一种全视场使用的共轴三反射光学系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种全视场使用的共轴三反射光学系统，该光学系统像面上的ＣＣＤ如下排布：１）根据光学系统焦距的ｆ，视场角２ｗ，线遮拦系统系数α，计算出光学系统的像面范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范围；２）根据渐晕区的直径范围Ｄ１计算出所需ＣＣＤ的长度，假设单条ＣＣＤ的有效像元长度为ｄ，则应使ｎｄ≥２ｒ（ｎ＝１，３，５，．．．．），同时，所述ＣＣＤ沿像面的径向排布在非渐晕区，则使参与推扫成像的ＣＣＤ全部处于无渐晕区内。本实用新型专利技术通过对折轴反射镜的形状的设计以及各种反射镜的布置，减小了装配的难度，完全消除了光学系统的像差；充分利用了光学系统的视场扩大了相机的地面覆盖宽度。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光学应用技术，具体涉及到一种长焦距、全视场使用的共轴三反 射光学系统。技术背景现在空间相机上普遍使用的共轴三反光学系统由于次镜对系统所造成的中心遮 拦，将导致像面上存在渐晕区域，为了避免使CCD处于渐晕区导致像面上照度不均勻，一般 采用偏视场使用的方案，但偏视场使用的共轴三反光学系统将使光学系统的有效视场角变 小，不能有效利用光学系统的视场角，不利于提高相机的地面幅宽，降低了相机系统的效率
技术实现思路
本技术的目的是解决
技术介绍
中所述的现有的偏视场使用的共轴三反光学 系统有效视场角变小、幅宽降低的缺陷。而提供了一种长焦距、全视场使用的折轴三反光学系统，全部利用了光学系统的 视场。可以满足以推扫形式成像的空间相机的使用要求。本技术的解决方案是一种全视场使用的共轴三反射光学系统，其特殊之处 在于该光学系统像面上的CCD如下排布1)根据光学系统焦距的f，视场角2w，线遮拦系统系数α，计算出光学系统的像面 范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范围由公式(1)计算出光学系统的像高H H = f Xtan w (1)像面范围为D D= JiH2(2)由公式(3)计算出渐晕区的半径r r = HX α (3)渐晕区范围为D1 = π r2 (4)无渐晕区的范围为D0 = D-D1 = π (H2-r2) ； (5)2)根据渐晕区的直径范围D1计算出所需CCD的长度，假设单条CCD的有效像元长 度为d，则应使nd彡2r (η = 1，3，5，...)，同时，所述CCD沿像面的径向排布在非渐晕区，则 使参与推扫成像的CCD全部处于无渐晕区内。通过在最终像面上合理的排布(XD，使图像传感器完全处于非渐晕区，避免了渐晕 导致像面上的照度不均勻的问题。所使用的光学系统之一包含主反射镜1和次反射镜2，与主、次镜光轴成45°夹3角放置的折轴反射镜4、第三反射镜3和像面5组成；该系统的特殊之处为，处于与主次镜 光轴成45°夹角放置的折轴反射镜4即要反射主次镜的入射光线，又要使三反射镜的反射 光线从折轴反射镜4中穿过，且两者的光束要完全分离不能发生干扰，因此本技术设 计了一种形状为马蹄形的折轴反射镜4和形状构成是由中心设置光孔的矩形和一梯形的 底部相接而成的，且该梯形的底部宽度与和其相接的该矩形的一边的边长相等的折轴反射 镜4 ；这两种折轴反射镜4的反射面用于反射主、次镜的反射光线，中间的光孔用于透过第 三反射镜3的反射光线。由于以上两种折轴反射镜4的加工制造有一定的难度，因此本技术提供了另 一种光学系统，其组成仍有主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3、折轴反射镜4和像面5组 成，且主反射镜1、次反射镜2、第三反射镜3同轴布置，折轴反射镜4可以在其与第三反射 镜3的光轴所成的35° 55°角度范围内以任意位置放置于出瞳附近。为了避免二次遮拦问题，本技术还提供第三种折轴反射镜4，该折轴反射镜的 形状是长方体，该长方体的四角均是圆角。本技术通过对折轴反射镜的形状的设计以及各种反射镜的布置，减小了装配 的难度，完全消除了光学系统的像差；本技术的光学系统适合于全视场使用的线阵推 扫成像的CCD相机，充分利用了光学系统的视场扩大了相机的地面覆盖宽度。附图说明图1为本技术光学系统像面上CXD排布方式示意图。图2为本技术的光路示意图；图3为本技术的折轴镜外形示意图一；图4为本技术的折轴镜外形示意图二 ；图5为本技术的另外一种光路示意图；图6为本技术另外一种光学系统的折轴镜示意图；图7为本技术光学系统的成像质量。具体实施方式参见图1，本技术所涉及一种全视场使用的共轴三反射光学系统，该光学系 统像面上的CXD如下排布1)根据光学系统焦距的f，视场角2w，线遮拦系统系数α，计算出光学系统的像面 范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范围由公式(1)计算出光学系统的像高H H = fXtan w (1)像面范围为D D = JiH2 (2)由公式(3)计算出渐晕区的半径r r = HX α (3)渐晕区范围为D1 = π r2 (4)无渐晕区的范围为D0 = D-D1 = π (H2-r2) ； (5)2)根据渐晕区的直径范围D1计算出所需CCD的长度，假设单条CCD的有效像元长 度为d，则应使nd彡2r (η = 1，3，5，...)，同时，所述CCD沿像面的径向排布在非渐晕区，则 使参与推扫成像的CCD全部处于无渐晕区内。根据光学系统参数计算出光学系统的像面范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范 围。然后根据渐晕区的直径范围计算出CCD的像面长度，然后通过合理的CCD排布方式使 全部参与推扫成像的CXD全部处于无渐晕区内，从而有效利用全部视场。参见图2，全视场使用的共轴三反光学系统由主反射镜1和次反射镜2，和主反射 镜1(次反射镜2)的光轴成45°夹角放置的折轴反射镜4、第三反射镜3和像面5组成，其 中主反射镜1和次反射镜2的光轴重合且次反射镜2设置在主反射镜1的反射光路上，折 轴反射镜4设置在次反射镜2的反射光路上，第三反射镜3设置在折轴反射镜4的反射光 路上，且第三反射镜3的反射光线穿过折轴反射镜4反射面的中间光孔入射到像面5。参见图3、4，本技术提供的两种不同形式的折轴反射镜4，其中，一种形状为 马蹄形的(马蹄形中空的部分做光孔用)，另一种的形状构成是由中心设置光孔的矩形和 一梯形的底部相接而成的，且该梯形的底部宽度与和其相接的该矩形的一边的边长相等的 折轴反射镜4 ；这两种折轴反射镜4的反射面用于反射主反射镜1 (次反射镜2)的反射光 线，中间的光孔用于透过第三反射镜3的反射光线。该折轴反射镜4不仅要反射主反射镜1 (次反射镜2)的反射光线，又要使第三反 射镜3的反射光线从折轴反射镜4中穿过，且两者的光束要完全分离不能发生干扰。同时 折轴反射镜4有一定的厚度，因此设置在其上的中心通光孔需要有一定的向外倾角Q即光 孔自所述折轴反射镜的反射面至该折轴反射镜的背面的倾角，计算公式如下所示Q = arctan (H/D)其中H为光学系统的像面高度，D为出瞳到像面的距离。请描述清楚该倾角的方向，并请在图中标注示意。参见图5，该光学系统像面上视场排布仍采用图1的形式，光学系统组成仍由主反 射镜1、次反射镜2、第三反射镜3、折轴反射镜4和像面5组成，且主反射镜1、主反射镜2、 第三反射镜3三者同轴布置，完全消除了光学系统的像差，折轴反射镜4可以在其与第三反 射镜3的光轴所成的35° 55°角度范围内以任意位置放置于出瞳附近，这里将折轴反 射镜4放置在出瞳位置，其大小和出瞳的大小相同。参见图6，由于以上两种折轴反射镜的外形较为复杂，加工制造较困难，因此应用 受到一定的限制，为此，本技术在图5所示的光学系统的基础上设计了第三种形状的 折轴反射镜，该折轴反射镜不仅体积较小，而且外形结构较为简单，通过在出瞳位置附近放 置折轴反射镜，可以将第三反射镜的出射光线完全反射，同时又可以避免遮拦主次镜的出 射光线，不会造成二次遮拦的问题。参见图7，本技术的两种光学系统的成像质量均接近衍射极限，成像质量完 好。值得注意的是，本技术的这两种光学系统适合于全视场使用的线阵推扫成像 的CCD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全视场使用的共轴三反射光学系统，其特征在于：该光学系统像面上的ＣＣＤ如下排布：１）根据光学系统焦距的ｆ，视场角２ｗ，线遮拦系统系数α，计算出光学系统的像面范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范围：由公式（１）计算出光学系统的像高Ｈ：Ｈ＝ｆ×ｔａｎｗ（１）像面范围为Ｄ：Ｄ＝πＨ↑［２］（２）由公式（３）计算出渐晕区的半径ｒ：ｒ＝Ｈ×α（３）渐晕区范围为：Ｄ↓［１］＝πｒ↑［２］（４）无渐晕区的范围为：Ｄ↓［０］＝Ｄ－Ｄ↓［１］＝π（Ｈ↑［２］－ｒ↑［２］）；（５）２）根据渐晕区的直径范围Ｄ↓［１］计算出所需ＣＣＤ的长度，假设单条ＣＣＤ的有效像元长度为ｄ，则应使ｎｄ≥２ｒ（ｎ＝１，３，５，…），同时，所述ＣＣＤ沿像面的径向排布在非渐晕区，则使参与推扫成像的ＣＣＤ全部处于无渐晕区内。

【技术特征摘要】
一种全视场使用的共轴三反射光学系统，其特征在于该光学系统像面上的CCD如下排布1)根据光学系统焦距的f，视场角2w，线遮拦系统系数α，计算出光学系统的像面范围、渐晕区的范围和无渐晕区的范围由公式(1)计算出光学系统的像高HH＝f×tanw (1)像面范围为DD＝πH2 (2)由公式(3)计算出渐晕区的半径rr＝H×α(3)渐晕区范围为D1＝πr2(4)无渐晕区的范围为D0＝D D1＝π(H2 r2)； (5)2)根据渐晕区的直径范围D1计算出所需CCD的长度，假设单条CCD的有效像元长度为d，则应使nd≥2r(n＝1，3，5，....)，同时，所述CCD沿像面的径向排布在非渐晕区，则使参与推扫成像的CCD全部处于无渐晕区内。2.根据权利要求1所述的全视场使用的共轴三反射光学系统，其特征在于所述系统 包括主反射镜、设置在主反射镜的反射光路上的次反射镜、设置在次反射镜的反射光路上 的折轴反射镜和设置在折轴反射镜的反射光路上的第三反射镜，所述主反射镜和次反射镜 的光轴重合；所述折轴反射镜的反射面上设置有光孔，该折轴反射镜与所述次反射镜的光 轴成45°角设置；所述第三反射镜的反射光线通过该光孔入射到成像面。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旭阳，李英才，马臻，易红伟，贺天兵，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]