專利名稱：一種全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)應(yīng)用技術(shù)，具體涉及到一種長(zhǎng)焦距、全視場(chǎng)使用的共軸三反 射光學(xué)系統(tǒng)。
技術(shù)背景現(xiàn)在空間相機(jī)上普遍使用的共軸三反光學(xué)系統(tǒng)由于次鏡對(duì)系統(tǒng)所造成的中心遮 攔，將導(dǎo)致像面上存在漸暈區(qū)域，為了避免使CCD處于漸暈區(qū)導(dǎo)致像面上照度不均勻，一般 采用偏視場(chǎng)使用的方案，但偏視場(chǎng)使用的共軸三反光學(xué)系統(tǒng)將使光學(xué)系統(tǒng)的有效視場(chǎng)角變 小，不能有效利用光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角，不利于提高相機(jī)的地面幅寬，降低了相機(jī)系統(tǒng)的效率
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是解決背景技術(shù)中所述的現(xiàn)有的偏視場(chǎng)使用的共軸三反光學(xué) 系統(tǒng)有效視場(chǎng)角變小、幅寬降低的缺陷。而提供了一種長(zhǎng)焦距、全視場(chǎng)使用的折軸三反光學(xué)系統(tǒng)，全部利用了光學(xué)系統(tǒng)的 視場(chǎng)?？梢詽M足以推掃形式成像的空間相機(jī)的使用要求。本實(shí)用新型的解決方案是一種全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特殊之處 在于該光學(xué)系統(tǒng)像面上的CCD如下排布1)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)焦距的f，視場(chǎng)角2w，線遮攔系統(tǒng)系數(shù)α，計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像面 范圍、漸暈區(qū)的范圍和無(wú)漸暈區(qū)的范圍由公式(1)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像高H H = f Xtan w (1)像面范圍為D D= JiH2(2)由公式(3)計(jì)算出漸暈區(qū)的半徑r r = HX α (3)漸暈區(qū)范圍為D1 = π r2 (4)無(wú)漸暈區(qū)的范圍為D0 = D-D1 = π (H2-r2) ； (5)2)根據(jù)漸暈區(qū)的直徑范圍D1計(jì)算出所需CCD的長(zhǎng)度，假設(shè)單條CCD的有效像元長(zhǎng) 度為d，則應(yīng)使nd彡2r (η = 1，3，5，...)，同時(shí)，所述CCD沿像面的徑向排布在非漸暈區(qū)，則 使參與推掃成像的CCD全部處于無(wú)漸暈區(qū)內(nèi)。通過(guò)在最終像面上合理的排布(XD，使圖像傳感器完全處于非漸暈區(qū)，避免了漸暈 導(dǎo)致像面上的照度不均勻的問(wèn)題。所使用的光學(xué)系統(tǒng)之一包含主反射鏡1和次反射鏡2，與主、次鏡光軸成45°夾
3角放置的折軸反射鏡4、第三反射鏡3和像面5組成；該系統(tǒng)的特殊之處為，處于與主次鏡 光軸成45°夾角放置的折軸反射鏡4即要反射主次鏡的入射光線，又要使三反射鏡的反射 光線從折軸反射鏡4中穿過(guò)，且兩者的光束要完全分離不能發(fā)生干擾，因此本實(shí)用新型設(shè) 計(jì)了一種形狀為馬蹄形的折軸反射鏡4和形狀構(gòu)成是由中心設(shè)置光孔的矩形和一梯形的 底部相接而成的，且該梯形的底部寬度與和其相接的該矩形的一邊的邊長(zhǎng)相等的折軸反射 鏡4 ；這兩種折軸反射鏡4的反射面用于反射主、次鏡的反射光線，中間的光孔用于透過(guò)第 三反射鏡3的反射光線。由于以上兩種折軸反射鏡4的加工制造有一定的難度，因此本實(shí)用新型提供了另 一種光學(xué)系統(tǒng)，其組成仍有主反射鏡1、次反射鏡2、第三反射鏡3、折軸反射鏡4和像面5組 成，且主反射鏡1、次反射鏡2、第三反射鏡3同軸布置，折軸反射鏡4可以在其與第三反射 鏡3的光軸所成的35° 55°角度范圍內(nèi)以任意位置放置于出瞳附近。為了避免二次遮攔問(wèn)題，本實(shí)用新型還提供第三種折軸反射鏡4，該折軸反射鏡的 形狀是長(zhǎng)方體，該長(zhǎng)方體的四角均是圓角。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)折軸反射鏡的形狀的設(shè)計(jì)以及各種反射鏡的布置，減小了裝配 的難度，完全消除了光學(xué)系統(tǒng)的像差；本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)適合于全視場(chǎng)使用的線陣推 掃成像的CCD相機(jī)，充分利用了光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)擴(kuò)大了相機(jī)的地面覆蓋寬度。

圖1為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)像面上CXD排布方式示意圖。圖2為本實(shí)用新型的光路示意圖；圖3為本實(shí)用新型的折軸鏡外形示意圖一；圖4為本實(shí)用新型的折軸鏡外形示意圖二 ；圖5為本實(shí)用新型的另外一種光路示意圖；圖6為本實(shí)用新型另外一種光學(xué)系統(tǒng)的折軸鏡示意圖；圖7為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型所涉及一種全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系 統(tǒng)像面上的CXD如下排布1)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)焦距的f，視場(chǎng)角2w，線遮攔系統(tǒng)系數(shù)α，計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像面 范圍、漸暈區(qū)的范圍和無(wú)漸暈區(qū)的范圍由公式(1)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像高H H = fXtan w (1)像面范圍為D D = JiH2 (2)由公式(3)計(jì)算出漸暈區(qū)的半徑r r = HX α (3)漸暈區(qū)范圍為D1 = π r2 (4)[0040]無(wú)漸暈區(qū)的范圍為D0 = D-D1 = π (H2-r2) ； (5)2)根據(jù)漸暈區(qū)的直徑范圍D1計(jì)算出所需CCD的長(zhǎng)度，假設(shè)單條CCD的有效像元長(zhǎng) 度為d，則應(yīng)使nd彡2r (η = 1，3，5，...)，同時(shí)，所述CCD沿像面的徑向排布在非漸暈區(qū)，則 使參與推掃成像的CCD全部處于無(wú)漸暈區(qū)內(nèi)。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像面范圍、漸暈區(qū)的范圍和無(wú)漸暈區(qū)的范 圍。然后根據(jù)漸暈區(qū)的直徑范圍計(jì)算出CCD的像面長(zhǎng)度，然后通過(guò)合理的CCD排布方式使 全部參與推掃成像的CXD全部處于無(wú)漸暈區(qū)內(nèi)，從而有效利用全部視場(chǎng)。參見(jiàn)圖2，全視場(chǎng)使用的共軸三反光學(xué)系統(tǒng)由主反射鏡1和次反射鏡2，和主反射 鏡1(次反射鏡2)的光軸成45°夾角放置的折軸反射鏡4、第三反射鏡3和像面5組成，其 中主反射鏡1和次反射鏡2的光軸重合且次反射鏡2設(shè)置在主反射鏡1的反射光路上，折 軸反射鏡4設(shè)置在次反射鏡2的反射光路上，第三反射鏡3設(shè)置在折軸反射鏡4的反射光 路上，且第三反射鏡3的反射光線穿過(guò)折軸反射鏡4反射面的中間光孔入射到像面5。參見(jiàn)圖3、4，本實(shí)用新型提供的兩種不同形式的折軸反射鏡4，其中，一種形狀為 馬蹄形的(馬蹄形中空的部分做光孔用)，另一種的形狀構(gòu)成是由中心設(shè)置光孔的矩形和 一梯形的底部相接而成的，且該梯形的底部寬度與和其相接的該矩形的一邊的邊長(zhǎng)相等的 折軸反射鏡4 ；這兩種折軸反射鏡4的反射面用于反射主反射鏡1 (次反射鏡2)的反射光 線，中間的光孔用于透過(guò)第三反射鏡3的反射光線。該折軸反射鏡4不僅要反射主反射鏡1 (次反射鏡2)的反射光線，又要使第三反 射鏡3的反射光線從折軸反射鏡4中穿過(guò)，且兩者的光束要完全分離不能發(fā)生干擾。同時(shí) 折軸反射鏡4有一定的厚度，因此設(shè)置在其上的中心通光孔需要有一定的向外傾角Q即光 孔自所述折軸反射鏡的反射面至該折軸反射鏡的背面的傾角，計(jì)算公式如下所示Q = arctan (H/D)其中H為光學(xué)系統(tǒng)的像面高度，D為出瞳到像面的距離。請(qǐng)描述清楚該傾角的方向，并請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)注示意。參見(jiàn)圖5，該光學(xué)系統(tǒng)像面上視場(chǎng)排布仍采用圖1的形式，光學(xué)系統(tǒng)組成仍由主反 射鏡1、次反射鏡2、第三反射鏡3、折軸反射鏡4和像面5組成，且主反射鏡1、主反射鏡2、 第三反射鏡3三者同軸布置，完全消除了光學(xué)系統(tǒng)的像差，折軸反射鏡4可以在其與第三反 射鏡3的光軸所成的35° 55°角度范圍內(nèi)以任意位置放置于出瞳附近，這里將折軸反 射鏡4放置在出瞳位置，其大小和出瞳的大小相同。參見(jiàn)圖6，由于以上兩種折軸反射鏡的外形較為復(fù)雜，加工制造較困難，因此應(yīng)用 受到一定的限制，為此，本實(shí)用新型在圖5所示的光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了第三種形狀的 折軸反射鏡，該折軸反射鏡不僅體積較小，而且外形結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)在出瞳位置附近放 置折軸反射鏡，可以將第三反射鏡的出射光線完全反射，同時(shí)又可以避免遮攔主次鏡的出 射光線，不會(huì)造成二次遮攔的問(wèn)題。參見(jiàn)圖7，本實(shí)用新型的兩種光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量均接近衍射極限，成像質(zhì)量完 好。值得注意的是，本實(shí)用新型的這兩種光學(xué)系統(tǒng)適合于全視場(chǎng)使用的線陣推掃成像 的CCD相機(jī)，充分利用了光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)，擴(kuò)大了相機(jī)的地面覆蓋寬度。
權(quán)利要求一種全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)像面上的CCD如下排布1)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)焦距的f，視場(chǎng)角2w，線遮攔系統(tǒng)系數(shù)α，計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像面范圍、漸暈區(qū)的范圍和無(wú)漸暈區(qū)的范圍由公式(1)計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像高HH＝f×tanw (1)像面范圍為DD＝πH2 (2)由公式(3)計(jì)算出漸暈區(qū)的半徑rr＝H×α(3)漸暈區(qū)范圍為D1＝πr2(4)無(wú)漸暈區(qū)的范圍為D0＝D D1＝π(H2 r2)； (5)2)根據(jù)漸暈區(qū)的直徑范圍D1計(jì)算出所需CCD的長(zhǎng)度，假設(shè)單條CCD的有效像元長(zhǎng)度為d，則應(yīng)使nd≥2r(n＝1，3，5，....)，同時(shí)，所述CCD沿像面的徑向排布在非漸暈區(qū)，則使參與推掃成像的CCD全部處于無(wú)漸暈區(qū)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng) 包括主反射鏡、設(shè)置在主反射鏡的反射光路上的次反射鏡、設(shè)置在次反射鏡的反射光路上 的折軸反射鏡和設(shè)置在折軸反射鏡的反射光路上的第三反射鏡，所述主反射鏡和次反射鏡 的光軸重合；所述折軸反射鏡的反射面上設(shè)置有光孔，該折軸反射鏡與所述次反射鏡的光 軸成45°角設(shè)置；所述第三反射鏡的反射光線通過(guò)該光孔入射到成像面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸 反射鏡是馬蹄形的，該馬蹄形中空的部分形成光孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸 反射鏡的形狀是由中心設(shè)置光孔的矩形和一梯形的底部相接而成的，且該梯形的底部寬度 與和其相接的該矩形的一邊的邊長(zhǎng)相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述 光孔自所述折軸反射鏡的反射面至該折軸反射鏡的背面的傾角為Q = arctan(H/D)，其中 H為所述光學(xué)系統(tǒng)的像面高度，D為出瞳到該像面的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述系 統(tǒng)包括主反射鏡、設(shè)置在主反射鏡的反射光路上的次反射鏡、設(shè)置在次反射鏡的反射光路 上的第三反射鏡和設(shè)置在第三反射鏡的反射光路上的折軸反射鏡，所述主反射鏡、次反射 鏡和第三反射鏡的光軸重合；所述折軸反射鏡設(shè)置在出瞳位置，其與第三反射鏡的光軸成 35° 55°角度放置；該折軸反射鏡的大小和出瞳的大小相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折軸 反射鏡的形狀是長(zhǎng)方體，該長(zhǎng)方體的四角均是圓角。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種全視場(chǎng)使用的共軸三反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)像面上的CCD如下排布1)根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)焦距的f，視場(chǎng)角2w，線遮攔系統(tǒng)系數(shù)α，計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的像面范圍、漸暈區(qū)的范圍和無(wú)漸暈區(qū)的范圍；2)根據(jù)漸暈區(qū)的直徑范圍D1計(jì)算出所需CCD的長(zhǎng)度，假設(shè)單條CCD的有效像元長(zhǎng)度為d，則應(yīng)使nd≥2r(n＝1，3，5，....)，同時(shí)，所述CCD沿像面的徑向排布在非漸暈區(qū)，則使參與推掃成像的CCD全部處于無(wú)漸暈區(qū)內(nèi)。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)折軸反射鏡的形狀的設(shè)計(jì)以及各種反射鏡的布置，減小了裝配的難度，完全消除了光學(xué)系統(tǒng)的像差；充分利用了光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)擴(kuò)大了相機(jī)的地面覆蓋寬度。
文檔編號(hào)G02B27/00GK201681207SQ20092024513
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者易紅偉, 李旭陽(yáng), 李英才, 賀天兵, 馬臻 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所