本實用新型涉及一種可用于空間相機、成像光譜儀前置物鏡的望遠物鏡，特別涉及一種可工作于紫外到紅外波段的超寬視場離軸遠心三反射鏡望遠物鏡，屬光學(xué)成像
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：近年來，大視場寬覆蓋已成為光學(xué)遙感儀器重要發(fā)展趨勢。視場是對地觀測儀器的重要指標，它決定了觀測儀器的全球覆蓋和重訪周期，視場越大，重訪周期越小，時間分辨率就越高。離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無色差、無中心遮攔、易做大相對孔徑、抗熱性能好、宜輕量化等優(yōu)點，還可獲得高質(zhì)量寬視場景物像，可用作寬波段寬視場高光譜成像儀的前置物鏡，成為研究和應(yīng)用的熱點。凸-凹和雙凹兩反射鏡系統(tǒng)都適于寬視場應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)中，文獻“大相對孔徑寬視場無遮攔平場兩反射鏡望遠物鏡分析與設(shè)計”（周正平，趙知誠等..光學(xué)學(xué)報，2015,35(3):0322002）報道了一種凸-凹兩反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，它可實現(xiàn)寬視場、大相對孔徑和平像場設(shè)計，但存在的主要不足是該系統(tǒng)僅實現(xiàn)了40°線視場，像方遠心時無法設(shè)置實孔徑光欄，用于寬視場場合時，消雜散光設(shè)計復(fù)雜，遮光罩和擋光裝置的體積與復(fù)雜程度隨著視場增大而快速增大?，F(xiàn)有技術(shù)（參見文獻：NijkerkD,vanVenrooyB,etal..TheTROPOMItelescope,design,fabricationandtestofafreeformopticalsystem.InternationalConferenceonSpaceOptics,2012.）報道了一種TROPOMI前置系統(tǒng)，由兩片凹自由曲面反射鏡組成，存在中間實像，可方便地在此設(shè)置視場光闌和設(shè)計內(nèi)遮光裝置，無需龐大的遮光罩便能有效抑制雜散光。其交軌視場達到108°，但其相對孔徑較小，限制了儀器信噪比進一步提升。相比于一般的兩反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)具有更多優(yōu)化自由度，在增大視場的同時能獲得較好像質(zhì)。在美國專利US4240707中，WilliamB.Wetherell給出了一個類Cook三片式的離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主反射鏡為正光焦度的凹面反射鏡，次鏡為負光焦度的凸面反射鏡，三鏡為正光焦度的凹面反射鏡，孔徑光闌放在次鏡上，系統(tǒng)可實現(xiàn)10°×10°矩形視場，或者35°線視場。然而，該系統(tǒng)在獲得較好像質(zhì)同時，難以實現(xiàn)100°以上的寬線視場。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，在保證一定焦點伸出量（像面到次鏡的距離）、遠心和無遮攔的前提下，提供一種X方向線視場角達108°，適用于紫外到紅外波段的無遮攔三反射鏡光學(xué)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了超寬視場、中等相對孔徑和平像場設(shè)計，而且具有實孔徑光闌和中間實像，有利于消雜光設(shè)計。為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：提供一種超寬視場離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括主鏡、次鏡和三鏡三塊反射鏡，孔徑光闌和焦平面；主鏡相對于中心視場入射主光線沿X軸傾斜，次鏡與三鏡同軸，孔徑光闌置于三鏡的前焦面處，實現(xiàn)像方遠心光路；來自地面景物的入射光線經(jīng)主鏡反射后，在主鏡和次鏡之間形成一次實像，次鏡和三鏡對得到的一次實像中繼成像，在焦平面處形成景物像；主鏡、次鏡和三鏡三塊反射鏡的光焦度分配依次為正-負-正，它們的頂點曲率半徑近似滿足平像場條件，其中R1、R2和R3分別為主鏡、次鏡和三鏡的頂點曲率半徑；主鏡面型為球面，次鏡和三鏡面型為扁球型二次曲面。本實用新型提供的超寬視場離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，它的相對孔徑為1/4～1/6。該光學(xué)系統(tǒng)中，次鏡和三鏡的回轉(zhuǎn)對稱軸重合；還可在主鏡和次鏡之間形成的一次實像處，放置視場光闌和內(nèi)遮光罩。本實用新型的原理是：在凸-凹同軸兩反射鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于凸面反射鏡之前添加一塊凹面反射鏡，用于擴大視場，組成新的離軸三反射鏡結(jié)構(gòu)，使其兼具凸凹結(jié)構(gòu)大相對孔徑和雙凹結(jié)構(gòu)具有中間實像的特點，使系統(tǒng)X方向線視場角達到108°。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下特點：1、在凸-凹同軸兩反射鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用一塊凹面反射鏡擴大系統(tǒng)視場角，X方向線視場角可達108°。2、系統(tǒng)相對孔徑為1/4～1/6，有利于儀器實現(xiàn)高信噪比。3、次鏡和三鏡的回轉(zhuǎn)對稱軸重合于軸線，給系統(tǒng)裝校帶來很大方便。4、系統(tǒng)孔徑光闌位于三鏡的前焦平面處，實現(xiàn)像方遠心光路。5、系統(tǒng)為兩次成像系統(tǒng)，在一次實像處可放置視場光闌和內(nèi)遮光罩，無需龐大的遮光罩便能有效抑制雜散光。6、系統(tǒng)采用離軸全反射式結(jié)構(gòu)，無遮攔且無色差影響，可工作于紫外到紅外波段。附圖說明圖1是本實用新型實施例所述光學(xué)系統(tǒng)光路側(cè)視示意圖；圖2是本實用新型實施例所述光學(xué)系統(tǒng)光路俯視示意圖；圖3是本實用新型實施例所述光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；圖4是本實用新型實施例所述光學(xué)系統(tǒng)的像高隨視場角的變化曲線；圖5是本實用新型實施例所述光學(xué)系統(tǒng)的Y方向物方畸變規(guī)律曲線；圖中，1、主鏡；2、次鏡；3、三鏡；4、系統(tǒng)孔徑光闌；5、像面；6、次鏡和三鏡的公共對稱軸線。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的實施方案做進一步的具體闡述。實施例1本實施例提供的技術(shù)方案適用于超寬視場高光譜成像系統(tǒng)的前置望遠系統(tǒng)。參見附圖1和2，它們分別是本實施例光學(xué)系統(tǒng)成像光路側(cè)視和俯視示意圖。其中，1為主鏡，2為次鏡，3為三鏡，4為系統(tǒng)孔徑光闌，5為像面，6為次鏡和三鏡的公共對稱軸線。在本實施例中，選取系統(tǒng)像方焦距fˊ=17mm，相對孔徑D/F=1/4，視場角108°×0.05°，波長0.27μm～2.4μm。由圖1和2可見，本實施例提供的離軸三反射鏡望遠物鏡包括主鏡1、次鏡2和三鏡3；次鏡2置于主鏡1的反射光路上，三鏡3置于次鏡2的反射光路上；為避免遮攔且實現(xiàn)像方遠心光路，主鏡1相對于中心視場入射主光線沿X軸傾斜角為α，次鏡2與三鏡3同軸，子午面內(nèi)中心視場主光線經(jīng)主鏡1反射后，與次鏡1、三鏡3的公共對稱軸線6的夾角為η，孔徑光闌4置于三鏡3的前焦面處；為實現(xiàn)所需的視場寬度，主鏡1采用球面反射鏡，次鏡2和三鏡3采用能夠滿足成像質(zhì)量要求的最低次非球面鏡，即扁球型二次曲面鏡，它們的頂點曲率半徑近似滿足平像場條件，其中R1、R2和R3分別為主鏡1、次鏡2和三鏡3的頂點曲率半徑，系統(tǒng)X方向線視場角為108°?？讖焦怅@4置于三鏡3的前焦平面上，實現(xiàn)像方遠心光路，在本實施例中，主鏡1相對于中心視場入射主光線沿X軸傾斜角α為7°，次鏡2與三鏡3同軸，子午面內(nèi)中心視場主光線經(jīng)主鏡1反射后，與次鏡2和三鏡3的公共對稱軸線6的夾角η為32.8°。通過光學(xué)設(shè)計軟件優(yōu)化設(shè)計，得到的系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。表1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)SurfaceRadiusThicknessGlassConicTiltaboutXObjectInfinityInfinity———1-180.000-315.898Mirror—7°2-107.08741.673Mirror3.654—StopInfinity83.751———4-167.502-165.407Mirror0.063—ImageInfinity————選取像面上像高分別為(0,0)、(4,0)、(8,0)、(12,0)和(16,0)五個視場進行成像質(zhì)量評價，像高單位為mm。參見附圖3，它是本實施例光學(xué)系統(tǒng)在像平面處的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線圖，橫坐標為空間頻率，縱坐標為系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)值，可見成像質(zhì)量接近衍射極限，各視場在焦平面等效像素尺寸對應(yīng)的奈奎斯特頻率19.2lp/mm處MTF值均高于0.75。參見附圖4，它是光學(xué)系統(tǒng)的像高隨視場角的變化曲線，橫坐標為物方視場角，縱坐標是系統(tǒng)像高，可知像高和視場角近似滿足f-θ的畸變規(guī)律關(guān)系，有利于在實際應(yīng)用中對畸變進行標定。參見附圖5，它是光學(xué)系統(tǒng)的Y方向物方畸變規(guī)律曲線，橫坐標為X方向物方視場角，縱坐標為Y方向物方視場角，曲線一側(cè)的五個點分別為像面上上述五個像高點對應(yīng)的物方視場角，可知在邊緣視場(54°)處，Y向視場偏移量約為1.8°，偏移比例約為1/30，物方畸變控制在很小的范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3