大口径长焦距连续扫描成像光学系统的制作方法
【专利摘要】大口径长焦距连续扫描成像光学系统，属于遥感光学系统设计与像质分析【技术领域】。所述光学系统包括以下部分：扫描镜（1）、主镜（2）、次镜（3）、第一平面反射镜（4）、三镜（5）、第二平面反射镜（6）和像面（7），地面辐射的可见光经过扫描镜（1）收集并反射到主镜（2）表面、主镜（2）将光线会聚到次镜（3）表面，次镜（3）将光线稍作发散后投射到第一平面反射镜（4）表面，第一平面反射镜（4）将光路旋转90o后投射到三镜（3）表面，三镜（3）将光线会聚到第二反射镜（6）表面，第二反射镜（6）将光学反射到像面（7），供CCD器件接收。本发明的光学系统能够在地球静止轨道上实现大范围的高分辨率成像功能。
【专利说明】大口径长焦距连续扫描成像光学系统
【技术领域】
[0001]本发明属于遥感光学系统设计与像质分析【技术领域】，涉及一种大口径长焦距连续扫描成像光学系统。
【背景技术】
[0002]为了实现高分辨率，在地球静止轨道上工作的遥感系统通常装备大口径光学系统。地球静止轨道上的遥感光学系统与地面观测点相对静止，所以光学系统的观察范围也固定不动。而且2m 口径的光学系统的视场很小，所以观察范围也很小。
[0003]扫描成像技术可使地球静止轨道上的高分辨率遥感光系统获得更大的观测范围。扫描镜摆动时可使地光学系统获得更大的观测范围。但由于扫描镜的体积大，转动惯量也很大，只能保持匀速转动状态才能稳定工作，但在扫描镜转动时像点一直在移动，所以，在CCD曝光时间内会出现像点混叠。因此，扫描成像光学系统的调制传递函数将变差。如何确定合理的扫描速度是确保大口径长焦距连续扫描成像光学系统获得良好成像质量的核心问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种大口径长焦机连续扫描成像光学系统，该系统能够在地球静止轨道上实现大范围的高分辨率成像功能。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种大口径长焦距连续扫描成像光学系统，包括以下部分:扫描镜、主镜、次镜、第一平面反射镜、三镜、第二平面反射镜和像面，地面辐射的可见光经过与光轴夹角为45°的扫描镜收集并反射到主镜表面、主镜将光线会聚到次镜表面，次镜将光线稍作发散后投射到第一平面反射镜表面，第一平面反射镜与光轴夹角为45°，可将光路旋转90°后投射到三镜表面，三镜将光线会聚到与光轴夹角为10°的第二反射镜表面，第二反射镜将光学反射到像面，供CCD器件接收。
[0006]扫描镜以与光轴夹角45°的静态位置为基准往复转动，可实现对地面连续扫描成像。扫描镜的最大转动范围不超过±10°，即扫描镜的与光轴的夹角变化范围为35°飞5°之间。
[0007]光学系统的口径为2m，焦距为20m，静态视场为L 4°Χ0.1°，工作波段为可见光或红外波段，可实现880kmX63km的地面观测范围。
[0008]扫描镜为长2.85m、宽2m的长方形平面反射镜。扫描镜的转轴垂直于纸面并穿过中心O点。扫描镜绕转轴一维匀速转动实现扫描。采用动态光学传递函数分析方法可以得出，在曝光时间范围0.5^1.5ms，扫描镜的旋转角度应小于7 X 10_6°，才能保证MTF值下降小于 20%ο
[0009]主镜为口径为2m的圆形轮廓凹非球面反射镜，中心有半径为0.1m的圆孔。主镜的曲率半径为5634.92mm,圆锥系数为-0.9732，顶点与扫描镜中心相距2305mm。[0010]次镜为口径为0.46m的圆形轮廓凸非球面反射镜。次镜的曲率半径为1331.82mm,圆锥系数为-1.8967，其顶点与主镜顶点相距3110.71mm。
[0011]第一平面反射镜的轮廓为长600mm、宽180mm的矩形，其中心与次镜顶点相距3110.71mm，其作用是折转光路，缩短光学系统的长度。
[0012]三镜为长0.Sm、宽0.44m的方形轮廓凹非球面反射镜。三镜的曲率半径为3048.23mm,圆锥系数为-3.1563，其顶点与第一平面反射镜中心相距1278.18mm。
[0013]第二平面反射镜的轮廓为长310mm、宽180mm的矩形，其中心与三镜顶点相距1400.20mm，其作用是折转光路，缩短光学系统的长度。
[0014]沿转轴方向上，视场为1.7° ;在摆动方向上，视场为0.1°。
[0015]像面区域为长0.5m、宽0.1m的矩形。CXD器件选择线阵CXD拼接。本发明采用工作波段为可见光波段，像元尺寸为10 μ m的线阵CCD—维拼接成0.5m的探测长度。利用扫描镜的转动，可获得较大的观测范围。
[0016]本发明采用动态光学传递函数分析方法研究了连续扫描成像光学系统成像性能，给出了连续扫描镜的扫描镜的合理旋转角速度以及扫描镜的驱动方式。本发明涉及的光学系统的口径为2m，焦距为20m，当采用像元尺寸为10 μ m的CXD时，可在地球静止轨道上实现16.2m的地面观测分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统原理图。
[0018]图2为曝光时间为0.5ms时，扫描镜在不同旋转角速度下的MTF曲线。
[0019]图3为曝光时间为Ims时，扫描镜在不同旋转角速度下的MTF曲线。
[0020]图4为曝光时间为1.5ms时，扫描镜在不同旋转角速度下的MTF曲线。
[0021]图5为扫描镜驱动原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0023]如图1所示，本发明提供的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，包括以下部分:扫描镜1、主镜2、次镜3、第一平面反射镜4、三镜5、第二平面反射镜6和像面7。地面辐射的可见光经过与光轴夹角为45°的扫描镜I收集并反射到主镜2表面、主镜2将光线会聚到次镜3表面，次镜3将光线稍作发散后投射到第一平面反射镜4表面，第一平面反射镜4与光轴夹角为45°，可将光路旋转90°后投射到三镜5表面，三镜5将光线会聚到与光轴夹角为10°的第二反射镜表面6，第二反射镜6将光学反射到像面7，供CXD器件接收。
[0024]扫描镜以与光轴夹角45°的静态位置为基准往复转动，可实现对地面连续扫描成像。扫描镜的最大转动范围不超过±10°，即扫描镜的与光轴的夹角变化范围为35°飞5°之间。
[0025]光学系统的口径为2m，焦距为20m，属于大口径、长焦距光学系统，主镜2的口径为2m，需要保证足够的加工精度。主镜2面形的检测可采用补偿法，用动态干涉仪检测。[0026]如图1所示，光路必须严格按照原理图的结构与位置参数搭建。由于光学系统的长度为3.7m，必须设置足够稳定的支撑结构。
[0027]如图1所示，光学系统的长度大，焦距长，系统焦距的检测可采用放大率法。但检测环境必须保持恒温，且隔离振动，对实验条件要求很苛刻。
[0028]如图1所示，光学系统的口径大，光学系统静态MTF的检测也是难点。可采用2m口径的平行光管进行检测。若没有2m 口径的平行光管，可采用口径为0.5?Im之间的小口径平行光管测量光学系统口径的各个局部区域，然后对数据进行处理，计算出MTF的结果。
[0029]本发明中，光学系统的工作波段可以为可见光或红外波段。当工作波段确定后，就要根据波段选择相应的光电探测器，通常选择CCD。CCD可以选择线阵的，也可以选择面阵的，但面阵CCD的成本较高。选择好CCD后，将CCD按照品字结构拼成能够覆盖0.5m长度的探测器组合。
[0030]光学系统工作与地球静止轨道，在不同的时刻，地面辐照度是不同的。在观测北纬23°的地面区域时，可以计算出8:00、12:00、16:00三个时刻的地面辐照度，从而计算出积分时间为0.5?1.5msο
[0031]如图2-4所示，采用动态传递函数分析方法得出的积分时间为0.5ms、lms、l.5ms时，扫描镜在不同旋转角速度下的MTF曲线。扫描镜的旋转角度应小于7 X 10_6°，才能保证MTF值下降小于20%。而7 X 10_6°的角速度过小，无法采用电动机轴承实现。
[0032]如图5所示，扫描镜I的端点运动速度为0.1728 μ m/ms,在Ims内的位移量仅为
0.1728 μ m。可采用在扫描镜I的两个端点安装压电陶瓷电动机，两电动机按照相反的方向推到扫描镜，使扫描镜I在Ims内移动0.1728 μ m。
【权利要求】
1.大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述光学系统包括以下部分:扫描镜(I)、主镜(2)、次镜(3)、第一平面反射镜(4)、三镜(5)、第二平面反射镜(6)和像面(7)，地面辐射的可见光经过扫描镜(I)收集并反射到主镜(2)表面、主镜(2)将光线会聚到次镜(3)表面，次镜(3)将光线投射到第一平面反射镜(4)表面，第一平面反射镜(4)将光路旋转90°后投射到三镜(5)表面，三镜(5)将光线会聚到第二反射镜表面(6)，第二反射镜(6)将光线反射到像面(7)，供CXD器件接收。
2.根据权利要求1所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述扫描镜(I)以与光轴夹角45°的静态位置为基准往复转动，实现对地面连续扫描成像，扫描镜(O与光轴的夹角变化范围为35飞5°之间；第一平面反射镜(4)与光轴夹角为45° ;第二反射镜表面(6)与光轴夹角为10°。
3.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述扫描镜(I)为长2.85m、宽2m的长方形平面反射镜。
4.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于在曝光时间范围0.5-1.5ms，扫描镜(I)的旋转角度小于7X10_6°。
5.根据权利要求1所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述主镜(2)为口径为2m的圆形轮廓凹非球面反射镜，中心有半径为0.1m的圆孔。
6.根据权利要求1所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述次镜(3)为口径为0.46m的圆形轮廓凸非球面反射镜。
7.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述第一平面反射镜(4)的轮廓为长600mm、宽180mm的矩形。
8.根据权利要求1所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述三镜(5)为长0.8m、宽0.44m的方形轮廓凹非球面反射镜。
9.根据权利要求1或2所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述第二平面反射镜(6)的轮廓为长310_、宽180mm的矩形。
10.根据权利要求1所述的大口径长焦距连续扫描成像光学系统，其特征在于所述像面(7)区域为长0.5m、宽0.1m的矩形。
【文档编号】G02B26/10GK103760668SQ201410059422
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】任智斌, 马驰, 金传广, 刘月 申请人:哈尔滨工业大学