一种离轴三反射镜前置光学系统

摘要

本发明公开了一种离轴三反射镜前置光学系统，是适用于光谱成像仪的反射式前置光学系统。其结构为：按入射光方向，光线经主镜反射后形成会聚光束入射至次镜，再经次镜反射后入射到三镜，三镜将光束会聚成像；主镜为非球面凹面反射镜，它的曲率半径为147.59～149.59mm，二次曲线系数为-1.52～-1.53；次镜为凸球面反射镜，它的曲率半径为41.6～42.6mm；三镜为凹球面反射镜，它的曲率半径为56.4～56.7mm。该系统具有结构简单，制造难度和制造成本低，易于装调等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统，特别涉及一种仅主镜为非球面的离轴三反射镜前置光学系统，属于光学技术领域。

背景技术

光谱成像仪能够同时获取目标的空间和光谱信息，是一种“图谱合一”的光学成像仪器，在航空航天遥感、军事侦察以及农业、环境监测等方面具有广泛的应用。典型的光谱成像仪由前置光学系统、分光成像系统和探测器三部分构成。前置光学系统用于将目标场景成像到分光成像系统的入射狭缝处，其性能直接影响光谱成像仪的主要技术指标。

随着成像技术的进一步发展，光谱成像仪正向更高分辨率、更宽视场等方向快速发展，对前置光学系统提出了更高的要求。

为了满足高分辨率、宽视场、无相邻像元间光谱混迭的要求，光谱成像仪的前置光学系统通常采用反射式结构。与透射式和折反式系统相比，反射式光学系统仅采用反射光学元件，系统无色差，具有工作波段宽、无色差、结构紧凑等优点。

与二反射镜光学系统相比，三反射镜光学系统增加了一片反射镜，共有八个一阶参数，即：三个顶点曲率半径、三个二次非球面系数和二个反射镜间距，因此在像差校正方面具有更大的优势。通常同轴的三反系统只适用于小视场，且存在中心遮拦，因此在光谱成像仪中多采用离轴三反光学系统，即消像散离轴三反系统（TMA）。然而这类系统中一般采用三片非球面反射镜，加工难度和成本高，且不易于装调。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单，制造难度和制造成本低，易于装调的用于光谱成像仪的离轴三反射镜前置光学系统。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案是提供一种离轴三反射镜前置光学系统，从物方到像方依次包括主镜、次镜和三镜；按入射光方向，光线经主镜反射后形成会聚光束入射至次镜，再经次镜反射后入射到三镜，三镜将光束会聚成像；所述的主镜为非球面凹面反射镜，它的曲率半径为147.59～149.59mm，二次曲线系数为-1.52～-1.53；所述的次镜为凸球面反射镜，它的曲率半径为41.6～42.6mm；所述的三镜为凹球面反射镜，它的曲率半径为56.4～56.7mm。

本发明所述的一种离轴三反射镜前置光学系统，其工作波段为0.4～1.05um，F数为3.36，焦距为83.6mm，视场角为±5.5°。

本发明所提供的一种离轴三反射镜前置光学系统，可在三镜和像面之间设置平面反射镜。

本发明依据的原理是：反射系统只有五种单色像差，再加上需要满足光焦度要求，因此，三反系统在理论上只需要六个一阶参数即可满足像差校正和光焦度的要求。本发明技术方案中，将这六个一阶参数中包含三个顶点曲率半径、两个反射镜间隔和一个二次非球面系统，因此，该系统仅需采用一片非球面反射镜和两片球面反射镜，从而解决了传统TMA系统加工和装调困难的问题，大大降低了系统的制造难度和研制成本。

与现有技术相比，本发明提供的光学系统采用离轴三反结构，所用光学元件中仅主镜是非球面元件，次镜和三镜均为球面，具有结构简单，制造难度和制造成本低，易于装调等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统的星点图；

图3为本发明实施例1提供的一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统的调制传递函数曲线图；

图4为本发明实施例2提供的另一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统的结构示意图；

图中，1、主镜；2、次镜；3、三镜；4、像面；5、平面反射镜。

具体实施例

以下结合附图及实施例，对本发明技术方案作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供的反射式前置光学系统的结构参见附图1，从物方到像方依次为主镜1、次镜2和三镜3，4为像面。其中：主镜1为非球面凹面反射镜，其曲率半径为148.59mm，二次曲线系数为-1.528，口径为35.9mm；次镜2为凸球面反射镜，其曲率半径为41.69mm，口径为4.3mm；三镜3为凹球面反射镜，其曲率半径为56.49mm，口径为16.6mm。

该光学系统的工作波段为0.4～1.05um，F/#为3.36，焦距为83.6mm，视场角为±5.5°，具体设计参数如表1。

表1光学系统设计参数表

元件名曲率半径间隔Y轴偏心X轴倾角主镜148.592322.12°6.7°次镜47.6925.5三镜56.49

表1中，曲率半径为每个镜片表面的曲率半径，间隔为相邻镜片表面距离。偏心和倾角为镜片中心与坐标轴之间的偏移量和倾斜角。

参见附图2，它为本实施例提供的光学系统的星点图，由图2可见，该光学系统在0视场的星点几何尺寸约为17.1um，在0.7视场的星点几何尺寸约为16.8um，在1视场范围内的星点几何尺寸约为23.7um。

参见附图3，它为本实施例提供的光学系统的调制传递函数曲线，其具体传递函数值如表2所示。

表2：调制传递函数值

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实施例2

参见附图4，它为本实施例提供的一种用于光谱成像仪的反射式前置光学系统的结构示意图。从物方到像方依次为主镜1、次镜2和三镜3，4为像面,在三镜3和像面4之间设置转折平面反射镜5，转折成像光路，能便于机械结构的设计和探测器的安装。在本实施例中，主镜1为非球面凹面反射镜，其曲率半径为147.91mm，二次曲线系数为-1.525，口径为36.1mm；次镜2为凸球面反射镜，其曲率半径为42.39mm，口径为4.5mm；三镜3为凹球面反射镜，其曲率半径为56.61mm，口径为16.7mm。