大视场同离轴一体三反式空间光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天航空光学技术领域，具体涉及一种大视场同离轴一体三反式空间光学系统。
【背景技术】
[0002]在航天航空以及即将开发的临近空间光学遥感器领域中，对空间光学相机高分辨力和大视场成像的要求不断提高，一般需要较长焦距、较大视场的反射式光学系统，其相对于传统的透射式相机光学系统而言具有谱段宽、结构简单、体积小与重量轻的优点，且反射系统不产生色差，反射式光学系统将成为今后航空航天相机、以至即将开发的临近空间相机的发展方向。
[0003]此类空间光学相机到目前为止，国内外多采用两种形式的三反射式光学系统(TMA)，同轴三反光学系统和离轴三反光学系统。普通的同轴三反光学系统孔径光阑位于主镜上，具有中间像面和实出瞳，成像视场一般都较小，同时不可避免地存在着较大的遮拦，因而设计时为获得高传递函数值(MTF)和在红外波段的探测能力，需要适当减小F数，增加反射镜尺寸，但同时加工和检测的难度将随之增加，设计视场也会随之减少；离轴三反光学系统中不存在遮拦，孔径光阑位于主镜上的离轴三反光学系统的视场约为同轴三反光学系统的两倍，但大口径离轴反射镜的加工、检测和系统的装调难度较大。
[0004]与本发明较为接近的已有技术是Korsch, D.Anastigmatic three-mirrortelescope, Appl.0pt.16#8 (1977)和 Cook, L.G.Three-mirror anastigmat used off-axisin aperture and field, Proc SPIE 183, 207-211 (1979).文中所示的光学系统。Korsch, D文中所述光学系统的视场只能达到1°?2° ;Cook, L.G.文中所述光学系统的视场可达到2°?4°。上述两种光学系统均具有中间像面和实出瞳，都可通过加入平面反射镜对光路进行合理的折叠，以保证实出瞳在杂散光抑制中的可用性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是在保证空间光学相机小体积(0AL = 0.22?0.25f)的条件下，使空间光学相机同时具备高分辨率观测和大视场(4°?6° )成像能力，实现普查、详查一体化；使空间光学相机成本降低，易于装调，并具有较高的传递函数(MTF)值，以便在航天、航空以及临近空间应用，本发明提供了一种大视场同离轴一体三反式空间光学系统。
[0006]本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0007]本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统，整个光学系统按照光路设计的右手空间坐标系有序排列，z轴方向为整个光学系统的光轴方向，yoz平面为整个光学系统的子午面，XOZ平面为整个光学系统的弧矢面，yoz平面和XOZ平面相互垂直，且yoz平面和xoz平面都垂直于z轴；中部视场外，入射光线在xoz平面内投影斜率为正的视场为左视场，入射光线在xoz平面内投影斜率为负的视场为右视场，左视场和右视场相对于yoz平面对称；
[0008]整个光学系统包括中部视场的小F数同轴三反光学系统、左视场的大F数离轴三反光学系统和右视场的大F数离轴三反光学系统；
[0009]中部视场的小F数同轴三反光学系统由主镜、次镜、中部孔径光阑、中部矩形通光孔、中部第一折叠镜、中部第三镜、中部第二折叠镜和中部焦平面组成；所述中部矩形通光孔设置在主镜中部上侧，所述中部孔径光阑位于主镜上，所述中部第三镜与经中部第一折叠镜折转后的光线光轴同轴，所述主镜、次镜、中部第一折叠镜、中部第三镜、中部第二折叠镜的镜面中心都在yoz平面上；中部视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由中部矩形通光孔出射，出射光线再依次经中部第一折叠镜折转、中部第三镜、中部第二折叠镜折转后成像在中部焦平面上；
[0010]左视场的大F数离轴三反光学系统由主镜、次镜、左部矩形通光孔、左部折叠镜、左部第三镜、左部孔径光阑和左部焦平面组成；所述左部矩形通光孔设置在主镜中部左下侦牝所述左部孔径光阑位于左视场的大F数离轴三反光学系统的出射光瞳处；左视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由左部矩形通光孔出射，出射光线再依次经左部折叠镜折转、左部第三镜、左部孔径光阑后成像在左部焦平面上；
[0011]右视场的大F数离轴三反光学系统由主镜、次镜、右部矩形通光孔、右部折叠镜、右部第三镜、右部孔径光阑和右部焦平面组成；所述右部矩形通光孔设置在主镜中部右下侦牝所述右部孔径光阑位于右视场的大F数离轴三反光学系统的出射光瞳处；右视场的物体光线依次经主镜反射、次镜反射后由右部矩形通光孔出射，出射光线再依次经右部折叠镜折转、右部第三镜、右部孔径光阑后成像在右部焦平面上；
[0012]中部视场的小F数同轴三反光学系统、左视场的大F数离轴三反光学系统和右视场的大F数离轴三反光学系统共用主镜和次镜，所述主镜和次镜与整个光学系统的光轴共轴。
[0013]本发明的有益效果是:
[0014]1、本发明将二次成像的小F数同轴三反光学系统和两个大F数离轴三反光学系统相结合，为获得大视场，将带状视场分为中部、左部、右部三个部分，并分别采用不同的第三镜进行成像。小F数同轴三反光学系统对中部带状视场进行成像，具有传递函数高、成像质量好、分辨率高的特点，同时具有红外观测能力；而两个大F数离轴三反光学系统分别对左右带状视场进行成像，易于校正轴外像差。在保证对中部视场高分辨率观测的同时实现大视场成像，本发明的整个光学系统的全视场均具有较高的传递函数(MTF)。
[0015]2、本发明的整个光学系统成像视场可达4°?6°，是相近体积同轴三反光学系统成像视场的4倍。通过实践证明，本发明在4°?6°的成像视场范围内，整个光学系统长度可以达到焦距的0.22?0.25倍，使得空间光学相机在获得大视场的同时，结构紧凑、体积小且重量轻，同时本发明可同时实现普查、详查观测，可在可见和红外波段对目标进行观测。
[0016]3、本发明相对于单一同轴三反光学系统，解决了空间光学相机高分辨率与大视场及轻小体积的矛盾；本发明通过共用主镜和次镜，与三套独立的光学系统相比，可以有效节约两套主次镜的加工、制造和检测成本，简化装调过程，加工装调成本大幅降低，为新一代高分辨率、大视场、轻小体积空间光学相机的光学系统设计提供了新的方案。
[0017]4、本发明的整个光学系统中，小F数同轴三反光学系统和两个大F数离轴三反光学系统都具有中间像面和实出瞳，可以设计视场光阑和里奥光阑以更好的抑制杂光，提高成像质量，并可设计后续系统与出瞳承接完成不同的观测任务。
[0018]5、本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统，特别适合于高分辨率、宽覆盖、大视场、轻型的空间光学相机镜头，可以广泛应用于航天航空以及临近空间成像、侦察和观测。
【附图说明】
[0019]图1为中部视场的小F数同轴三反光学系统的结构示意图。
[0020]图2为中部视场的小F数同轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0021]图3为中部视场的小F数同轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0022]图4为左视场的大F数离轴三反光学系统的结构示意图。
[0023]图5为左视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0024]图6为左视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0025]图7为右视场的大F数离轴三反光学系统的结构示意图。
[0026]图8为右视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0027]图9为右视场的大F数离轴三反光学系统的三维结构示意图。
[0028]图10为本发明的大视场同离轴一体三反式空间光学系统的结构示意图。
[0029]图11为本发明的大视场