一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，由主鏡、次鏡、三鏡以及位于短焦模式下系統(tǒng)出瞳位置的可變口徑光闌組成。系統(tǒng)孔徑光闌位于主鏡上，主鏡、次鏡構(gòu)成一組經(jīng)典R-C光學(xué)系統(tǒng)，目標(biāo)景物的輻射光束經(jīng)主次鏡匯聚形成中間實(shí)像，中間實(shí)像經(jīng)三鏡成像到光學(xué)系統(tǒng)焦面處。本光學(xué)系統(tǒng)主鏡、次鏡、三鏡均采用光致異構(gòu)材料，在光學(xué)系統(tǒng)變焦過程中利用其材料特性控制反射鏡非球面系數(shù)變化，最終可在系統(tǒng)所有反射鏡曲率半徑不變的情況下，只通過反射鏡非球面系數(shù)變化及鏡間距少量調(diào)整使系統(tǒng)同時(shí)具備長焦距、高分辨率和短焦距、較大視場的特點(diǎn)。
【專利說明】一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間光學(xué)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，對于偵查相機(jī)的功能要求也日益嚴(yán)格。特別在環(huán)境減災(zāi)和軍事偵察領(lǐng)域，既希望相機(jī)可以完成對大范圍地物目標(biāo)的普查，又同時(shí)需要其可對特定區(qū)域進(jìn)行詳查。普查強(qiáng)調(diào)的是相機(jī)的幅寬覆蓋能力，主要進(jìn)行較大范圍中、低分辨率成像，完成對全局目標(biāo)的觀測和搜索；詳查則強(qiáng)調(diào)的是相機(jī)的細(xì)節(jié)信息獲取能力，主要對重要區(qū)域進(jìn)行高分辨率成像，獲取感興趣目標(biāo)的詳細(xì)信息。這種普查和詳查的特殊需求要求偵查相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)兼具普查和詳查的功能，這種詳普查一體化的空間相機(jī)將無疑成為未來空間對地觀測光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。
[0003]目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)詳普查一體化的方法主要有二種:第一種就是憑借多顆衛(wèi)星靈活組合或單顆衛(wèi)星機(jī)動變軌來實(shí)現(xiàn)高低分辨率，寬窄視場的地面覆蓋；第二種是在衛(wèi)星平臺上搭載單臺或多臺具有不同分辨率和視場的光學(xué)載荷，分別完成普查和詳查成像。美國的KH-9就代表了美國光學(xué)偵察衛(wèi)星向綜合型偵察衛(wèi)星發(fā)展的趨勢，其既能普查，又能詳查，最高分辨率可達(dá)0.3米，而KH-1I的發(fā)射則使美國獲得了衛(wèi)星實(shí)時(shí)偵察能力，普查時(shí)分辨率達(dá)I?3米，詳查時(shí)分辨率達(dá)0.15米。除此之外，對于詳普查一體化而言，普查時(shí)，要求相機(jī)短焦距，大視場中低分辨率成像；詳查時(shí)，要求相機(jī)長焦距，小視場高分辨率成像。變焦距光學(xué)系統(tǒng)恰好能滿足這樣的要求，可實(shí)現(xiàn)單相機(jī)空間詳普查一體化功能。目前為止，國外最成熟的變焦光學(xué)系統(tǒng)是透射式變焦系統(tǒng)，但其很難滿足長焦距寬譜段空間光學(xué)遙感器的發(fā)展趨勢，因此全反射式變焦系統(tǒng)開始受到越來越多的重視。
[0004]同軸三反光學(xué)系統(tǒng)因其工程實(shí)現(xiàn)性好、易于實(shí)現(xiàn)高精度溫控、內(nèi)方位元素穩(wěn)定度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是空間光學(xué)遙感器選型的首選型式。現(xiàn)有的反射式變焦距光學(xué)系統(tǒng)主要有利用凸輪進(jìn)行非線性的鏡間距移動的機(jī)械式變焦方法以及利用可變形鏡進(jìn)行各面曲率變化的主動光學(xué)式變焦方法。對于長焦距同軸三反光學(xué)系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單只有兩鏡間距很難僅依靠鏡間距非線性移動同時(shí)滿足長短焦距模式像質(zhì)要求，因此機(jī)械式變焦方案并不十分適用于長焦距同軸反射式系統(tǒng)。同時(shí)對于大口徑長焦距同軸三反光學(xué)系統(tǒng)而言，如果想通過面型曲率變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變焦，這就意味著各面型變化量可能非常大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難保證其在軌使用的高穩(wěn)定性，這大大降低了系統(tǒng)的工程可行性。可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的變焦方式均無法滿足未來長焦距大口徑同軸三反空間光學(xué)系統(tǒng)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率小范圍詳查和大范圍中低分辨率普查功能，并同時(shí)保證兩模式成像質(zhì)量良好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊。[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，包括主鏡、次鏡、三鏡、驅(qū)動電機(jī)、焦面探測器和可變口徑光闌；主鏡、次鏡、三鏡和可變口徑光闌同軸放置；入射光束依次經(jīng)過主鏡、次鏡反射之后，透過主鏡上的通光孔到達(dá)三鏡，再經(jīng)可變口徑光闌后在焦面探測器處成像；所述的主鏡、次鏡、三鏡材料均采用光致異構(gòu)材料；在主鏡、次鏡、三鏡的曲率半徑保持不變的情況下，通過光致異構(gòu)材料特性改變主鏡、次鏡、三鏡的非球面系數(shù)，并利用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動三鏡沿光軸方向水平移動，完成整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的變焦。
[0007]所述的主鏡、次鏡、三鏡均為非球面反射鏡；其中主鏡面型為拋物面，次鏡和三鏡面型為高次非球面。
[0008]所述的焦面接收器件為線陣CXD或TDICXD探測器。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010](I)本發(fā)明由于采用同軸三反變焦方案，可以僅通過一臺相機(jī)同時(shí)完成大范圍普查和小范圍高分辨率詳查功能，這樣大大降低了實(shí)現(xiàn)詳普查結(jié)合觀測的復(fù)雜性，在為衛(wèi)星平臺節(jié)省大量資源的同時(shí)大大降低了其發(fā)射成本。本發(fā)明非常適合作為未來高性能偵查相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)。
[0011](2)本發(fā)明由于各反射鏡均采用光致異構(gòu)材料，在各面型曲率半徑完全不變的情況下僅通過改變非球面系數(shù)和少量鏡間距完成系統(tǒng)變焦。與現(xiàn)有變焦方式相比本發(fā)明可適用于大口徑長焦距光學(xué)系統(tǒng)，可確保各大口徑反射鏡面型變化量較小，具備工程可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)減小了鏡間距的調(diào)節(jié)范圍使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單。本發(fā)明更符合空間光學(xué)遙感器大口徑長焦距的發(fā)展趨勢，同時(shí)其工程實(shí)現(xiàn)性更好、系統(tǒng)可靠性更高。
[0012](3)本發(fā)明中由于采用了同軸的三塊非球面反射鏡，光機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高，轉(zhuǎn)動慣量更小，易于實(shí)現(xiàn)高精度溫度及指向控制，整體結(jié)構(gòu)更緊湊，對于星載長焦距聞分辨率偵查相機(jī)十分有利。
[0013](4)本發(fā)明中由于存在中間像，可在中間像位置設(shè)置視場光欄和內(nèi)遮光罩，從而有效地消除視場外雜光，降低對外遮光罩長度的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)長焦距模式時(shí)結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)短焦距模式時(shí)結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3本發(fā)明實(shí)例中基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)長焦距模式時(shí)的MTF曲線圖；
[0017]圖4本發(fā)明實(shí)例中基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)短焦距模式時(shí)的MTF曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明的實(shí)施方案工作譜段為0.45?0.8 μ m，長焦距模式時(shí)入瞳口徑1000mm，光學(xué)系統(tǒng)焦距12m，全視場0.4°，系統(tǒng)總長1900.02mm。短焦距模式時(shí)入瞳口徑500mm，光學(xué)系統(tǒng)焦距4m,全視場3° ,系統(tǒng)總長1631.96mm。長焦模式時(shí)實(shí)施方案如圖1所不,本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)包括:主鏡1、次鏡2、三鏡3、驅(qū)動電機(jī)4、焦面探測器5和可變口徑光闌6。主鏡1、次鏡2、三鏡3和可變口徑光闌6同軸，主鏡1、次鏡2構(gòu)成經(jīng)典R-C系統(tǒng)，并形成一次實(shí)像，一次實(shí)像經(jīng)過三鏡3和可變口徑光闌6成像到焦面探測器5。其中一次像位于I鏡與3鏡之間，距I鏡495.38mm位置處。焦面探測器5為線陣C⑶或TDIC⑶探測器接收面。主鏡I為準(zhǔn)拋物面(二次項(xiàng)系數(shù)-0.9853)、次鏡2為高次非球面(二次項(xiàng)系數(shù)2.958，4階非球面系數(shù)為4.09E-9，6階非球面系數(shù)為2.329E-14，8階非球面系數(shù)為2.52E-19，10階非球面系數(shù)為1.70E-24)、三鏡3 (二次項(xiàng)系數(shù)-7.98，4階非球面系數(shù)為-3.578E_9，6階非球面系數(shù)為2.377E-14，8階非球面系數(shù)為9.49E-19，10階非球面系數(shù)為-1.02E-24)，材料均為光致異構(gòu)材料。短焦模式時(shí)實(shí)施方案如圖2所示，此時(shí)主鏡I與次鏡2間距、次鏡2與三鏡3間距發(fā)生移動，同時(shí)主鏡1、次鏡2、三鏡3非球面系數(shù)發(fā)生改變。此時(shí)主鏡I 二次項(xiàng)系數(shù)變?yōu)?0.93，次鏡2 二次項(xiàng)系數(shù)變?yōu)?5.358,4階非球面系數(shù)變?yōu)開3.18E_9、6階非球面系數(shù)變?yōu)?.43E-14、8階非球面系數(shù)變?yōu)?8.97E-18、10階非球面系數(shù)變?yōu)?.158E-22，三鏡3 二次項(xiàng)系數(shù)變?yōu)?5.978，4階非球面系數(shù)變?yōu)?2.64E-9，6階非球面系數(shù)變?yōu)?.37E_14，8階非球面系數(shù)變?yōu)?7.46E-19，10階非球面系數(shù)變?yōu)?.195E-25。除此之外，短焦模式時(shí)通過系統(tǒng)出瞳位置處的可變口徑光闌6控制系統(tǒng)的實(shí)際通光口徑,此時(shí)可變口徑光闌6位于主鏡I與三鏡3之間，距主鏡I的距離為331.07mm。
[0019]由于口徑越大、焦距越長則相同變倍比條件下變焦時(shí)的面型和間距變化量也將隨之變大，其面型加工難度也就越大，因此本方案采用光致異構(gòu)材料在各面曲率半徑不變的基礎(chǔ)上調(diào)整非球面系數(shù)和少量鏡間距，這樣大大降低了面型的變化量和鏡間距非線性調(diào)節(jié)量，從而極大提高了系統(tǒng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。實(shí)際結(jié)果實(shí)現(xiàn)了從12m焦距、0.4°視場光學(xué)系統(tǒng)和4m焦距、3°視場光學(xué)系統(tǒng)的自由切換，并且各模式下像質(zhì)良好，其長焦距模式下MTF曲線如圖3所示，可以看出，MTF曲線在每毫米50對線時(shí)接近衍射極限，其短焦距模式下MTF曲線如圖4所示，可以看出，MTF曲線在每毫米25對線時(shí)大于0.7。
[0020]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(3)、驅(qū)動電機(jī)(4)、焦面探測器(5)和可變口徑光闌(6);主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(3)和可變口徑光闌(6)同軸放置；入射光束依次經(jīng)過主鏡(I)、次鏡(2)反射之后，透過主鏡(I)上的通光孔到達(dá)三鏡(3)，再經(jīng)可變口徑光闌(6)后在焦面探測器(5)處成像；所述的主鏡(I)、次鏡(2 )、三鏡(3 )材料均采用光致異構(gòu)材料；在主鏡(I)、次鏡(2 )、三鏡(3 )的曲率半徑保持不變的情況下，通過光致異構(gòu)材料特性改變主鏡(I)、次鏡(2 )、三鏡(3 )的非球面系數(shù)，并利用驅(qū)動電機(jī)(4)驅(qū)動三鏡(3)沿光軸方向水平移動，完成整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的變焦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(3)均為非球面反射鏡；其中主鏡(I)面型為拋物面，次鏡(2 )和三鏡(3 )面型為高次非球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光致異構(gòu)材料的同軸三反變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的焦面接收器件(5)為線陣C⑶或TDICXD探測器。
【文檔編號】G02B5/10GK103777350SQ201410048580
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】蘇云, 張鵬斌, 胡斌, 湯天瑾 申請人:北京空間機(jī)電研究所