以近軸三反射鏡消像差理論作為設計依據(jù),采用小視場角偏置設置,使用一維傾斜平面鏡將光路在主鏡前折疊,優(yōu)化設計了具有高壓縮比的同軸大相對孔徑成像光學系統(tǒng)。其中,相機焦距為2.5 m,像方F數(shù)為6.3,成像視場角為0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空間頻率下,400～900 nm可見光-近紅外波段光學調(diào)制傳遞函數(shù)優(yōu)于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm時光學調(diào)制傳遞函數(shù)優(yōu)于0.6,成像質(zhì)量均接近衍射極限,全視場下成像一致性較好。光學系統(tǒng)長度具備小于1/5.6倍系統(tǒng)焦距、1.1倍主鏡直徑的高壓縮比,三反射鏡均為二次曲面且非離軸空間布局,不含有高次非球面系數(shù),公差分析結(jié)果表明光學系統(tǒng)易于工程化實現(xiàn),在多星組網(wǎng)的緊湊型商用成像測高光學相機領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。 

【文章來源】：光學精密工程. 2020,28(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

傳統(tǒng)同軸反射系統(tǒng)的主光路

根據(jù)設計經(jīng)驗,含有兩次遮攔的同軸三反系統(tǒng)的β1β2取值在3～6,考慮到雙波段分光路后探測器的安裝調(diào)整,三鏡的后工作距應適當充足,同時次鏡及三鏡實現(xiàn)小遮攔比,初始結(jié)構(gòu)下倍率系數(shù)β1β2賦值為5,次鏡遮攔比α1取0.3,二次成像時次鏡光學放大倍率β1取-3.5,進而得到歸一化同軸三反系統(tǒng)各反射鏡初始頂點的曲率半徑,根據(jù)相機焦距值進行軟件初始設置下的半徑放大[17-18]。針對本大相對孔徑緊湊型空間相機尺寸約束及同軸系統(tǒng)的遮攔問題,本文將成像視場進行一維方向偏置處理,將0.6°(X向)×0.3°(Y向)成像角范圍在Y向偏置,消除三鏡對次鏡的遮攔,提高能量利用率。從次鏡反射出的光線在經(jīng)過X向傾斜的平面鏡P1反射后,改變了光路傳輸方向,向全局坐標系-Y方向投射到平面反射鏡P2,平面反射鏡P2在Y向傾斜,避免出射光線與P1鏡物理干涉,光線經(jīng)過Y向傾斜的平面反射鏡P2和P3折疊后入射到三鏡,相機主光路如圖2所示。其中,P1在X方向上的傾角為45°,P2,P3鏡Y向傾斜角度之和為45°,根據(jù)光線-反射鏡坐標系變換原理,在序列模式下,此時的三鏡法線平行于XOZ平面,三鏡頂點法線垂直于系統(tǒng)光軸。根據(jù)視場角偏置設置和反射鏡坐標系變換特性,經(jīng)過三鏡反射的光線在X方向會存在一定的出射角度,會聚光線可避開P3鏡。最終,成像光線經(jīng)Y向傾斜設置的平面反射鏡P4入射到像面I。采用視場偏置和平面反射鏡的一維方向傾斜設置,次鏡出射主光路在主鏡之前完成了折疊,主次鏡間隔370 mm,系統(tǒng)長度得到了充分控制。為便于安裝P1鏡的支撐結(jié)構(gòu)和主鏡輕量化,主鏡中心仍采用打孔處理;從P4鏡出射的后截距光路應留出適當長度以進行分波段成像,保證會聚透鏡和探測器的安裝空間。采用Y向45°傾角設置的分色片完成工作譜段分光,可見-近紅外波段光譜帶較寬,為降低垂軸色差的校正難度,減少消像差透鏡元件的使用,由分色片反射輸出直接成像�？刂迫R,P2,P3,P4鏡內(nèi)邊緣與主鏡筒的包絡距離,保證主鏡筒遮光罩的安裝;系統(tǒng)中主鏡和三鏡為橢球面,次鏡為雙曲面,均未使用高次非球面系數(shù),采用常規(guī)球面補償鏡方式即可輔助完成二次曲面的加工檢測。在光學系統(tǒng)優(yōu)化時,適當放開反射鏡半徑和二次曲面系數(shù)自由度,以初始半徑為中心值,數(shù)值的偏移變化量不超過20%,鏡間隔應保證各反射面接收的光路足跡無切趾無阻擋,控制主光線位置下的像面畸變,同時采用反饋式設計方式以降低面形制造敏感度和裝配誤差,以傳遞函數(shù)與采樣出射波前rms作為設計評估標準。經(jīng)過深度優(yōu)化,主光路中各反射鏡參數(shù)如表2所示。

系統(tǒng)中分色片與光軸的傾斜角會導致從分色片透射的激光光路近軸像差增大,其中影響較大的是三階子午像散,因此采用與分色片反向傾角設置的透鏡進行像差校正�？紤]到激光波段較窄且接收探測器的奈奎斯特頻率不高,使用單片球面透鏡即可滿足設計需求,激光通路中透鏡如圖3所示。最終的雙波段相機成像光路如圖4所示。在成像視場光軸方向(Z方向),光學系統(tǒng)總長445 mm,約為焦距的1/5.6,主鏡直徑的1/1.1;垂直光軸方向的最大外包絡尺寸為538 mm,約為焦距的1/4.6,極大限度地壓縮了相機的光學尺寸。系統(tǒng)中采用同軸系統(tǒng)一維偏視場設置,避免了同軸系統(tǒng)三鏡的二次遮攔,提高了系統(tǒng)成像的能量利用率;在一維方向傾斜設置的平面反射鏡將光路在主次鏡間折疊,在不產(chǎn)生光路遮擋下充分利用了鏡間空間,有效地壓縮了光學系統(tǒng)尺寸。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3405189