專利名稱：一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸tma光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光 學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前的離軸三反射消像散(TMA)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計為了消除各種像差，三個反射鏡 全部設(shè)計為非球面，因此，不僅給加工和檢測制造了很大的困難，同時給系統(tǒng)的裝調(diào)增添了 很多麻煩，以致使系統(tǒng)難于達(dá)到光學(xué)設(shè)計的指標(biāo)，甚至不能滿足光學(xué)系統(tǒng)的成像指標(biāo)要求， 這也是長期以來一直限制此類光學(xué)系統(tǒng)快速應(yīng)用與發(fā)展的原因。高分辨率空間遙感，無論在軍事還是民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，目前空間遙 感的主要形式仍是通過光學(xué)相機對地觀測。在大孔徑折射和折反式光學(xué)系統(tǒng)中，需采用特 殊光學(xué)材料或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來消二級光譜，應(yīng)用受到一定的限制。而反射光學(xué)系統(tǒng)由于不產(chǎn) 生色差、可用于寬光譜成像；可光路折疊，縮短筒長，結(jié)構(gòu)緊湊；各反射面可采用非球面，以 提高像質(zhì)，并能減少零件數(shù)，實現(xiàn)輕量化；對溫度的變化不敏感、同時具有空氣中和真空中 焦面位置一致的性質(zhì)等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于空間遙感器中。離軸三反光學(xué)系統(tǒng)通過各反射面 的非球面及其間隔等參數(shù)可以達(dá)到消像差、平像場要求，同時，近年由于加工、裝調(diào)工藝的 日臻成熟及其體積小、質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，三反光學(xué)系統(tǒng)在空間遙感領(lǐng)域得到了廣 泛的應(yīng)用。但離軸非球面由于受到設(shè)計、加工、檢測和裝調(diào)等方面制約，長期以來一直限制其 快速發(fā)展，在拋光階段必須通過補償器和干涉儀控制其加工過程以及最終檢驗，補償器的 加工和裝調(diào)又增加了新的難度。尤其是凸非球面次鏡加工和檢驗更加困擾著科技工作者， 若次鏡材料為透射材料，可以通過背部檢測，但對材料的應(yīng)力均勻性、穩(wěn)定性都要求極高， 為了提高反射鏡材料的特性，近年都采用SiC材料。只能通過Hindle檢測或衍射光學(xué)檢測 方法，Hindle球的加工不僅困難，而且增加了許多成本，同時通過Hindle球檢測次鏡的光 路調(diào)整也較繁瑣和困難；通過衍射光學(xué)方法檢測，中心光軸的調(diào)整又是一大難題。目前采用的三反射式光學(xué)系統(tǒng)的相機，普通的共軸三反射系統(tǒng)中，不可避免地存 在著較大的遮攔，因而對傳函值(MTF)有著較大的影響，很難獲得比較高傳函值(MTF)的 值；離軸的TMA系統(tǒng)中，有些結(jié)構(gòu)形式的成像位置不好，相機不好布局，或者為增大視場角 三個反射面都設(shè)計為非球面；次鏡使用特殊鏡面材料加工困難(如碳化硅)，而且檢測也非 常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的加工、檢測和裝調(diào)困難進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)難于 達(dá)到光學(xué)成像指標(biāo)的問題，提供一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)?！N降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)，包括無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，主反射鏡，次反 射鏡，第三反射鏡和成像接收器，無窮遠(yuǎn)目標(biāo)入射至主反射鏡，經(jīng)主反射鏡反射至次反射鏡，經(jīng)所述次反射鏡反射至第三反射鏡后被成像接收器接收；所述次反射鏡為球面，主反射 鏡與第三反射鏡為非球面，且主反射鏡與第三反射鏡的二次項系數(shù)設(shè)置為零，所述主反射 鏡、第三反射鏡為含六次項和八次項的高次非球面。本發(fā)明的原理本發(fā)明通過合理地安排光學(xué)結(jié)構(gòu)，將次鏡設(shè)計為球面以及將主鏡 和三鏡在球面基礎(chǔ)上通過改變高次非球面系數(shù)等設(shè)計，使得離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果 達(dá)到了衍射極限光學(xué)特性，傳遞函數(shù)值在501p時都接近0.6的成像質(zhì)量，很好地滿足空間 遙感器對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求。解決了凸非球面次鏡的加工和檢驗難題，同時，主反射 鏡和第三反射鏡二次非球面系數(shù)為零，可以在球面基礎(chǔ)上通過數(shù)控加工手段銑磨面型，不 需要補償器，可以直接用波前重構(gòu)測量法檢測面型，從而控制加工。以上可以看出，此設(shè)計 易于實現(xiàn)三反射鏡的加工、檢測及裝調(diào)，從而為三反射光學(xué)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了借鑒和 實用參考價值。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的TMA光學(xué)系統(tǒng)避開了中心遮攔，可以取得較好 的像質(zhì)，離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)寬視場高分辨率的要求，工藝性較好，容易加工；將次 鏡設(shè)計為球面，克服了加工和檢驗的難度，同時有利于實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)；將主反射鏡和 第三反鏡的二次圓錐曲面系數(shù)設(shè)置為零，只保留四次和六次高次項，更加降低了加工和檢 測的難度；同時給裝調(diào)提供了極大的方便，有助于獲得衍射極限的光學(xué)特性；本發(fā)明所述 的TMA光學(xué)系統(tǒng)適合于較大的視場角，體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，能獲得較高的函數(shù)值 (MTF)的光學(xué)系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明所述的一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2為本發(fā)明所述的一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的點列示意 圖；圖3為本發(fā)明所述的一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的能量分布示 意圖；圖4為本發(fā)明所述的一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)中傳遞函數(shù)關(guān) 系示意圖。圖中1、無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，2、主反射鏡，3、次反射鏡，4、第三反射鏡，5、成像接收器。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖1說明本實施方式，一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA 光學(xué)系統(tǒng)，包括無窮遠(yuǎn)目標(biāo)1，主反射鏡2，次反射鏡3，第三反射鏡4和成像接收器5，所述 無窮遠(yuǎn)目標(biāo)1入射至主反射鏡2，經(jīng)主反射鏡2反射至次反射鏡3，經(jīng)所述次反射鏡3反射 至第三反射鏡4后被成像接收器5接收；所述次反射鏡3為球面，主反射鏡2與第三反射鏡 4為非球面，且主反射鏡2與第三反射鏡4的二次項系數(shù)設(shè)置為零，所述主反射鏡2和第三 反射鏡4為含六次項和八次項的高次非球面。
具體實施方式
二、結(jié)合圖2、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式為具體實施方 式一所述的一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的實施例
本實施例的光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)確定要求為焦距f' = 2000m，相對孔徑D/f'= 1/8，D為光學(xué)系統(tǒng)的口徑，視場角17°，離軸角4.5°。系統(tǒng)的觀測波段為可見光波段為 0. 5 μ m 0. 7 μ m，成像接收器為像元10 μ m的TDI (XD。所述衛(wèi)星軌道高度lOOOKm，像元 分辨率5m，像元大小10 μ m,地面覆蓋寬度^8Km。光學(xué)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示表 權(quán)利要求
1. 一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)，包括無窮遠(yuǎn)目標(biāo)(1)、主反射鏡O)、 次反射鏡(3)、第三反射鏡(4)和成像接收器(5)，所述無窮遠(yuǎn)目標(biāo)(1)入射至主反射鏡 O)，經(jīng)主反射鏡O)反射至次反射鏡(3)，經(jīng)所述次反射鏡(3)反射至第三反射鏡(4)后 被成像接收器(5)接收；其特征是，所述次反射鏡(3)為球面，主反射鏡(2)與第三反射鏡 (4)為非球面，且所述主反射鏡O)與第三反射鏡的二次項系數(shù)設(shè)置為零，所述主反射 鏡O)、第三反射鏡(4)為含六次項和八次項的高次非球面。
全文摘要
一種降低加工和裝調(diào)難度的離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)，涉及空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)的加工、檢測和裝調(diào)困難進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)難于達(dá)到光學(xué)成像指標(biāo)的問題，本發(fā)明將次反射鏡設(shè)計為球面，主反射鏡與第三反射鏡設(shè)計為非球面，且二次項系數(shù)設(shè)置為零，所述主反射鏡和第三反射鏡分別為含六次項和八次項的高次非球面；使離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到了衍射極限光學(xué)特性，本發(fā)明的傳遞函數(shù)在50lp時接近0.6的成像質(zhì)量，Strehl Rate由0.91提高到0.93；面形加工公差由λ/50放寬到λ/40；主、次、三鏡的裝調(diào)公差放寬4倍。本發(fā)明降低了加工及裝調(diào)難度，有助于系統(tǒng)實現(xiàn)衍射極限的光學(xué)特性。
文檔編號G02B17/06GK102062936SQ20101060415
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者任建岳, 張星祥, 李麗富, 趙文才, 陳長征 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所