专利名称：同轴四反超低畸变光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及ー种适用于星载空间对地的超低畸变高精度立体测绘成像光学系统，特别是涉及一种同轴四反超低畸变光学系统。
背景技术：
随着空间光学遥感技术的不断发展，对于测绘相机的光学系统要求也日益严格。测绘卫星主要任务是携带满足立体摄影要求的成像传感器对地球表面进行立体摄影，获取地物的多维图像数据，利用测绘处理技术对图像数据进行处理，精确测定地貌、地物形状、大小、属性和空间位置信息，然而光学系统的畸变大小决定着图像数据的几何定位精度，直接影响图像最終的测绘精度。 目前世界上有多个国家成功发射了立体测绘相机，其中比较有代表性的包括有美国的IK0N0S-2上的CXD立体测绘相机、德国的三线阵CXD测绘相机ME0SS、日本研制ALOS卫星上的立体测绘全色遥感仪器(PRISM)。其中美国的IK0N0S-2上的CXD立体测绘相机，焦距为10m，地面分辨率达到Im采用同轴三镜消像散(TMA)光学系统结构型式，主、次、三镜均采用非球面设计；德国的单镜头三线阵CXD测绘相机(MEOSS)，焦距仅为61. 6mm，采用透射式结构型式，地面像元分辨率仅为52mX80m ；日本ALOS卫星上的立体测绘相机采用光学系统是离轴三镜消像散(TMA)的系统结构，焦距为2m，像元分辨率2. 5m。目前已成功发射的立体测绘相机的光学系统型式有透射式系统、离轴反射式三镜消像散系统和同轴反射式三镜消像散系统。对于长焦距高分辨率立体测绘相机，透射式系统由于材料尺寸及其特性的限制而无法采用。因此高分辨立体测绘采用的光学系统形式目前主要局限于离轴反射式三镜消像散系统和同轴反射式三镜消像散系统。其中离轴反射式系统反射镜的加工难度极大，反射镜加工、检测和装调都不能采用传统的方法，光学设计切向子午畸变难以控制，系统工程化难度大，温控精度很难保证，尤其不适合敏捷型立体测绘相机的光学系统。而同轴反射式三镜消像散系统虽然系统工程实现性好，易于实现高精度温控，但无法实现大视场，系统畸变难以消除。目前已成功在轨运行的采用同轴反射式三镜消像散结构型式的立体测绘相机光学系统畸变都大于百分之ー量级，当采用长线阵探測器时绝对畸变值很大，后期修正困难，很难满足未来测绘相机的发展需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供同轴四反超低畸变光学系统，适用于高精度星载立体测绘相机，可实现高像质、超低畸变和高稳定性，并可大大降低大口径主镜的加工难度。本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的同轴四反超低畸变光学系统，包括主镜、次镜、三镜、四镜、平面反射镜和接收像面，其中主镜、次镜、三镜、四镜和平面反射镜的光轴在同一直线上，平面反射镜位于三镜与四镜之间，主镜与次镜构成经典R-C系统，并形成一次实像，一次实像经过三镜、四镜中继成像并通过平面反射镜(5)折转至接收像面处；主镜、次镜和三镜构成同轴TMA系统并承担绝大部分光焦度，四镜在光学系统成像中承担较小光焦度，承担的光焦度占总光焦度的10-20% ;光学系统孔径光阑位于主镜上，四镜置于系统出瞳位置处。在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜和四镜的材料为碳化硅，微晶玻璃或熔石英。在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜和四镜的反射面镀有铝或银材料的金属高反射率反射膜。 在上述同轴四反超低畸变光学系统中，接收像面为线阵CXD或TDICXD探测器接收面。在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜与三镜的二次项系数为-I. 5 0，四 镜的二次项系数大于-10。在上述同轴四反超低畸变光学系统中，平面反射镜位于三镜与四镜之间，且距离四镜280-370mm位置处。在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜、四镜面型均为非球面反射镜，其中主镜面型近似抛物面，四镜面型为具有大二次项系数的小非球面度双曲面。本发明与现有技术相比具有如下有益效果(I)本发明在同轴TMA光学系统的基础上引入小光焦度大非球面系数四镜，四镜位于系统出瞳附近，通过四镜的非球面系数校正系统光瞳像差，使系统实现超低畸变，畸变值仅为百万分之三，体积为同类指标离轴反射系统的1/2左右，这种长焦距、超低畸变同轴四反光学系统作为高精度立体测绘相机光学系统优势十分明显。(2)本发明中由于采用了同轴的四块非球面反射镜及ー块平面反射镜，光机结构紧凑，使得系统的结构稳定性更高，转动惯量更小，易于实现高精度温度及指向控制，整体结构更紧凑，对于星载长焦距高分辨率立体测绘相机十分有利。(3)本发明由于系统的入瞳位于主镜上，通过光路折叠使四镜位于出瞳位置，使用口径较小四镜的非球面系数来校正系统光瞳像差，主镜可以使用抛物面镜，这样可以大大降低大口径主镜的非球面度的要求，降低主镜加工难度；在大大节约成本的同时减少相机的研制周期。(4)本发明中由于存在中间像，可在中间像位置设置视场光栏和内遮光罩，从而有效地消除视场外杂光，降低对外遮光罩长度的要求。(5)本发明对主镜、次镜、三镜及四镜的面形、结构及材料进行了进ー步优化设计，大大提高了光学系统的像质和成像稳定性，并实现了光学系统的超低畸变。(6)本发明光学系统具有畸变低、光机结构紧凑、体积小、重量轻、内方位元素稳定度高等优点，通过多线阵相机的合理布设，可实现对目标景物地形、地貌的较高比例尺的稳定的测绘功能，特别适用于星载高精度立体测绘相机。
图I为本发明光学系统的结构图；图2为本发明实施例中基于同轴TMA改进型的超低畸变光学系统的MTF曲线图；图3为本发明实施例中的光学系统畸变网格图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进ー步详细的描述本发明实施例中工作谱段为O. 5 O. 9 μ m，入瞳口径625mm，光学系统焦距10m，全视场I. 5°，系统总长1158mm。如图I所示为本发明光学系统的结构图，由图可知本发明光学系统包括主镜I、次镜2、三镜3、四镜4、平面反射镜5和接收像面6。主镜I、次镜2、三镜3、四镜4及平面反射镜5的光轴在同一直线上,为同轴。主镜I、次镜2构成经典R-C系统,并形成一次实像7,一次实像7经过三镜3、四镜4中继成像并经平面反射镜5折转到接收像面6。其中平面反射镜5位于三镜3与四镜4之间偏上位置，且与四镜4之间的距离为280-370mm，其作用是压缩光路，目的是减小光学系统结构尺寸并实现像面的合理布局，本实施例中平面反射镜5距离四镜4的距离为334mm。
接收像面6为线阵CXD或TDICXD探測器接收面。主镜I、次镜2、三镜3、四镜4面型均为非球面，其中主镜I面型近似抛物面，四镜4面型为具有大二次项系数的小非球面度双曲面，主镜I、次镜2、三镜3、四镜4的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。且主镜I、次镜2、三镜3和四镜4的反射面上镀有铝或银材料的金属高反射率反射膜。本发明光学系统孔径光阑位于主镜I上，四镜4置于系统出瞳位置处，主镜I、次镜2和三镜3构成同轴TMA系统并承担绝大部分光焦度，四镜4在光学系统成像中承担较小光焦度，承担的光焦度占总光焦度的10-20%。主镜I与三镜3的二次项系数为-I. 5 0，四镜4的二次项系数大于-10。由于非球面系数越大，其面型加工难度也就越大，因此本发明将系统的入瞳置于主镜I上，通过光路折叠使四镜4位于出瞳上，这样做的好处是利用小口径四镜4的非球面系数校正了系统光瞳像差，从而使得主镜可以使用非球面二次项系数为-I抛物面镜，这样大大降低主镜加工难度的同时由于引入更多的优化自由度使得光学系统像质良好，从而在保证高成像质量的同时实现超低畸变。如图2为本发明实例中基于同轴TMA改进型的超低畸变光学系统的MTF曲线图，MTF曲线如图2所示，可以看出，MTF曲线与衍射极限重合。本发明实施例中主镜I、次镜2、三镜3负担系统绝大部分光焦度，四镜4为光焦度很小但二次项系数较大的非球面(其曲率半径R = 3500mm, 二次项系数为_15)，本实施例中主镜I的二次项系数为-I、次镜2的二次项系数为_2、三镜3的二次项系数为-I。本发明利用四镜4的该二次项系数校正光学系统的畸变，使得整个光学系统实现超低畸变，其光学系统畸变网格图如图3所示，可以看出，光学系统的最大畸变值小于百万分之三。这种超低畸变的光学系统特性对于提高测绘卫星的测绘精度是非常有利的。本发明光学系统具有畸变低、光机结构紧凑、体积小、重量轻、内方位元素稳定度高等优点，通过多线阵相机的合理布设，可实现对目标景物地形、地貌的较高比例尺的稳定的测绘功能，特别适用于星载高精度立体测绘相机的光学系统。以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技木。
权利要求
1.同轴四反超低畸变光学系统，其特征在干包括主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)、平面反射镜(5)和接收像面出)，其中主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)和平面反射镜(5)的光轴在同一直线上，平面反射镜(5)位于三镜(3)与四镜⑷之间，主镜⑴与次镜⑵构成经典R-C系统，并形成一次实像(7)，一次实像(7)经过三镜(3)、四镜⑷中继成像并通过平面反射镜(5)折转至接收像面(6)处；主镜(I)、次镜(2)和三镜(3)构成同轴TMA系统并承担绝大部分光焦度，四镜(4)在光学系统成像中承担较小光焦度，承担的光焦度占总光焦度的10-20% ;光学系统孔径光阑位于主镜(I)上，四镜(4)置于系统出瞳位置处。
2.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在于所述主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)和四镜(4)的材料为碳化硅，微晶玻璃或熔石英。
3.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在干所述主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)和四镜(4)的反射面镀有铝或银材料的金属高反射率反射膜。
4.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在于所述接收像面(6)为线阵CXD或TDICXD探测器接收面。
5.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在干所述主镜(I)与三镜(3)的二次项系数为-I. 5 0，四镜(4)的二次项系数大于-10。
6.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在于所述平面反射镜(5)位于三镜(3)与四镜⑷之间，且距离四镜(4)280-370mm位置处。
7.根据权利要求I所述的同轴四反超低畸变光学系统，其特征在干所述主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)面型均为非球面反射镜，其中主镜(I)面型近似抛物面，四镜(4)面型为具有大二次项系数的小非球面度双曲面。
全文摘要
本发明涉及同轴四反超低畸变光学系统，包括主镜、次镜、三镜、四镜、平面反射镜和接收像面，其中主镜、次镜、三镜、四镜和平面反射镜的光轴在同一直线上，平面反射镜位于三镜与四镜之间，主镜与次镜构成经典R-C系统，并形成一次实像，一次实像经过三镜、四镜中继成像并通过平面反射镜折转至接收像面处；主镜、次镜和三镜构成同轴TMA系统并承担绝大部分光焦度，四镜在光学系统成像中承担较小光焦度，占总光焦度的10-20％；光学系统孔径光阑位于主镜上，四镜置于系统出瞳位置处。本发明光学系统可实现高像质、超低畸变和高稳定性，并可大大降低大口径主镜的加工难度，适用于高精度星载立体测绘相机。
文档编号G02B1/10GK102866487SQ201210334328
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者苏云, 杨秉新, 张鹏斌, 汤天瑾, 周峰 申请人:北京空间机电研究所