长焦距空间光学系统的设计

第 2 4 卷第 1 期 兵 工 学 报 Vol. 24 No. 1 2003年2月 ACTA ARMAMEN TARII Feb. 2003摘要 大视场 、 长焦距 、 小直径是空间光学平台设计研究的热点 。当光学平台口径一定时 ,在同样 的轨道高度条件下 ,增大焦距可以减少地面分辨率 ,增大系统的视场角可以缩减对地面的覆盖厚度 。由 于全反射系统具备极佳的无色差等特点 ,成了现在研究热点 ,尤其是以三块反射镜组成的全反射式光学 系统 ,结构更简洁 ,而且像质较好 。本文尝试性进行了这方面的设计 , 系统的焦距为 10m , 视场可超过 6°所研究的光学系统三个反射面都是二次曲面 ,且所有光学面都离轴放置 ,避免了中心遮拦 ,从最终的 , 像质评定可以看出 ,系统的品质基本上达到了衍射极限 。 关键词 光学 ; 长焦距 ; 光学设计 ; 空间光学 中图分类号 O439 近年来 ,在空间对地遥感领域中 ,无论是军用还 当工作轨道高度跟探测器尺寸一定时 ,增大焦距 ,可是民用对遥感照片地面分辨率的要求都越来越高 。 以提升对地面像元的信噪比 , 对于焦距下降最为有 利的一种类型是反射式长焦距光学系统 。

但是 , 焦 距减小时 ,系统重量也将随着减少 ,体积大对航空跟 航天产品比较不利 。因此 ,如何减少焦距 ,同时既在确保成像品质的条件下尽量减少面积是资助工程 (69978020)大视场 、 长焦距空间光学系统的设计 3常军 姜会林 翁志成 3 丛小杰 3 金英姬口径 。

f D s =δ H衍射对系统分辨率的影响由如下艾利斑直径 d 来 表征 : 2 . 44λ f ( 1 . 1) d = 其中 , λ为波长 ; f 为光学系统焦距 ; D 为光学系统 光学平台的成像品质最好能做到衍射受限 , 即像斑直径最小为衍射极限 。又因为系统焦距 f 与探 测器单元尺寸 δ有如下的关系 :( 1 . 2)式中 , H 为卫星轨道高度 ; s 为地面线分辨率 。 地面覆盖半径为Q = 2 ?H ? ω tan ( 1 . 3)式中 , Q 为地面覆盖半径 ;ω 为系统的半视场角 。 由上式可知 ,在波长 、 卫星高度和探测器尺寸 δ 确定后 ,空间分辨率与声学系统相对厚度有关 ,当光 学系统口径取一可以推进的值时 , 在同样的轨道高 度条件下 ,增大焦距可以减少地面分辨率 ,增大系统 的视场角可以缩减对地面的覆盖半径 。 由以上的预测及规定 , 对于改善空间光 学系统的性能有利 。折射系统跟折反系统因为遭到第 1 期 大视场 、 长焦距空间光学系统的设计43了材料等原因的妨碍 , 其使用范围得到了相应的限 制 ; 而全反射系统具备能将厚度做得较大 ,且不形成 色差等优势 。

其中由三块反射镜组成的 TMA 系统 结构更简洁 ,且象质较理想 。TMA 系统当三个反射 镜都是二次曲面时 , 系统有 8 个变量 ( 三个半径 , 两 个间隔 ,三个二次非球面系数 ) , 满足了总焦距和校 正初级像差后 ,剩余的变量可以拿来满足中心遮拦 、 工作距等形状长度约束规定 ,可有多组解 。2 设计例子和性能分析现设计一个焦距 f ′ 10 000 mm 、 = 相对孔径 D/f ′ 1/ 10 、 = 视场角 ( 矩形视场角) 6° 0. 2°谱段范围 × 、Fig. 2. 2 传递函数曲线图 Fig. 2. 2 TF curves Mμ 0. 486～0. 7 m 的 TMA 系统 ,确定系统各光学表面 和各面间隔的初始结构参数如表 211 所示 。 表 2. 1 结构参数主镜 次镜Fig. 2. 1 System parameters三镜像面 0半径 r/ mm- 11 278. 4 - 2 974. 9 - 1. 6- 5 060. 7 2 974. 9 - 2. 7- 9 148. 9 - 5 004. 0 - 1. 7间隔 d / mm 二次曲率 k偏心量 y / mm- 800. 0- 106. 5- 346. 9208Fig. 2. 3 能量分布曲线图 Fig. 2. 3 Encircled energy curves从表中可以看出 : 主镜 、 次镜和第三镜均为椭球 面 。

其中孔径光栏和次镜重合 , 且无中间成像 。为 避免中心遮拦 ,将各个透镜进行了偏心和倾斜 ,形成 如图 211 所示 TMA 系统 。透镜的偏心和倾斜会产 生新的附加像差 ,主要形成彗差和一定量的像散 ,在 此通过用第三镜的偏心来校准彗差 。图 2. 1 系统Fig. 2. 1 System layoutFig. 2. 4 点列图 Fig. 2. 4 Spot diagram3 结论三反系统因为其新颖优势 , 适合于空间摄影等 领域 ,已受到关注 。本文设计使用的是圆形视场 ,适 用于线阵的 TD I2CCD ,通过推扫方法能得到 成像 ,实例适合安放到空间对地遥感 、 空间摄影等领 域上 。 采用偏轴的 TMA 系统长焦距光学系统, 消除了中心遮拦引起 的像质增多 ,提高了成像品质 ,而且随着计算机辅助将初始结构进行特定改进后 , 其像质能超过衍 射极限 ,传递变量曲线见图 212 ,能量分布见图 213 ,点列图见图 214长焦距光学系统,系统的全长为 f ′ 3 . 5 ～ f ′3 . / /第 24 卷 兵 工 学 报 44加工与干涉装调的技术不断提高 , 这类偏轴系统将 得到更广泛的应用 。

参 考 文 献1 姜会林 . 关于二级光谱问题的阐述 . 光学学报 ,1981 ,2 (2) :225 ～232 2 Korsch D C. Reflective optics. SPIE , 1987 ,751 :230～235 3 薛鸣球 . 长焦距光学系统研究 . 高速摄影与光子学 ,1989 , ( 4) : 289～293 4 潘君骅 . 具有三个二次反射镜的光学平台 . 光学学报 , 1988 , 8 (8) :717～721D ESIGN OF WID E ANGL E SPACE OPTICAL SYSTEMS OF LONG FOCAL L ENGTHChang J u n Jiang Huili n W eng Zhicheng( Changchun University of Science and Technology , Changchun ,130022)3Abstract Design of optical systems of long focal lengt h , wide field and minimized size has long been t he focus of discussion. When t he apert ure diameter of an optical system is fixed wit h t he same orbit height , t he resolution of ground object s can be improved by increasing t he focal lengt h. Meanwhile , by increasing t he field of view t he widt h of t he ground covered can be widened. The system designed has a focal lengt h of 10m and a field of view of 6° All t he 3 reflecting system surfaces are aspheric t hus avoiding t he effect of . cent ral obst ruction. Evaluations have shown t hat t he image quality is close to t he diff raction limit . Key words optics , opticat systems of long focal lengt h , optical design , space optics( State Key Lab. of Applied Optics , Changchun Institute of Optics Fine Mechanics Physics ,Chinese Academy of Sciences 3 )Cong Xiaojie 3 Ji n Y i ngji

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