一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统的制作方法

本发明涉及航天光学遥感器技术领域，具体涉及一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统。

背景技术：

随着科学技术的不断发展以及对高分辨率遥感图像需求的不断增加，高空间分辨率的空间相机成为重要发展趋势。另一方面，为了提高对敏感地区的图像获取速度，对卫星的重访能力提出了要求，这就需要更强的宽幅成像能力。但是，受制于卫星的视场角，地面幅宽不会太大，因此用小卫星组网便成了最有效的方式。因此，设计适合微纳卫星使用的小体积高精度空间相机也被提上了日程。

目前已成功发射的空间相机的光学系统形式主要有透射式、离轴反射式和同轴反射式。对于高分辨率的长焦距相机，透射式由于体积、重量限制和温控问题不适合作为空间相机的光学系统。因此目前空间高分辨长焦相机主要为反射式光学系统。其中离轴反射式由于研制周期很长，动辄5年以上，使得离轴反射式光学系统应用不是很多。另外，由于离轴反射式在焦距较大时加工和装调难度极大，大多数离轴反射式的空间相机焦距普遍小于500mm，因此空间高分辨率相机还不适合使用离轴反射式光学系统，微纳卫星的空间相机尤其不适合使用。所以同轴反射式光学系统就成了唯一选择。

目前的同轴反射式光学相机往往使用卡式系统结构，其工程实现性好，易于实现高精度温控，因此应用广泛。但是其视场较小，全视场只有1度左右，并且其次镜对光线有遮拦，光学系统的调制传递函数会在中频段明显下降。因此设计一种长焦距、短筒长、大视场、高像质的同轴反射式光学系统势在必行。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统，可实现长焦距、短筒长、大视场和高像质，适用于小体积的高分辨率空间光学相机。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统，包括：孔径光阑、主镜、次镜、三镜、四镜、五镜和平面反射镜，光线依次经过主镜、次镜、平面反射镜、三镜、四镜、五镜成像于像面；

所述孔径光阑位于主镜上；

所述主镜相对于入射到主镜上的光线所在的光轴倾斜；

所述平面反射镜、三镜、四镜和五镜均位于主镜后方；

所述主镜为二次曲面；

所述次镜、三镜、四镜、五镜均为高次球面；

所述主镜和次镜组成凹面反射镜组。

进一步的，所述主镜为二次项系数为-2～0的圆锥曲面。

进一步的，所述主镜、次镜、三镜、四镜和五镜的二次项系数分别为-1.19、-21.09、3.43、-2.65、-12.35。

进一步的，所述主镜、次镜、平面反射镜、三镜、四镜和五镜的反射面均镀有高反射率反射膜。

进一步的，所述平面反射镜位于次镜和三镜之间，通过平面反射镜将光轴转折65度，实现光路压缩。

进一步的，所述像面相对于入射到像面上的光线所在的光轴倾斜。

进一步的，所述像面为线阵ccd或coms。

本发明的有益效果如下：

1、本发明是一种具有体积小、成本低、畸变低、大视场、谱段范围宽、无遮拦特点的长焦距光学系统，可以实现高精度的对地侦查和测绘。本发明在保证小体积和长焦距的基础上还能实现大视场和低畸变等特性，尤其适合作为小体积低成本的微纳卫星的高分辨率相机。

2、本发明的整个光学系统结构紧凑，三镜、四镜、五镜和平面反射镜均位于主镜后方，当焦距为7米时，系统总长小于焦距的0.2倍，全反射式结构，重量轻，加工难度小，特别适用于对地观测的微纳卫星的高分辨率空间光学相机光学系统。

附图说明

图1为本发明的一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统的结构示意图。

图2为本发明的光学系统的调制传递函数曲线图。

图3为本发明的光学系统的畸变网格图。

图中：1、主镜，2、次镜，3、平面反射镜，4、三镜，5、四镜，6、五镜，7、像面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细阐述。

如图1所示，本发明的一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学系统，主要包括：主镜1、次镜2、三镜4、四镜5、五镜6和平面反射镜3，光线依次经过主镜1、次镜2、平面反射镜3、三镜4、四镜5、五镜6，最终成像在像面7上。

孔径光阑位于主镜1上且位于主镜1的边缘两侧，且主镜1有略微的偏置和倾斜(这里所说的偏置和倾斜指的是：主镜1的反射面与入射到主镜1上的光线所在的光轴有一定的夹角，至于夹角的大小不需要限定，可以是5度左右)，偏置和倾斜的作用是偏折光路，目的是使进入光学系统的光线不受次镜2的遮挡，提高中频段的mtf数值。

主镜1为卡式系统中的主镜变形而来，具体的是，将卡式系统中的主镜去掉上半部分，保留下部分的通光区域，从而形成本发明中的主镜1，主镜1的主要作用是能使大视场角的光线进入光学系统，而不会使光学系统的传递函数曲线明显下降。

主镜1、次镜2组成凹面反射镜组，其作用是压缩光路，目的是降低前部光路(由主镜1和次镜2组成的光路)的减小而使后部光路(由平面反射镜3、三镜4、四镜5、五镜6组成的光路)增长的不利影响。

光学系统中，主镜1为二次曲面，具体的，主镜为二次项系数为-2～0的圆锥曲面，次镜2、三镜4、四镜5、五镜6均为高次球面，主镜1和次镜2、三镜4、四镜5、五镜6的设计可以降低镜片的加工难度。通过它们的二次项系数和曲率的分配来矫正光学系统的初级像差。其中主镜1的二次项系数为-1.19，次镜2、三镜4、四镜5、五镜6的二次项系数分别为-21.09、3.43、-2.65、-12.35。

平面反射镜3、三镜4、四镜5和五镜6均位于主镜1后方。平面反射镜3位于次镜2和三镜4之间，其作用是压缩光路，目的是减小光学系统的长度。平面反射镜3的安装位置位于主镜1的后方，并且不对三镜4和四镜5的光路产生遮拦。平面反射镜3将光轴转折65度(也就是说入射到平面反射镜3上的光线与平面反射镜3上出射的光线之间的夹角为65度)，目的在于压缩光路，缩小光学系统的整体尺寸，也可以减少三镜4的倾斜。

光学系统中，次镜2、三镜4、四镜5、五镜6均有一定程度的偏置和倾斜(例如，次镜2的反射面与入射到次镜2上的光线的光轴有一定的夹角，至于夹角的大小不需要限定，可以是大于5度左右。三镜4的反射面与入射到三镜4上的光线的光轴有一定的夹角，至于夹角的大小不需要限定，可以是大于5度左右。四镜5的反射面与入射到四镜5上的光线的光轴有一定的夹角，至于夹角的大小不需要限定，可以是大于5度左右。五镜6的反射面与入射到五镜6上的光线的光轴有一定的夹角，至于夹角的大小不需要限定，可以是大于5度左右)，通过次镜2、三镜4、四镜5、五镜6的非球面系数和偏心以及倾斜量来矫正光学系统的剩余像差，优化像质。这样在降低主镜1加工难度的同时引入了更多的优化自由度，使得光学系统在保证高成像质量的同时能实现超低畸变。

光学系统中，主镜1、次镜2和三镜4承担了大部分光焦度，为卡式系统的变形结构，其中主镜1和次镜2的组合用于分担焦距和缩短光学系统长度。

光学系统中，主镜1、次镜2、平面反射镜3、三镜4、四镜5和五镜6的反射面均镀有高反射率反射膜。

光学系统中，像面7为线阵ccd或coms，且像面7相对于光轴(此光轴指的是：入射到像面7上的光线所在的光轴)倾斜。

如图2所示，为本发明的光学系统的mtf曲线，从图中可以看出，光学系统的mtf曲线与衍射极限接近，像质很好。

如图3所示，为本发明的光学系统的畸变网格图，从图中可以看出，光学系统的畸变最大值小于0.012％，达到低畸变的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。