專利名稱：一種提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法。
背景技術(shù)：
在光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置孔徑光闌，是為了限制入瞳孔徑的大小。目前常規(guī)的光學(xué)設(shè)計(jì)中，無論是同軸光學(xué)系統(tǒng)或離軸光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)設(shè)計(jì)中都采用圓形孔徑光闌。入瞳為孔徑光闌系統(tǒng)其前面的鏡組在物方空間的像，也就是說，孔徑光闌是圓的，則入瞳是圓的；孔徑光闌是方的，則入瞳為方形的，孔徑光闌形狀決定了整個光學(xué)系統(tǒng)的入瞳形狀。而入瞳大小就決定了光學(xué)系統(tǒng)的傳函和能量大小。隨著光學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求越來越高，大視場CookTMA光學(xué)系統(tǒng)具有視場大、分辨率高、無遮攔等優(yōu)點(diǎn)，已成為航天航空成像的一個重要發(fā)展方向。保證光學(xué)系統(tǒng)傳函是設(shè)計(jì)的一種重要指標(biāo)，而且要最大限度的降低重量、減小體積。對于常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)方法，在相同條件下(焦距不變，波長固定)，要提高光學(xué)系統(tǒng)傳函，就是增大入瞳口徑，也就是增大孔徑光闌的尺寸。這就增大了整個光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，也就增大整個光機(jī)結(jié)構(gòu)的體積大小和重量。在航天航空精密儀器領(lǐng)域，體積重量的增大，就可能影響整個設(shè)備的性能指標(biāo)，如支撐、加工等一系列問題。所以減小體積、降低重量、提高光學(xué)系統(tǒng)傳函是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，尤其是長焦、大視場Cook TMA系統(tǒng)。典型的大視場Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，主鏡和三鏡為長條狀離軸凹非球面，次鏡為圓形凸非球面，并在次鏡上設(shè)置圓形的孔徑光闌，口徑光闌(O、± I視場)在主鏡和三鏡上的投影如圖2中實(shí)線圓形所示，其圓形之外的長條反射鏡上的區(qū)域沒有得到充分的利用。其次，現(xiàn)在的成像光學(xué)系統(tǒng)，焦面處接受器件都采用(XD，而CXD的結(jié)構(gòu)尺寸都是方形或長方形。對于圓形孔徑光闌，在像面上的衍射光斑呈圓形，不能充分的利用成像CCD器件的光電轉(zhuǎn)換性能如圖3所示。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的衍射光斑應(yīng)盡量使與成像CCD像元形狀一致，實(shí)現(xiàn)最大光學(xué)成像能量最佳匹配，以提高系統(tǒng)傳函。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供一種利用長方形孔徑光闌，提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:一種提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法，包括以下步驟:根據(jù)探測器CCD的長方形結(jié)構(gòu)，將大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置為相匹配的形狀，使得所述孔徑光闌的衍射光斑與成像接收器件CCD的像元尺寸相匹配，提高所述大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的傳函。在上述技術(shù)方案中，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的長方形。在上述技術(shù)方案中，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的方形。
在上述技術(shù)方案中，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的橢圓形。在上述技術(shù)方案中，所述大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)包括:Cook TMA、Rug TMA和同軸 TMA。本發(fā)明具有以下的有益效果:本發(fā)明的提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法，在相同Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)等大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)的情況下，在乃奎斯特頻率處提高系統(tǒng)傳函約27% ；其次，采用長方形孔徑光闌能夠與最終的成像接收器件實(shí)現(xiàn)衍射的完全匹配，實(shí)現(xiàn)最大能量成像；第三，在光學(xué)設(shè)計(jì)分析中，采用長方形孔徑光闌，可在保持CookTMA系統(tǒng)等大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的條件下，縮短光學(xué)系統(tǒng)間隔，減小反射鏡尺寸，降低成本，降低了反射鏡和整機(jī)的支撐、加工和檢測的難度。第四，本發(fā)明從設(shè)計(jì)上、實(shí)施上都非常簡單、方便。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是典型Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)原理圖。圖2是圓孔徑光闌和長方形孔徑光闌在長條鏡上的投影關(guān)系示意圖。圖3是圓孔徑光闌衍射光斑圖。圖4是長方形孔徑光闌衍射光斑圖。圖5是長方形孔徑光闌和圓孔徑光闌傳函差。圖6是本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
中的光學(xué)系統(tǒng)圖。圖7是圖6所示的具體實(shí)施方式
中的長方形孔徑光闌和圓孔徑光闌衍射光斑在CXD上投影關(guān)系示意圖。圖8是圖6所示的具體實(shí)施方式
中的圓孔徑光闌的系統(tǒng)傳函。圖9是圖6所示的具體實(shí)施方式
中的長方形口徑光闌的系統(tǒng)傳函。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明思想是:本發(fā)明的提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法適用于Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)，同時也可應(yīng)用于其它大視場反射成像，如Rug TMA、同軸TMA。本發(fā)明在常規(guī)Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將設(shè)置在次鏡上的圓形孔徑光闌設(shè)計(jì)成長方形，則該孔徑光闌通過主鏡成像形成長方形入瞳，通過三鏡成像形成長方形出瞳，長方形入瞳面積大于正常內(nèi)切圓的入瞳面積。系統(tǒng)傳函正比于入瞳面積，增大面積，也就提高了傳函。而且探測器CCD光敏面結(jié)構(gòu)是方形或長方形結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上可使其正好與方形或長方形衍射光斑相匹配，充分利用探測器CCD的感光面積，提高能量，降低像元間的影響，提高傳函。在不改變Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)主要光機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和重量的情況下,增加了通光有效面積，長方形孔徑衍射光斑與探測器CCD形狀匹配，充分利用能量，降低衍射光斑對探測器間的串?dāng)_影響，發(fā)明一種將圓形孔徑光闌設(shè)計(jì)為長方形孔徑光闌，以提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做以詳細(xì)說明。以大視場Cook TMA反射成像光學(xué)系統(tǒng)為例，本發(fā)明方法如圖1、圖4所示。
本發(fā)明主要針對如圖1所示由長條形非球面主鏡1、圓形非球面次鏡2、長條形非球面三鏡3、焦面4、探測器(XD5和設(shè)置在次鏡上的圓形孔徑光闌6組成的大視場Cook TMA成像系統(tǒng)。本發(fā)明將Cook TMA系統(tǒng)的圓形次鏡2設(shè)計(jì)為長方形次鏡7、同時將設(shè)置在次鏡上的圓形孔徑光闌6設(shè)計(jì)為長方形孔徑光闌8，如圖4所示。本發(fā)明保持了長條形非球面主鏡1、長條形非球面三鏡3、焦面4、探測器(XD5等主要組件結(jié)構(gòu)尺寸基本不變，通過改變孔徑光闌的結(jié)構(gòu)來增大入瞳面積。對光學(xué)系統(tǒng)相對口徑D/f'來說，D/f'增大，傳函就提高。本發(fā)明需要的基本參數(shù)為光學(xué)設(shè)計(jì)的中心波長λ，光學(xué)系統(tǒng)探測器CCD5像元尺寸大小P，焦距f’，系統(tǒng)圓孔徑光闌6的尺寸d(d=2Xr)。在常規(guī)Cook TMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，圓形孔徑光闌6在主鏡I或三鏡3上的投影如圖2中的實(shí)線9所示。本發(fā)明的長方形孔徑光闌8在主鏡I或三鏡3上的投影如圖2中的虛線10所示，增加面積如圖中陰影部分11所示，對傳函影響的分析如下。首先圓孔徑光闌光學(xué)系統(tǒng)的截止頻率為:
權(quán)利要求
1.一種提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法，其特征在于，包括以下步驟: 根據(jù)探測器CCD的長方形結(jié)構(gòu)，將大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置為相匹配的形狀，使得所述孔徑光闌的衍射光斑與成像接收器件CCD的像元尺寸相匹配，提高所述大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的傳函。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的長方形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔徑光闌的形狀為與中心亮斑相外切的橢圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于，所述大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)包括:Cook TMA, Rug TMA和同軸TMA。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法，包括以下步驟根據(jù)探測器CCD的長方形結(jié)構(gòu)，將大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置為相匹配的形狀，使得所述孔徑光闌的衍射光斑與成像接收器件CCD的像元尺寸相匹配，提高所述大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的傳函。本發(fā)明的提高大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)傳函的方法，在相同Cook TMA光學(xué)系統(tǒng)等大視場反射成像光學(xué)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)的情況下，在乃奎斯特頻率處提高系統(tǒng)傳函約27%。
文檔編號G02B27/00GK103149687SQ20131006681
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者張星祥, 任建岳 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所