專利名稱：一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種長焦距短結(jié)構(gòu)非球的面共軸四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從基本理論可知，當(dāng)空間相機(jī)軌道高度和CXD像元尺寸一定時(shí)，隨著光學(xué)系統(tǒng)焦距的增加，可以提高地面的像元分辨率，通常把焦距超過Im的光學(xué)系統(tǒng)稱為長焦距光學(xué)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的折射式光學(xué)系統(tǒng)隨著焦距的增長將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)體積增大，使得光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量增大，從而增加了發(fā)射成本，同時(shí)，折射式光學(xué)系統(tǒng)色差校正困難。相比之下，反射式光學(xué)系統(tǒng)無色差，光學(xué)系統(tǒng)可折疊，在小體積、輕量化的發(fā)展道路上具有明顯的優(yōu)勢。全部由反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)在航天遙感的應(yīng)用中備受關(guān)注，愈來愈多的應(yīng)用于空間分辨率為米級和亞米級航天相機(jī)上。按系統(tǒng)中反射鏡個數(shù)分類，反射式光學(xué)系統(tǒng)一般可分為兩反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)以及四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)等。兩反射鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但是自由度太少，不能同時(shí)校正多種像差；三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)有更多的自由度，能校正更多的像差，但是，由于三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度不足以校正所有像差，通常由于畸變過大，系統(tǒng)成像變形嚴(yán)重，影響了其應(yīng)用范圍；在長焦距光學(xué)系統(tǒng)中，往往因?yàn)橄到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)長度和焦距的比值比較大，致使光學(xué)系統(tǒng)體積大，增大了光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量，增加了發(fā)射成本。四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)是在三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加一片反射鏡，系統(tǒng)的自由度更大，能做到長焦距短結(jié)構(gòu)，在空間光學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。經(jīng)檢索查新沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在保證平像場，501p/mm頻率處傳遞函數(shù)>0. 45，全視場畸變〈O. 01%,以及四片非球面反射鏡共軸的前提下，盡可能的做大光學(xué)系統(tǒng)的焦距，以獲得高的地面像元分辨率，同時(shí)控制光學(xué)系統(tǒng)焦距與結(jié)構(gòu)長度的比值，以減小光學(xué)系統(tǒng)的體積，降低發(fā)射成本。特設(shè)計(jì)一種長焦距、短結(jié)構(gòu)、無中心遮攔、像差特性優(yōu)良的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如

圖1所示，包括主鏡I、次鏡2、光闌3、三鏡4、四鏡5、平面反射鏡6和探測器像面7。主鏡I、次鏡2、三鏡4和四鏡5共軸排布，次鏡2放置在主鏡I的反射光路上，三鏡4放置在次鏡2的反射光路上，將光闌3置于次鏡2的鏡框上，兩者固連，四鏡5放置在三鏡4的反射光路上，平面反射鏡6放置在四鏡5的反射光路上，離軸角為-49°起到折疊后焦距的作用，探測器像面7放置在四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，離軸角為-49° ;在該共軸四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的光路連接中各鏡之間的距離分別為次鏡2到主鏡I的距離為dl、三鏡4到次鏡2的距離為d2、四鏡5到三鏡4的距離為d3、平面反射鏡6到四鏡5的距離為d4、探測器像面7到平面反射鏡6的距離為d5，其中，dl=-418. 645mm,d2=420. 000mm, d3=-415. 000mm, d4=750. 000mm, d5=-384. 953 ;主鏡 1、次鏡 2、三鏡 4和四鏡5，四個鏡面的頂點(diǎn)曲率半徑分別為Rl、R2、R3、R4，其中，Rl=_1902. 171mm,R2=-1277. 557mm, R3=_1492. 532mm, R4=_1237. 540mm ;四個反射鏡的反射面型均采用非球面，其中，主鏡I和次鏡2為雙曲面，主鏡1的二次曲面系數(shù)為kl，kl=-2. 349，次鏡2的二次曲面系數(shù)為k2，k2=-8. 198 ;三鏡4和四鏡5為包含二階與六階項(xiàng)的高次非球面，其中，三鏡4 二次曲面系數(shù)為k3，k3=-7. 514，二階非球面系數(shù)為A3，A3=3. 926E-4，六階非球面系數(shù)為C3，C3=6. 094E-16 ;四鏡5的二次曲面系數(shù)為k4，k4=_0. 310，二階非球面系數(shù)為A4，A4=-2. 180E-4，六階非球面系數(shù)為C4，C4=2. 050E-17。此光學(xué)系統(tǒng)的焦距長2466mm，焦距與結(jié)構(gòu)長度比約為5. 3/1，為無中心遮攔的共軸非球面四反射光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的工作原理本光學(xué)系統(tǒng)為了使成像光束能清晰成像在探測器像面7上，采用了偏視場設(shè)計(jì)，成像光束在子午方向偏離光軸7° 7. 3°角進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過主鏡I、次鏡2、三鏡4、四鏡5以及平面反射鏡6五片反射鏡的反射后，最終成像在探測器像面7上。為了實(shí)現(xiàn)偏視場無中心遮攔的設(shè)計(jì)，將光闌3設(shè)置在次鏡2的鏡框上；為獲取優(yōu)良的像差特性，利用非球面來校正像差，使得成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限。在o-xyz右手坐標(biāo)系中，球面和非球面的數(shù)學(xué)描述如下
權(quán)利要求
1.一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括主鏡(I)、次鏡⑵、光闌(3)、三鏡⑷、四鏡(5)、平面反射鏡(6)、探測器像面(7);次鏡⑵放置在主鏡⑴的反射光路上，三鏡⑷放置在次鏡⑵的反射光路上，將光闌⑶置于次鏡(2)的鏡框上，兩者固連，四鏡(5)放置在三鏡⑷的反射光路上，平面反射鏡(6)放置在四鏡(5)的反射光路上，探測器像面(7)放置在四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，平面反射鏡和探測器像面的離軸角為-49° ;主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(4)和四鏡(5)均為非球面且共軸排布；主鏡(I)、次鏡⑵、三鏡(4)、四鏡(5)和平面反射鏡(6)的光路連接中各鏡之間的距離分別為dl、d2、d3、d4、d5 ;主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(4)和四鏡(5)，四個鏡面的頂點(diǎn)曲率半徑分別為Rl、R2、R3、R4、；主鏡(I)和次鏡(2)為雙曲面，主鏡(I)、次鏡(2)的二次曲面系數(shù)為kl、k2 ;三鏡(4)和四鏡(5)為包含二階與六階項(xiàng)的高次非球面，三鏡(4) 二次曲面系數(shù)為k3，二階非球面系數(shù)為A3，六階非球面系數(shù)為C3;四鏡(5)的二次曲面系數(shù)為k4，二階非球面系數(shù)為A4，六階非球面系數(shù)為C4 ;其中，dl=-418. 645mm, d2=420. 000mm,d3=-415. 000mm，d4=750. 000mm, d5=-384.953 ；R1=-1902. 171mm, R2=-1277. 557mm,R3=-1492. 532mm, R4=-1237. 540mm ；kl=-2.349，k2=-8. 198 ；k3=-7. 514，A3=3. 926E-4，C3=6. 094E-16 ；k4=-0. 310，A4=-2. 180E-4，C4=2. 050E-17。
全文摘要
一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種光學(xué)系統(tǒng)，解決的技術(shù)問題是提供一種長焦距短結(jié)構(gòu)的共軸非球面四反射鏡光學(xué)系統(tǒng)。技術(shù)方案包括主鏡、次鏡、光闌、三鏡、四鏡、平面反射鏡、探測器像面，主鏡、次鏡為雙曲面，三鏡、四鏡為高次非球面。主鏡、次鏡、三鏡、四鏡共軸，次鏡置于主鏡的反射光路上，三鏡置于次鏡的反射光路上，四鏡置于三鏡的反射光路上，平面反射鏡置于四鏡的反射光路上，平面反射鏡與探測器像面的離軸角為-49°。孔徑光闌固連在次鏡的鏡框上，系統(tǒng)采用偏視場設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠獲得高的地面象元分辨率，以及較大的視場，結(jié)構(gòu)緊湊，在空間光學(xué)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。
文檔編號G02B17/06GK102981254SQ20121057927
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者劉偉奇, 劉軍, 馮睿, 魏忠倫, 張大亮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所