[发明专利]一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统

说明书

技术领域

本发明属于空间光学技术领域中涉及的一种长焦距短结构非球的面共轴四反射镜光学系统。

背景技术

从基本理论可知，当空间相机轨道高度和CCD像元尺寸一定时，随着光学系统焦距的增加，可以提高地面的像元分辨率，通常把焦距超过1m的光学系统称为长焦距光学系统。传统的折射式光学系统随着焦距的增长将导致光学系统体积增大，使得光学系统的质量增大，从而增加了发射成本，同时，折射式光学系统色差校正困难。相比之下，反射式光学系统无色差，光学系统可折叠，在小体积、轻量化的发展道路上具有明显的优势。

全部由反射镜组成的光学系统在航天遥感的应用中备受关注，愈来愈多的应用于空间分辨率为米级和亚米级航天相机上。按系统中反射镜个数分类，反射式光学系统一般可分为：两反射镜光学系统，三反射镜光学系统以及四反射镜光学系统等。两反射镜光学系统结构简单，但是自由度太少，不能同时校正多种像差；三反射镜光学系统有更多的自由度，能校正更多的像差，但是，由于三反射镜光学系统的设计自由度不足以校正所有像差，通常由于畸变过大，系统成像变形严重，影响了其应用范围；在长焦距光学系统中，往往因为系统的结构长度和焦距的比值比较大，致使光学系统体积大，增大了光学系统的质量，增加了发射成本。四反射镜光学系统是在三反射镜光学系统的基础上再加一片反射镜，系统的自由度更大，能做到长焦距短结构，在空间光学领域有很大的应用前景。经检索查新没有发现有关长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统的报导。

发明内容

本发明的目的在于：在保证平像场，50lp/mm频率处传递函数>0.45，全视场畸变<0.01%，以及四片非球面反射镜共轴的前提下，尽可能的做大光学系统的焦距，以获得高的地面像元分辨率，同时控制光学系统焦距与结构长度的比值，以减小光学系统的体积，降低发射成本。特设计一种长焦距、短结构、无中心遮拦、像差特性优良的共轴非球面四反射镜光学系统。

本发明要解决的技术问题是：提供一种长焦距短结构的共轴非球面四反射镜光学系统。解决技术问题的技术方案：如图1所示，包括主镜1、次镜2、光阑3、三镜4、四镜5、平面反射镜6和探测器像面7。主镜1、次镜2、三镜4和四镜5共轴排布，次镜2放置在主镜1的反射光路上，三镜4放置在次镜2的反射光路上，将光阑3置于次镜2的镜框上，两者固连，四镜5放置在三镜4的反射光路上，平面反射镜6放置在四镜5的反射光路上，离轴角为-49°起到折叠后焦距的作用，探测器像面7放置在四反射镜光学系统的焦面上，离轴角为-49°；在该共轴四反射镜光学系统的光路连接中各镜之间的距离分别为：次镜2到主镜1的距离为d1、三镜4到次镜2的距离为d2、四镜5到三镜4的距离为d3、平面反射镜6到四镜5的距离为d4、探测器像面7到平面反射镜6的距离为d5，其中，d1=-418.645mm，d2=420.000mm，d3=-415.000mm，d4=750.000mm，d5=-384.953；主镜1、次镜2、三镜4和四镜5，四个镜面的顶点曲率半径分别为： R1、R2、R3、R4，其中，R1=-1902.171mm，R2=-1277.557mm，R3=-1492.532mm，R4=-1237.540mm；四个反射镜的反射面型均采用非球面，其中，主镜1和次镜2为双曲面，主镜1的二次曲面系数为k1，k1=-2.349，次镜2的二次曲面系数为k2，k2=-8.198；三镜4和四镜5为包含二阶与六阶项的高次非球面，其中，三镜4二次曲面系数为k3，k3=-7.514，二阶非球面系数为A3，A3=3.926E-4，六阶非球面系数为C3 ，C3=6.094E-16；四镜5的二次曲面系数为k4，k4=-0.310，二阶非球面系数为A4，A4=-2.180E-4，六阶非球面系数为C4，C4=2.050E-17。此光学系统的焦距长2466mm，焦距与结构长度比约为5.3/1，为无中心遮拦的共轴非球面四反射光学系统。

本发明的工作原理：本光学系统为了使成像光束能清晰成像在探测器像面7上，采用了偏视场设计，成像光束在子午方向偏离光轴7°~7.3°角进入光学系统，经过主镜1、次镜2、三镜4、四镜5以及平面反射镜6五片反射镜的反射后，最终成像在探测器像面7上。为了实现偏视场无中心遮拦的设计，将光阑3设置在次镜2的镜框上；为获取优良的像差特性，利用非球面来校正像差，使得成像系统的成像质量接近衍射极限。在o-xyz右手坐标系中，球面和非球面的数学描述如下：