专利名称：多望远镜型光学合成孔径成像系统及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，以及基于此方法 设计成型的系统。
背景技术：
根据物理光学理论，在系统工作波长一定的情况下，要提高光学系统的空间分辨 率，必须增大系统的通光口径。在实际应用中，大型或超大型的光学系统口径的增大受到材 料、工艺水平、装配、有效载荷舱体积和成本等诸多因素的限制，在现有技术条件下是很难 实现甚至不可能实现。并且对于空间光学系统，口径的增大势必带来发射的困难，复杂的空 间环境也可能导致大口径光学镜面的变形而不能达到正常的工作性能，最终导致系统可能 无法达到正常的工作性能。为了突破系统口径的限制，获得更高的空间分辨率，并且降低系 统的重量，光学合成孔径成像理论得以提出。为了解决传统单个大口径光学系统所带来的种种技术难题，欧美科学家较早的提 出了光学合成孔径成像技术。光学合成孔径成像系统是以组合孔径法为基本原理的成像 系统。它是把多个小口径的光学元件或光学系统按照一定的方式在空间上进行排列，通过 各子孔径的光束经过位相补偿和调整后相干叠加到共同的焦平面上，使系统的空间分辨率 和成像质量等效为一个更大口径的光学成像系统。各子孔径所产生的像场必需是同位相叠 加，这样它们之间才能在艾里斑的中心相互增强并使艾里斑变窄，从而达到提高分辨率的 作用。小孔径系统的使用，降低了系统加工和制造难度，整个系统的体积和重量也大大降 低。多个结构相同的小孔径系统还可实现模块化生产和检测，大幅降低研制成本。光学合成孔径成像系统有共用次镜型和多望远镜型两种理论结构型式。共用次 镜结构，又名拼接主镜技术，是将单大口径系统的主镜分为多个小块，每个小块的面型与主 镜相同，是主镜的一部分，将各部件按其在大口径系统中的位置进行排布，次镜将来自各小 块的光线汇聚至像面成像。共用次镜结构可以认为是多个带有不同离轴量的光学系统的组 合，现在单大口径系统的设计主要采用的就是这种结构。共用次镜结构的设计可以在传统单口径系统的主镜上加入不同的孔径光阑实现， 其设计方法与传统单孔径系统的设计方法相同。多望远镜结构主要考虑由多个结构相同的无焦系统、光束合成镜和光学延迟线三 部分组合实现的，多个无焦子望远镜收集来自物面的入射光束，光束合成镜作为第二级光 学系统收集来自各无焦子望远镜的光束，并将其成像于像面上，光学延迟线则作为无焦子 望远镜和光束合成镜的连接部，将无焦子望远镜的出射光束送入光束合成镜进行光束合 成。该结构中无焦子望远镜可以实现批量化生产，以降低成本；光束合成镜口径较小，在设 计和加工等方面难度不大；无焦子望远镜和光束合成镜间的光学延迟线可用于调整各子镜 间的相位差，给装调带来方便。多望远镜型光学合成孔径成像技术与传统单孔径光学成像技术的差异导致其在 设计方法上和性能评价上的差异。
在性能评价方面，调制传递函数(MTF)和斯特列尔值(Strehl Ratio, SR)是评价 合成孔径成像系统成像性能和设计优劣的重要指标。根据瑞利判据，良好的设计结果其MTF 应接近衍射极限，SR高于0.8。目前，还没有出现规范的设计方法作为标准化操作流程，以建立满足系统指标的 合成孔径成像系统。某些简单的合成孔径成像系统的实践，仍然难以达到期望的系统指标。合成孔径成像系统的设计是合成孔径成像技术工程化应用的先决条件，是合成孔 径成像技术研究的关键技术之一。
发明内容
本发明旨在提供一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，以解决传统 单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到 期望的系统指标的问题。该多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法设要求的系统指标为工作波段 入1 λ 2，系统口径D，系统焦距f，系统全视场角2ω ；该光学合成孔径成像系统的设计方 法包括以下步骤(1)根据要求的系统指标确定无焦子望远镜和光束合成镜各自的性能指标，其中， 无焦子望远镜全视场角即系统全视场角2ω ；(1. 1)根据系统指标选择合适的孔径排布、填充因子F和无焦子望远镜数N ；(1. 根据填充因子F和无焦子望远镜数N确定无焦子望远镜口径d，d = J5·/);
权利要求
1.一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，设要求的系统指标为工作波段 入1 λ 2，系统口径D，系统焦距f，系统全视场角2ω ；该光学合成孔径成像系统的设计方 法包括以下步骤(1)根据要求的系统指标确定无焦子望远镜和光束合成镜各自的性能指标，其中，无焦 子望远镜全视场角即系统全视场角2ω ；(1. 1)根据系统指标选择合适的孔径排布、填充因子F和无焦子望远镜数N ；(1.2)根据填充因子F和无焦子望远镜数N确定无焦子望远镜口径d，d = J5·/);、N(1. 3)根据系统口径D和系统焦距f选择无焦子望远镜放大率m ；(1.4)根据系统口径D和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜的入瞳直径D。，Dc =D/m；根据系统焦距f和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜焦距f。，fc = f/m ；(1. 5)根据无焦子望远镜全视场角2 ω和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜全视 场角 ωc，ω。= 2mω ；(2)根据以上技术指标分别对无焦子望远镜和光束合成镜单独进行设计，无焦子望远 镜的设计达到衍射极限，光束合成镜保留部分像差以抵消无焦系统的残余像差；(3)将无焦子望远镜、光束合成镜和光学延迟线按照步骤(1.1)设定的孔径排布进行 排布，使无焦子望远镜的出瞳与光束合成镜的入瞳重合；(4)对系统整体进行整体优化，使之达到要求的系统指标；若多次优化后，系统仍不能 达到要求的系统指标，则返回步骤(1)，修改无焦子望远镜和光束合成镜技术指标，其中，无 焦子望远镜放大率m作为此时的主要修改参数，然后继续之后步骤直至达到要求的系统指 标。
2.根据权利要求1所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在 于所述无焦子望远镜放大率m的取值范围为5 20。
3.根据权利要求2所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在 于所述光束合成镜是通过保留一部分场曲和畸变，以抵消无焦系统的残余像差。
4.根据权利要求3所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在 于所述光学延迟线采用多个平面反射镜或棱镜。
5.按照权利要求1所述设计方法建立的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征 在于该光学合成孔径成像系统由光束合成镜和在系统入瞳面上以中心对称型式排布的结 构相同的三个无焦子望远镜以及分别对应于各无焦子望远镜的光学延迟线组成，三个无焦 子望远镜出瞳的共同的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径均满足无焦子望远镜放大率；其 中，每一个无焦子望远镜均包括沿光入射方向依次设置的RC系统和用以形成平行出射光 的折射系统，所述RC系统的像面位于RC系统的主镜之后，所述RC系统与所述折射系统共 焦；光学延迟线设置于相应的折射系统平行出射光光路上，由两个平面反射镜组成；所述 光束合成镜也为旋转对称系统。
6.根据权利要求5所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于所述RC 系统与折射系统之间还设置有一个用于匹配校正RC系统与折射系统的调试透镜。
7.根据权利要求6所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于所述调试透镜为近似于平板透镜的负透镜。
8.根据权利要求7所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于所述光 束合成镜的最后一个透镜为双胶合结构。
全文摘要
本发明旨在提供一种多望远镜型光学合成孔径成像系统及其设计方法，以解决传统单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到期望的系统指标的问题。设计得到的三子镜折反式光学合成孔径成像系统由光束合成镜和在系统入瞳面上以中心对称型式排布的结构相同的三个无焦子望远镜以及分别对应于各无焦子望远镜的光学延迟线组成，三个无焦子望远镜出瞳的共同的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径均满足无焦子望远镜放大率；光学延迟线设置于相应的折射系统平行出射光光路上，由两个平面反射镜组成；所述光束合成镜也为旋转对称系统。本发明系统结构紧凑，布局合理，为实现合成孔径成像技术工程化应用奠定了基础。
文档编号G02B27/58GK102073147SQ20101060466
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者杨建峰, 梁士通, 薛彬, 阮萍 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所