一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统的制作方法
【专利摘要】一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，由主镜、次镜、三镜以及位于短焦模式下系统出瞳位置的可变口径光阑组成。系统孔径光阑位于主镜上，主镜、次镜构成一组经典R-C光学系统，目标景物的辐射光束经主次镜汇聚形成中间实像，中间实像经三镜成像到光学系统焦面处。本光学系统主镜、次镜、三镜均采用光致异构材料，在光学系统变焦过程中利用其材料特性控制反射镜非球面系数变化，最终可在系统所有反射镜曲率半径不变的情况下，只通过反射镜非球面系数变化及镜间距少量调整使系统同时具备长焦距、高分辨率和短焦距、较大视场的特点。
【专利说明】一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统
【技术领域】
[0001]本发明属于航天光学遥感器【技术领域】，涉及一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统。
【背景技术】
[0002]随着空间光学遥感技术的不断发展，对于侦查相机的功能要求也日益严格。特别在环境减灾和军事侦察领域，既希望相机可以完成对大范围地物目标的普查，又同时需要其可对特定区域进行详查。普查强调的是相机的幅宽覆盖能力，主要进行较大范围中、低分辨率成像，完成对全局目标的观测和搜索；详查则强调的是相机的细节信息获取能力，主要对重要区域进行高分辨率成像，获取感兴趣目标的详细信息。这种普查和详查的特殊需求要求侦查相机光学系统兼具普查和详查的功能，这种详普查一体化的空间相机将无疑成为未来空间对地观测光学系统的一个非常重要的发展方向。
[0003]目前国内外实现详普查一体化的方法主要有二种:第一种就是凭借多颗卫星灵活组合或单颗卫星机动变轨来实现高低分辨率，宽窄视场的地面覆盖；第二种是在卫星平台上搭载单台或多台具有不同分辨率和视场的光学载荷，分别完成普查和详查成像。美国的KH-9就代表了美国光学侦察卫星向综合型侦察卫星发展的趋势，其既能普查，又能详查，最高分辨率可达0.3米，而KH-1I的发射则使美国获得了卫星实时侦察能力，普查时分辨率达I?3米，详查时分辨率达0.15米。除此之外，对于详普查一体化而言，普查时，要求相机短焦距，大视场中低分辨率成像；详查时，要求相机长焦距，小视场高分辨率成像。变焦距光学系统恰好能满足这样的要求，可实现单相机空间详普查一体化功能。目前为止，国外最成熟的变焦光学系统是透射式变焦系统，但其很难满足长焦距宽谱段空间光学遥感器的发展趋势，因此全反射式变焦系统开始受到越来越多的重视。
[0004]同轴三反光学系统因其工程实现性好、易于实现高精度温控、内方位元素稳定度高、结构紧凑等优点，被认为是空间光学遥感器选型的首选型式。现有的反射式变焦距光学系统主要有利用凸轮进行非线性的镜间距移动的机械式变焦方法以及利用可变形镜进行各面曲率变化的主动光学式变焦方法。对于长焦距同轴三反光学系统而言，由于系统结构简单只有两镜间距很难仅依靠镜间距非线性移动同时满足长短焦距模式像质要求，因此机械式变焦方案并不十分适用于长焦距同轴反射式系统。同时对于大口径长焦距同轴三反光学系统而言，如果想通过面型曲率变化实现系统变焦，这就意味着各面型变化量可能非常大，结构设计很难保证其在轨使用的高稳定性，这大大降低了系统的工程可行性。可以发现现有的变焦方式均无法满足未来长焦距大口径同轴三反空间光学系统的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，可同时实现高分辨率小范围详查和大范围中低分辨率普查功能，并同时保证两模式成像质量良好、系统稳定性高、结构紧凑。[0006]本发明的技术解决方案是:一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，包括主镜、次镜、三镜、驱动电机、焦面探测器和可变口径光阑；主镜、次镜、三镜和可变口径光阑同轴放置；入射光束依次经过主镜、次镜反射之后，透过主镜上的通光孔到达三镜，再经可变口径光阑后在焦面探测器处成像；所述的主镜、次镜、三镜材料均采用光致异构材料；在主镜、次镜、三镜的曲率半径保持不变的情况下，通过光致异构材料特性改变主镜、次镜、三镜的非球面系数，并利用驱动电机驱动三镜沿光轴方向水平移动，完成整个光学系统的变焦。
[0007]所述的主镜、次镜、三镜均为非球面反射镜；其中主镜面型为抛物面，次镜和三镜面型为高次非球面。
[0008]所述的焦面接收器件为线阵CXD或TDICXD探测器。
[0009]本发明与现有技术比的优点在于:
[0010](I)本发明由于采用同轴三反变焦方案，可以仅通过一台相机同时完成大范围普查和小范围高分辨率详查功能，这样大大降低了实现详普查结合观测的复杂性，在为卫星平台节省大量资源的同时大大降低了其发射成本。本发明非常适合作为未来高性能侦查相机的光学系统。
[0011](2)本发明由于各反射镜均采用光致异构材料，在各面型曲率半径完全不变的情况下仅通过改变非球面系数和少量镜间距完成系统变焦。与现有变焦方式相比本发明可适用于大口径长焦距光学系统，可确保各大口径反射镜面型变化量较小，具备工程可实现性，同时减小了镜间距的调节范围使系统结构设计相对简单。本发明更符合空间光学遥感器大口径长焦距的发展趋势，同时其工程实现性更好、系统可靠性更高。
[0012](3)本发明中由于采用了同轴的三块非球面反射镜，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，对于星载长焦距闻分辨率侦查相机十分有利。
[0013](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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明光学系统长焦距模式时结构图；
[0015]图2为本发明光学系统短焦距模式时结构图；
[0016]图3本发明实例中基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统长焦距模式时的MTF曲线图；
[0017]图4本发明实例中基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统短焦距模式时的MTF曲线图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的实施方案工作谱段为0.45?0.8 μ m，长焦距模式时入瞳口径1000mm，光学系统焦距12m，全视场0.4°，系统总长1900.02mm。短焦距模式时入瞳口径500mm，光学系统焦距4m,全视场3° ,系统总长1631.96mm。长焦模式时实施方案如图1所不,本发明光学系统包括:主镜1、次镜2、三镜3、驱动电机4、焦面探测器5和可变口径光阑6。主镜1、次镜2、三镜3和可变口径光阑6同轴，主镜1、次镜2构成经典R-C系统，并形成一次实像，一次实像经过三镜3和可变口径光阑6成像到焦面探测器5。其中一次像位于I镜与3镜之间，距I镜495.38mm位置处。焦面探测器5为线阵C⑶或TDIC⑶探测器接收面。主镜I为准抛物面(二次项系数-0.9853)、次镜2为高次非球面(二次项系数2.958，4阶非球面系数为4.09E-9，6阶非球面系数为2.329E-14，8阶非球面系数为2.52E-19，10阶非球面系数为1.70E-24)、三镜3 (二次项系数-7.98，4阶非球面系数为-3.578E_9，6阶非球面系数为2.377E-14，8阶非球面系数为9.49E-19，10阶非球面系数为-1.02E-24)，材料均为光致异构材料。短焦模式时实施方案如图2所示，此时主镜I与次镜2间距、次镜2与三镜3间距发生移动，同时主镜1、次镜2、三镜3非球面系数发生改变。此时主镜I 二次项系数变为-0.93，次镜2 二次项系数变为-5.358,4阶非球面系数变为_3.18E_9、6阶非球面系数变为6.43E-14、8阶非球面系数变为-8.97E-18、10阶非球面系数变为8.158E-22，三镜3 二次项系数变为-5.978，4阶非球面系数变为-2.64E-9，6阶非球面系数变为1.37E_14，8阶非球面系数变为-7.46E-19，10阶非球面系数变为2.195E-25。除此之外，短焦模式时通过系统出瞳位置处的可变口径光阑6控制系统的实际通光口径,此时可变口径光阑6位于主镜I与三镜3之间，距主镜I的距离为331.07mm。
[0019]由于口径越大、焦距越长则相同变倍比条件下变焦时的面型和间距变化量也将随之变大，其面型加工难度也就越大，因此本方案采用光致异构材料在各面曲率半径不变的基础上调整非球面系数和少量镜间距，这样大大降低了面型的变化量和镜间距非线性调节量，从而极大提高了系统的工程可实现性。实际结果实现了从12m焦距、0.4°视场光学系统和4m焦距、3°视场光学系统的自由切换，并且各模式下像质良好，其长焦距模式下MTF曲线如图3所示，可以看出，MTF曲线在每毫米50对线时接近衍射极限，其短焦距模式下MTF曲线如图4所示，可以看出，MTF曲线在每毫米25对线时大于0.7。
[0020]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，其特征在于:包括主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)、驱动电机(4)、焦面探测器(5)和可变口径光阑(6);主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)和可变口径光阑(6)同轴放置；入射光束依次经过主镜(I)、次镜(2)反射之后，透过主镜(I)上的通光孔到达三镜(3)，再经可变口径光阑(6)后在焦面探测器(5)处成像；所述的主镜(I)、次镜(2 )、三镜(3 )材料均采用光致异构材料；在主镜(I)、次镜(2 )、三镜(3 )的曲率半径保持不变的情况下，通过光致异构材料特性改变主镜(I)、次镜(2 )、三镜(3 )的非球面系数，并利用驱动电机(4)驱动三镜(3)沿光轴方向水平移动，完成整个光学系统的变焦。
2.根据权利要求1所述的一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，其特征在于:所述的主镜(I)、次镜(2)、三镜(3)均为非球面反射镜；其中主镜(I)面型为抛物面，次镜(2 )和三镜(3 )面型为高次非球面。
3.根据权利要求1所述的一种基于光致异构材料的同轴三反变焦距光学系统，其特征在于:所述的焦面接收器件(5)为线阵C⑶或TDICXD探测器。
【文档编号】G02B5/10GK103777350SQ201410048580
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】苏云, 张鹏斌, 胡斌, 汤天瑾 申请人:北京空间机电研究所