以近軸三反射鏡消像差理論作為設(shè)計依據(jù),采用小視場角偏置設(shè)置,使用一維傾斜平面鏡將光路在主鏡前折疊,優(yōu)化設(shè)計了具有高壓縮比的同軸大相對孔徑成像光學(xué)系統(tǒng)。其中,相機(jī)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)易于工程化實(shí)現(xiàn),在多星組網(wǎng)的緊湊型商用成像測高光學(xué)相機(jī)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：光學(xué)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(shè)計經(jīng)驗(yàn),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(yīng)適當(dāng)充足,同時次鏡及三鏡實(shí)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(xué)放大倍率β1取-3.5,進(jìn)而得到歸一化同軸三反系統(tǒng)各反射鏡初始頂點(diǎn)的曲率半徑,根據(jù)相機(jī)焦距值進(jìn)行軟件初始設(shè)置下的半徑放大[17-18]。針對本大相對孔徑緊湊型空間相機(jī)尺寸約束及同軸系統(tǒng)的遮攔問題,本文將成像視場進(jìn)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(biāo)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(jī)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(biāo)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(diǎn)法線垂直于系統(tǒng)光軸。根據(jù)視場角偏置設(shè)置和反射鏡坐標(biāo)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(shè)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(shè)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(yīng)留出適當(dāng)長度以進(jìn)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(shè)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。控制三鏡,P2,P3,P4鏡內(nèi)邊緣與主鏡筒的包絡(luò)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(bǔ)償鏡方式即可輔助完成二次曲面的加工檢測。在光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化時,適當(dāng)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(yīng)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(shè)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(shè)計評估標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)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(shè)置的透鏡進(jìn)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(shè)計需求,激光通路中透鏡如圖3所示。最終的雙波段相機(jī)成像光路如圖4所示。在成像視場光軸方向(Z方向),光學(xué)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(luò)尺寸為538 mm,約為焦距的1/4.6,極大限度地壓縮了相機(jī)的光學(xué)尺寸。系統(tǒng)中采用同軸系統(tǒng)一維偏視場設(shè)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(shè)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(xué)系統(tǒng)尺寸。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3405189