[发明专利]同轴四反超低畸变光学系统

说明书

技术领域

本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种适用于星载空间对地的超低畸变高精度立体测绘成像光学系统，特别是涉及一种同轴四反超低畸变光学系统。

背景技术

随着空间光学遥感技术的不断发展，对于测绘相机的光学系统要求也日益严格。

测绘卫星主要任务是携带满足立体摄影要求的成像传感器对地球表面进行立体摄影，获取地物的多维图像数据，利用测绘处理技术对图像数据进行处理，精确测定地貌、地物形状、大小、属性和空间位置信息，然而光学系统的畸变大小决定着图像数据的几何定位精度，直接影响图像最终的测绘精度。

目前世界上有多个国家成功发射了立体测绘相机，其中比较有代表性的包括有美国的IKONOS-2上的CCD立体测绘相机、德国的三线阵CCD测绘相机MEOSS、日本研制ALOS卫星上的立体测绘全色遥感仪器(PRISM)。其中美国的IKONOS-2上的CCD立体测绘相机，焦距为10m，地面分辨率达到1m采用同轴三镜消像散(TMA)光学系统结构型式，主、次、三镜均采用非球面设计；德国的单镜头三线阵CCD测绘相机(MEOSS)，焦距仅为61.6mm，采用透射式结构型式，地面像元分辨率仅为52m×80m；日本ALOS卫星上的立体测绘相机采用光学系统是离轴三镜消像散(TMA)的系统结构，焦距为2m，像元分辨率2.5m。

目前已成功发射的立体测绘相机的光学系统型式有透射式系统、离轴反射式三镜消像散系统和同轴反射式三镜消像散系统。对于长焦距高分辨率立体测绘相机，透射式系统由于材料尺寸及其特性的限制而无法采用。因此高分辨立体测绘采用的光学系统形式目前主要局限于离轴反射式三镜消像散系统和同轴反射式三镜消像散系统。其中离轴反射式系统反射镜的加工难度极大，反射镜加工、检测和装调都不能采用传统的方法，光学设计切向子午畸变难以控制，系统工程化难度大，温控精度很难保证，尤其不适合敏捷型立体测绘相机的光学系统。而同轴反射式三镜消像散系统虽然系统工程实现性好，易于实现高精度温控，但无法实现大视场，系统畸变难以消除。目前已成功在轨运行的采用同轴反射式三镜消像散结构型式的立体测绘相机光学系统畸变都大于百分之一量级，当采用长线阵探测器时绝对畸变值很大，后期修正困难，很难满足未来测绘相机的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供同轴四反超低畸变光学系统，适用于高精度星载立体测绘相机，可实现高像质、超低畸变和高稳定性，并可大大降低大口径主镜的加工难度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

同轴四反超低畸变光学系统，包括主镜、次镜、三镜、四镜、平面反射镜和接收像面，其中主镜、次镜、三镜、四镜和平面反射镜的光轴在同一直线上，平面反射镜位于三镜与四镜之间，主镜与次镜构成经典R-C系统，并形成一次实像，一次实像经过三镜、四镜中继成像并通过平面反射镜(5)折转至接收像面处；主镜、次镜和三镜构成同轴TMA系统并承担绝大部分光焦度，四镜在光学系统成像中承担较小光焦度，承担的光焦度占总光焦度的10-20％；光学系统孔径光阑位于主镜上，四镜置于系统出瞳位置处。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜和四镜的材料为碳化硅，微晶玻璃或熔石英。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜和四镜的反射面镀有铝或银材料的金属高反射率反射膜。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，接收像面为线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜与三镜的二次项系数为-1.5～0，四镜的二次项系数大于-10。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，平面反射镜位于三镜与四镜之间，且距离四镜280-370mm位置处。

在上述同轴四反超低畸变光学系统中，主镜、次镜、三镜、四镜面型均为非球面反射镜，其中主镜面型近似抛物面，四镜面型为具有大二次项系数的小非球面度双曲面。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明在同轴TMA光学系统的基础上引入小光焦度大非球面系数四镜，四镜位于系统出瞳附近，通过四镜的非球面系数校正系统光瞳像差，使系统实现超低畸变，畸变值仅为百万分之三，体积为同类指标离轴反射系统的1/2左右，这种长焦距、超低畸变同轴四反光学系统作为高精度立体测绘相机光学系统优势十分明显。