本发明涉及一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统及成像方法，属于光学设计技术领域。
背景技术
成像探测器是空间光学遥感相机的关键核心器件，探测器的像元尺寸、像素密度等是影响相机能力的关键指标。传统的星载高分辨率成像遥感器一般采用7μm以上像元尺寸的探测器。随着商业遥感技术的发展，越来越多的微纳卫星载荷采用的小像元尺寸的探测器，以此降低系统的实现代价。小像元尺寸成像器件是实现微小卫星载荷的途径之一。
近年来，随着半导体技术以及成像探测器技术的发展，像元尺寸突破了1um。在国际上，面向如此小像元尺寸的可见光探测器的空间应用在国内外尚未有先例，相应开展与之匹配的光学系统设计与研制也属于国内外研究空白。依据爱里斑与像元尺寸相匹配的原则，与亚微米像元尺寸匹配的光学系统必须具有较小的焦距口径比，至少小于2。如此小的焦距口径比的光学系统易引入较大孔径像差，同时要求在数百毫米口径且较大视场范围内在超高奎斯特频率处(达700线对/毫米)具有接近衍射极限的成像水平。该类光学系统给光学设计和工程实现提出了新的挑战。
传统的可见光遥感相机，由于探测器尺寸较大，在7um以上，相应焦距口径比基本在5以上，其常采用同轴rc结构、rc加校正镜结构、同轴tma结构或离轴tma结构。但对于当焦距口径比要求小于2时，以上前四种均难以实现。虽然离轴tma结构可以勉强实现，但是其像质难以接近衍射极限，而且其结构体积较大，系统装调难度大。因此，需要开展新结构设计，以满足如此焦距口径比的高分辨光学系统。
国内发明专利201510780813.1公开了一种同轴三反的结构，用于对空间微小目标的快速搜索，主镜采用凹抛物面结构，次镜为高次凸非球面，第三镜为凹高次非球面。主镜、次镜和第三镜的光轴重合，构成同轴三反光学系统。这样构成的光学系统焦距口径比为1.66，可以达到3°视场。但是该结构次镜会引入较大的中心遮拦降低中频成像性能，而且后焦面悬浮于中心开孔的环型光束中，难以置于调焦机构。传统的施密特结构同样也存在调焦机构难于置入的缺点，不适用于空间相机的设计。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统光学系统焦距口径比较大，难以满足超高采样频率所匹配的较小焦距口径比的需求，提出了一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统及成像方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统，包括第一非球面校正镜、第二非球面校正镜、折转镜、主反射镜、场镜、成像像面；
所述第一非球面校正镜、第二非球面校正镜并排安装于入射光路上；所述第一非球面校正镜接收外部光进行光束会聚并对主反射镜反射时引起的像差进行预校正，并将预校正后的入射光沿光轴方向出射至第二非球面校正镜；
所述第二非球面校正镜接收第一非球面校正镜出射的预校正后入射光进行二次像差预校正，预校正后的光出射至折转镜；
所述折转镜设置于入射光轴上且与入射光轴垂直方向倾斜特定折转角，折转镜中心位置设置安装通孔；折转镜接收第二非球面校正镜出射的预校正后出射光并反射至主反射镜；
所述场镜设置于折转镜中心位置通孔后侧；所述主反射镜接收折转镜反射光并再次进行反射，反射光射入场镜进行会聚；
所述成像像面设置于场镜后；所述场镜接收主反射镜反射光并于成像像面上会聚成像。
所述主反射镜安装位置根据折转镜折转角度及主反射镜曲率中心距折转镜中心位置距离进行调整，主反射镜曲率半径为主反射镜曲率中心距折转镜中心位置距离与折转镜中心位置距主反射镜中心位置距离之和。
所述第一非球面校正镜为双凸镜或平凸镜，前表面的曲率半径不小于2000mm，后表面的曲率半径为350mm～500mm，口径不大于400mm。
所述第二非球面校正镜为弯月镜，前表面的曲率半径为200mm～400mm，后表面的曲率半径为1000mm～3000mm，口径不大于400mm。
所述折转镜特定折转角为20度～45度。
所述主反射镜为凹面镜，曲率半径为500mm～3000mm，口径不大于500mm。
所述场镜为双凸镜，前表面的曲率半径为100mm～400mm，后表面的曲率半径为400mm～600mm。
所述外部光为紫外光、可见光或红外光。
一种亚微米级像元的超高分辨率成像方法，具体步骤为：
(a)将入射光送入第一非球面校正镜进行光束会聚，并通过第一非球面校正镜预设的与主反射镜互补的球差和彗差进行预校正；
(b)利用第二非球面校正镜对第一非球面校正镜出射光进行二次球差和彗差预校正；
(c)通过控制折转镜折转角度范围保证折转镜能够将第二非球面校正镜出射光反射至主反射镜；
(d)通过主反射镜将折转镜反射光反射至场镜进行光束会聚；
(e)利用成像像面对场镜透射光进行会聚成像。
优选的，所述步骤(c)中折转角度范围为20度～45度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统及成像方法，在大口径校正镜的条件下，通过在以施密特结构为基础的校正镜组与主反射镜之间，加入了新的折转镜，使主反射镜偏离光轴，再另会聚光束经折转镜中心穿出至场镜，克服了传统光学系统后焦面置于光路中对光束传输造成遮拦的问题，同时填补了缺少与亚微米级像元相匹配的大口径、低焦距口径比的光学系统的问题，预留了调焦结构空间，减少了光学系统调焦难度；
(2)本发明通过限定折转镜倾斜角度范围，设定两个非球面校正镜的非球面度及陡度，满足在较容易实现高质量面形的范围内，提升了系统工程可制造性，保证了高空间分辨率下的集成性能。而传统系统的单个校正镜，其非球面的非球面度和陡度均较大，会给加工和检测带来较大的困难，特别对于短波段光学系统，引入的面形误差较大，很大程度影响系统集成后的性能。
附图说明
图1为本发明光学系统组成结构示意图；
图2为本发明光学系统mtf调制传递函数曲线；
具体实施方式
一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统，如图1所示，包括第一非球面校正镜1、第二非球面校正镜2、折转镜3、主反射镜4、场镜5、成像像面6，所述第一非球面校正镜1、第二非球面校正镜2并排设置于入射光路上组成校正镜组，折转镜3设置于校正镜组后侧且与入射光路垂直方向倾斜一定角度，折转镜3中间设置有安装通孔，安装通孔位置后侧安装场镜5，所述主反射镜4安装位置根据折转镜3折转角度及主反射镜4曲率中心距折转镜3中心位置距离进行调整，保证可以接受到折转镜3的反射光，成像像面6设置于场镜5透镜后侧；其中，主反射镜4曲率半径为主反射镜4曲率中心距折转镜3中心位置距离与折转镜3中心位置距主反射镜4中心位置距离之和，距离偏差不超过百分之二十。
所述第一非球面校正镜1接收外部光进行光束会聚且引入与主反射镜4互补的像差并进行预校正，并将预校正后的入射光沿光轴方向发送至与第一非球面校正镜1并排安装的第二非球面校正镜2；
所述第二非球面校正镜2接收第一非球面校正镜1发送的预校正后入射光进行二次像差预校正，并将预校正后的光发送至折转镜3；
所述折转镜3接收第二非球面校正镜2发送的预校正后光并反射至主反射镜4；
所述主反射镜4接收折转镜3反射光并再次进行反射，反射光射入场镜5进行会聚；
所述场镜5接收主反射镜4反射光并于成像像面6上会聚成像，其中成像像面6设置于场镜5后。
根据上述光学系统，可得一种亚微米级像元的超高分辨率成像方法，具体步骤如下：
(a)将入射光送入第一非球面校正镜1进行光束会聚，并通过第一非球面校正镜1预设的与主反射镜4互补的球差和彗差进行预校正；
(b)利用第二非球面校正镜2对第一非球面校正镜1出射光进行二次球差和彗差预校正；
(c)通过折转镜3将第二非球面校正镜2出射光反射至主反射镜4；
(d)通过主反射镜4将折转镜3反射光反射至场镜5进行光束会聚；
(e)利用成像像面6对场镜5透射光进行会聚成像。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
其中，所述第一非球面校正镜1、第二非球面校正镜2、折转镜3、主反射镜4、场镜5、成像像面6具体结构参数见下表。其中表中“曲率半径”一栏表示各个表面的曲率半径，为负值表示该表面的曲率中心位于顶点的左边，反之曲率半径前无负号，表示该表面曲率中心位于顶点的右边；“空间间隔/厚度”一栏给出了镜片的中心厚度或空间间隔距离；“材料”一栏表示光学镜片的玻璃材料名称。表中镜片的具体参数在实际操作中，可以微调以满足不同的系统参数要求。孔径光阑stop位于第二非球面校正镜2的后表面。
另外，第一非球面校正镜1、第二非球面校正镜2、主反射镜4均为高次非球面，非球面参数如下表所示：
其中，上表中各个非球面所采用的非球面方程见下式：
式中，c表示曲率，为曲率半径的倒数，即1/r；k表示二次非球面系数，a表示四次非球面系数，b表示六次非球面系数，c表示八次非球面系数，d表示十次非球面系数；z表示矢高，h表示曲面上点到中心对称轴的距离。
通过上述两表的结构参数，实现了工作谱段为0.4μm～0.70μm，入瞳口径为300mm，视场角为2.2°x2.2°，像质达到超高空间分辨率的性能。该系统工程可制造性强，保证了如此高空间分辨率下集成后的性能。
如图2所示，为本发明一种亚微米级像元的超高分辨率成像光学系统的一个实施方式的光学传递函数的性能结果。光学调制传递函数(mtf)是确定物镜分辨力和焦深的直接评价，系统mtf已基本接近衍射极限，mtf为0.2时，系统分辨率达到714lp/mm，截止频率为1500lp/mm。另外，相比于传统光学系统，不仅系统极限分辨率从几十线对提高到七百线对的优点外，而且低空间分辨率如71.4lp/mm(对应7um像元探测器的奈奎斯特频率)时，系统的mtf由常规的0.4提升到0.8。
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。虽然结构附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，不脱离发明的前提下，可以做若干变形、替换和改进，这些也是视为属于本发明的保护范围。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。