一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统技术方案

一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，包括第一反射镜、孔径光阑、第二反射镜和像面。目标入射光线首先经过第一反射镜汇集于孔径光阑处，之后经第二反射镜成像于像面处。孔径光阑位于第二反射镜前焦点位置，实现望远系统为像方远心系统，将带有狭缝的光栅分光系统放置在像面处，有利于光瞳匹配。第一反射镜和第二反射镜具有不同的半径，均采用了自由曲面，用于对全视场进行像差校正，实现高质量成像。望远系统为离轴系统，采用偏轴设计，第一反射镜和第二反射镜与入射方向存在一定夹角，实现系统无遮拦。本发明专利技术提供一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，可实现线视场108.8

【技术实现步骤摘要】
一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统


[0001]本专利技术属于航天光学遥感
，涉及一种光学成像系统。

技术介绍

[0002]近年来，温室气体的浓度逐年升高，所引起的气候问题已经成为全球关注的重大环境问题之一。从近年来全球碳源汇的数据分析结果来看，估算不确定度仍然较大，因此对大气成分及浓度分布进行高精度探测并提升定量化反演精度对于更准确获取全球区域碳源汇数据十分必要，高光谱分辨率、大视场、宽光谱覆盖是大气超光谱探测仪的重要研究方向。超光谱探测仪光学系统主要包含望远系统和光谱分光系统，望远系统用于将被测目标成像在狭缝处，光谱分光系统则对狭缝进行光谱分光和光谱成像。离轴反射系统具有无色差、结构简单、无遮拦、宜轻量化等优点，是望远系统的主要使用形式。
[0003]适用于宽视场应用的离轴反射系统有凸凹离轴两反系统和凹凸凹离轴三反系统。现有技术中，文献“大相对孔径宽视场无遮拦平场两反射镜望远物镜分析与设计”(周正平，赵知城等，光学学报，2015，35(3)：0322002)”论述了一种凸凹离轴两反系统，反射镜面形采用扁球形二次曲面，可实现宽视场、大相对孔径设计，但缺点是X方向线视场仅达到40
°
，且孔径光阑为虚光阑，消杂光设计复杂。专利CN106383401A一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统提供了一种凹凸凹离轴三反系统，在凸凹离轴两反系统基础上，于凸面反射镜之前添加一块凹面反射镜，主镜采用球面，次镜和三镜采用扁球形二次曲面，X方向线视场达到108
°
，但不足之处在于增加了一块反射镜，使得系统体积变大，同时应用于紫外谱段时透过率损失增多。
[0004]相较于球面、非球面而言，非旋转对称自由曲面能够提供更多的设计自由度、更强的像差设计能力，能够很好地解决大视场非轴对称系统的三级像差、高级像差平衡问题，从而增大光学系统的视场。自由曲面强大的像差校正能力在提升光学系统成像质量的同时，还能够减小光学系统的体积和重量。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，在保证无遮拦、像方远心的前提下，提供了一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，利用自由曲面进行超大视场像差校正，X方向线视场高达108.8
°
，能够适用于紫外到红外波段。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，包括第一反射镜、孔径光阑、第二反射镜和像面；被测目标入射光线首先经过第一反射镜汇集于孔径光阑处，之后经第二反射镜成像于像面处；所述望远系统为离轴系统，采用偏轴设计，第一反射镜和第二反射镜与入射方向存在一定夹角。
[0007]第一反射镜和第二反射镜均为具有正光焦度的反射镜，二者曲率半径不相同，表面镀反射膜，光谱范围可覆盖紫外到红外谱段。
[0008]孔径光阑位于第二反射镜前焦点处，望远系统为像方远心系统。
[0009]所述反射镜面形采用非旋转对称自由曲面进行描述，自由曲面方程表达为：Zernike多项式、XY多项式：
[0010]Zernike多项式：
[0011][0012]其中z为矢高，x、y为曲面上点的空间坐标，c为顶点曲率，k为曲面二次系数，Z
i
为第i项Zernike多项式，C
i+1
为Z
i
的系数。
[0013]XY多项式：
[0014][0015]j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1,(m+n≤10)
[0016]其中，C
j
为对应多项式的系数。
[0017]通过改变自由曲面多项式系数，系统在弧矢X和子午Y两个方向既可以具有相同焦距，也可以具有不同焦距。
[0018]孔径光阑形状可以选择圆形或者矩形。
[0019]第一反射镜绕入射方向转角为5.42
°
，第二反射镜绕入射方向转角为
‑
5.14
°
。
[0020]第一反射镜顶点曲率半径为
‑
90.887mm，第二反射镜顶点曲率半径为190.47mm。
[0021]所述系统入瞳为矩形，口径3.78mm
×
6.8mm，焦距34mm
×
68mm，视场108.8
°×
0.85
°
，工作谱段范围为270nm
‑
2380nm。
[0022]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0023](1)与凸凹离轴两反系统相比，利用自由曲面强大的像差校正能力实现超大视场设计，X方向线视场角高达108.8
°
。
[0024](2)与专利CN106383401A一种超宽视场离轴三反射镜光学成像系统相比，反射镜数量减少一块，应用于紫外谱段时(反射镜反射率按0.85计算)，透过率可提升17％。
[0025](3)孔径光阑位于第二反射镜前焦点处，实现像方远心，光阑为实光阑。
[0026](4)系统为离轴反射系统，无需考虑色差，可工作于紫外到红外谱段。
附图说明
[0027]图1为本专利技术望远系统光路侧视图；
[0028]图2为本专利技术望远系统光路俯视图；
[0029]图3为本专利技术望远系统调制传递函数曲线图。
具体实施方式
[0030]本专利技术实施案例提供的望远系统技术方案适用于空间相机、大气超光谱探测仪等领域。
[0031]如图1和图2所示，分别是为本专利技术望远系统的光路侧视图和俯视图，包括第一反射镜1，孔径光阑2，第二反射镜3和像面4。
[0032]本专利技术的一个实施方案为：入瞳为矩形，口径3.78mm
×
6.8mm，焦距34mm(X方向)
×
68mm(Y方向)，视场108.8
°×
0.85
°
，工作谱段范围为270nm
‑
2380nm。
[0033]被测目标入射光线首先经过第一反射镜1汇集于孔径光阑2处，之后经第二反射镜3成像于像面4处。望远系统为离轴系统，采用偏轴设计，第一反射镜1和第二反射镜3与入射方向存在一定夹角，第一反射镜1绕X轴转角为5.42
°
，第二反射镜3绕X轴转角为
‑
5.14
°
。第一反射镜1和第二反射镜3均为具有正光焦度的反射镜，二者顶点曲率半径不相同，面形采用非旋转对称自由曲面，自由曲面采用XY多项式进行描述。通过改变自由曲面多项式系数，实现系统X方向焦距为34mm，Y方向焦距68mm。孔径光阑2为矩形，位于第二反射镜3前焦点位置，望远系统为像方远心系统。
[0034]望远系统光学参数如表1～表2所示。
[0035]表1望远系统光学参数
[0036][0037]表2反射镜XY多项式系数
[0038] 第一反射镜第二反射镜归一化半径6145X20.474654499578018...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，其特征在于：包括第一反射镜(1)、孔径光阑(2)、第二反射镜(3)和像面(4)；被测目标入射光线首先经过第一反射镜(1)汇集于孔径光阑(2)处，之后经第二反射镜(3)成像于像面(4)处；所述望远系统为离轴系统，采用偏轴设计，第一反射镜(1)和第二反射镜(3)与入射方向存在一定夹角。2.根据权利要求1所述的一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，其特征在于：第一反射镜(1)和第二反射镜(3)均为具有正光焦度的反射镜，二者曲率半径不相同，表面镀反射膜，光谱范围可覆盖紫外到红外谱段。3.根据权利要求1所述的一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，其特征在于：孔径光阑(2)位于第二反射镜(3)前焦点处，望远系统为像方远心系统。4.根据权利要求2所述的一种超宽幅自由曲面离轴两反望远系统，其特征在于：所述反射镜面形采用非旋转对称自由曲面进行描述，自由曲面方程表达为：Zernike多项式、XY多项式：Zernike多项式：其中z为矢高，x、y为曲面上点的空间坐标，c为顶点曲率，k为曲面二次系数，Z
i
为第i项Zernike多项式，C
i+1
为Z
i
的系数。XY多项式：XY多项式：其中，C
j
为对应多...

【专利技术属性】
技术研发人员：安宁，李碧岑，肖大舟，王伟刚，侯立周，李欢，王保华，李立金，刘志敏，赵艳华，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：