǒng)的設計及其成像性能分析是一項有意義的研究內容。通過合理的設計，可計算出二元光學元件的面形參數，以保證二元光學成像系統(tǒng)的可行性。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)及其應用，通過該成像系統(tǒng)進行光學設計，給出了這種成像系統(tǒng)的調制傳遞函數(MTF)及二元光學薄膜元件的加工方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]—種大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)，包括二元光學薄膜主鏡、窄帶濾光片和像面，光輻射由二元光學薄膜主鏡收集并會聚到窄帶濾光片表面，窄帶濾光片的中心不透光區(qū)域遮擋主鏡中心空洞部分的直接透射光，透光區(qū)域對主鏡收集的全部光線進行窄帶濾光，濾光后的光線照射到像面上被CCD接收形成電子圖像數據。
[0009]本發(fā)明的光學系統(tǒng)可用作太空望遠鏡以獲得高分辨率的遙感圖像。
[0010]本發(fā)明的光學系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:
[0011](1) 二元光學主鏡可采用薄膜材料加工，重量非常輕；
[0012](2) 二元光學薄膜主鏡由多個圓形小口徑二元光學薄膜透鏡排列成2圈組成，降低了大口徑二元光學主鏡的加工難度；
[0013](3) 二元光學薄膜主鏡可以在衛(wèi)星發(fā)射過程中保持折疊狀態(tài)，發(fā)射到軌道后再展開成平面，對運載火箭的口徑要求低。
【附圖說明】
[0014]圖1為大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)的光路圖；
[0015]圖2為10m 口徑二元光學薄膜透鏡表面整體面形示意圖；
[0016]圖3為36個圓形孔徑二元光學薄膜透鏡表面面形示意圖；
[0017]圖4為10m口徑二元光學薄膜透鏡的F#與其表面條紋的最小線寬的關系曲線；
[0018]圖5為二元光學薄膜透鏡表面環(huán)帶周期數沿徑向的分布曲線；
[0019]圖6為窄帶濾光片的結構圖；
[0020]圖7為10m 口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)的MTF曲線。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明提供的大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)由同光軸設置的二元光學薄膜主鏡1、窄帶濾光片2和像面3構成，光輻射由二元光學薄膜主鏡1收集并會聚到窄帶濾光片2表面，窄帶濾光片2的中心不透光區(qū)域可遮擋主鏡中心空洞部分的直接透射光，同時窄帶濾光片2的透光區(qū)域對主鏡收集的全部光線進行窄帶濾光，濾光后的光線照射到像面3上被(XD接收形成電子圖像數據。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明中所述大口徑二元光學薄膜主鏡成像系統(tǒng)的口徑為10m，焦距為130m，全視場為7.2”，工作波段長為600nm，整個成像系統(tǒng)總長為130m。
[0024]為了保證二元光學薄膜主鏡1的加工可行性，單個二元光學薄膜透鏡的口徑不能超過1.5m。如圖1所示，所述二元光學薄膜主鏡1由36個圓形孔徑二元光學薄膜透鏡排列成2圈組成，內圈二元光學薄膜透鏡的口徑為lm，外圈二元光學薄膜透鏡的口徑為1.5m，主鏡中間的空隙區(qū)域的直徑(即內圈二元光學薄膜透鏡組的內切圓的直徑)為5m，外圈二元光學薄膜透鏡組的外切圓直徑為10m。
[0025]圖2所示為10m 口徑二元光學薄膜透鏡整體表面面形示意圖。所述二元光學薄膜主鏡1的36個圓形孔徑二元光學薄膜透鏡是從圖2所示的10m 口徑二元光學薄膜透鏡表面上截取的36個圓形區(qū)域，圖3所示為截取36個圓形區(qū)域后的36個圓形孔徑二元光學薄膜透鏡表面面形示意圖，所以二元光學薄膜透鏡的表面面形與10m 口徑二元光學薄膜透鏡相應部位的表面面形完全一致。此外，由于圖2所示的10m 口徑二元光學薄膜透鏡表面面形為旋轉對稱的條紋結構，所以，外圈的18個1.5m 口徑的二元光學薄膜透鏡的表面面形完全一致，內圈的18個lm 口徑的二元光學薄膜透鏡的表面面形也完全一致。所以，二元光學薄膜主鏡1的加工難度大幅降低，只需做出內圈、外圈二元光學薄膜透鏡的模板各一個，然后復制出內圈、外圈二元光學薄膜透鏡各18個即可。
[0026]圖4所示為10m 口徑二元光學薄膜透鏡的F#(焦距與口徑的比值)與其表面條紋的最小線寬的關系曲線?？梢钥闯?，當F#為13時，薄膜二元光學透鏡最小線寬為16μπι，若采用8臺階量化，則最小線寬為變?yōu)? μm，符合現有的加工技術，所以，本發(fā)明所述成像系統(tǒng)的F#