[发明专利]小形状因子基于四镜的成像系统

说明书

本申请描述了一种全反射光学系统，包括：凹面主镜，具有中心孔和半径，主镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凸面二级镜，面向主镜，二级镜具有非球表面，其中，光轴从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点；凹面三级镜，布置在主镜的后面，三级镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球面表面中的一个；凹面四级镜，布置在主镜的中心孔中或主镜的后面，四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；以及至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器，其中，图像平面定位成距光轴的径向距离不超过主镜的半径。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月11日提交的第62,885,296号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容出于所有目的通过引用整体并入本文，并形成本说明书的部分。

技术领域

本公开总体上涉及光学成像系统，并且更具体地涉及用于卫星或飞行器中的基于小形状因子基于四镜的光学成像系统。

背景技术

光学成像系统在许多应用中有用，例如成像行星或恒星。已知的用于卫星成像的光学系统设计包括传统的三镜消像散(TMA，Three Mirror Anastigmat)设计和科尔施(Korsch)设计。光学成像的现有解决方案在尺寸和相应的分辨率能力方面有缺陷。因此需要改进光学成像。

发明内容

在一方面，公开了一种全反射光学系统。该全反射光学系统包括：具有中心孔和半径的凹面主镜，该主镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凸面二级镜，面向主镜，二级镜具有非球表面，光轴从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点；凹面三级镜，布置在主镜后，三级镜具有抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；凹面四级镜，布置在主镜的中心孔中或主镜后，四级镜具有球表面、抛物表面、非抛物锥形表面或非球表面中的一个；以及，至少一个图像平面，具有一个或多个聚集传感器。图像平面定位在距光轴不大于主镜半径的距离处。

在一些实施方式中，光学系统还可包括位于主镜或二级镜附近的入射光瞳、以及位于以下位置之一的出射光瞳或李奥(Lyot)光阑：1)四级镜附近，2)在三级镜与四级镜之间，以及3)在四级镜与图像平面之间。

在一些实施方式中，光学系统还可包括一个或多个折叠镜，该一个或多个折叠镜布置成将光线从四级镜偏转到图像平面，其中，该一个或多个折叠镜可配置成折叠光线路径。基于使用第一折叠镜，出射光瞳可位于三级镜与四级镜之间，或者位于四级镜与第一折叠镜之间。折叠镜中的一个可相对于该系统的光轴倾斜特定角度。位于图像平面前的折叠镜中的一个可在相同的光谱范围上用反射和透射部分加宽视场，其中每个部分均可对应于该一个或多个传感器中的特定传感器。位于图像平面前的折叠镜中的一个可实现同时的多色成像，其中折叠镜中的一个可在第一光谱范围上反射，并且在其它光谱范围上透射，并且可在第二光谱范围上反射，以及在其它光谱范围上透射，其中聚集传感器中的一个可专用于第一光谱范围，以及聚集传感器中的不同传感器可专用于第二光谱范围。

在一些实施方式中，定义为二级镜与三级镜之间的距离与光学系统的有效焦距之比的形状因子可小于0.09。主镜和二级镜的顶点可形成光轴，该光轴可为从主镜的顶点延伸至二级镜的顶点的几何参考线。主镜和二级镜可为关于光轴对称的或周期性的。周期镜的对角线可具有与图像平面的对角线成零度或45度的角度。三级镜的光轴可不与机械轴重合。

在一些实施方式中，二级镜的半径可在有效焦距的1％至3％的范围内，以及二级镜的半径可在有效焦距的2％至3％的范围内。四级镜的半径可在有效焦距的6％至22％的范围内。

在一些实施方式中，折叠镜可实现同时的多色成像，其中折叠镜中的每个均可在特定光谱范围上是反射的，并且在其它光谱范围上是透射的，以及其中，每个添加的折叠镜和聚集传感器中的相应的一个可与不同的光谱范围相关联。