一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，沿著光束傳播的方向依次包括：窗口玻璃、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面反射鏡、第四球面反射鏡、折疊鏡以及焦平面CMOS探測(cè)器；其中，以窗口玻璃所在坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，Z軸方向豎直向上，Y軸在紙面內(nèi)，方向向左，并與Z軸垂直，X軸與Y軸、Z軸滿足右手法則。本發(fā)明的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載光學(xué)成像系統(tǒng)，視場(chǎng)角達(dá)到90°，對(duì)地觀測(cè)空間分辨率可以達(dá)到0.2m，使得成像視場(chǎng)大幅提高，有效地?cái)U(kuò)大了地面覆蓋寬度以及地面觀測(cè)精度，對(duì)地觀測(cè)效率獲得較大提高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空遙感應(yīng)用領(lǐng)域，大視場(chǎng)寬覆蓋對(duì)地觀測(cè)一直是提高觀測(cè)效率的最有效的辦 法，透射式系統(tǒng)可以有很大的視場(chǎng)，從而通過(guò)提高地面覆蓋寬度來(lái)提高對(duì)地觀測(cè)效率。但 是，透射式系統(tǒng)存在色差，而且在長(zhǎng)焦距時(shí)二級(jí)光譜難以校正，從而降低了成像質(zhì)量，此外， 透射式系統(tǒng)一般重量較大，難以滿足光學(xué)系統(tǒng)輕量化的要求。全反射式光學(xué)系統(tǒng)具有無(wú)色 差、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，在反射式系統(tǒng)中，球面反射鏡相比非球面反射鏡更容易進(jìn)行加工、裝調(diào) 和檢測(cè)，使用球面反射元件能夠較大程度上降低成本，但反射式系統(tǒng)的視場(chǎng)一般較小，這對(duì) 航空遙感效率的提高有較大的限制。為了充分利用反射式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明以反射式系 統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)離軸設(shè)計(jì)，并對(duì)光闌等進(jìn)行合理優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種新型的超廣角全球面機(jī)載 反射式光學(xué)系統(tǒng)，配合12K X 5K的面陣探測(cè)器使用，成為目前視場(chǎng)最大的成像質(zhì)量?jī)?yōu)良的機(jī) 載相機(jī)。
[0003] 與本發(fā)明較為接近的反射式光學(xué)系統(tǒng)發(fā)明專(zhuān)利是由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī) 械與物理研究所張新等人設(shè)計(jì)的《超大視場(chǎng)偏軸全反射式光學(xué)系統(tǒng)》（申請(qǐng)?zhí)枺?201010613570.X)，利用四塊球面反射鏡偏軸分布，系統(tǒng)孔徑光闌與次鏡重合，通過(guò)離軸設(shè) 計(jì)，使得光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)達(dá)到62°，在一定程度上解決了反射式系統(tǒng)視場(chǎng)小的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服已有技術(shù)存在的視場(chǎng)小、非球面反射元件加工檢測(cè)困難的缺點(diǎn)，本發(fā)明提 出一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的目的在于:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠大視場(chǎng)范圍內(nèi)同時(shí)獲取地面目標(biāo)的信息，提 高作業(yè)效率，同時(shí)由于采用全反射設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不產(chǎn)生色差，離軸設(shè)計(jì)增加了校正像差的變量 的個(gè)數(shù)，使得在僅用球面反射鏡的條件下獲得較好的成像質(zhì)量，整個(gè)視場(chǎng)無(wú)漸暈，擴(kuò)展了可 用于成像系統(tǒng)的材料選擇的范圍，能夠在寬波段范圍內(nèi)獲取目標(biāo)的信息。本發(fā)明應(yīng)用于機(jī) 載平臺(tái)環(huán)境條件下，采用12KX5K的面陣探測(cè)器，空間分辨率可以達(dá)到0.2m，視場(chǎng)達(dá)到90°。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：
[0007] -種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，沿著光束傳播的方向依次包括：
[0008] 窗口玻璃、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面反射鏡、第四球面反射鏡、 折疊鏡以及焦平面CMOS探測(cè)器；
[0009] 其中，以窗口玻璃所在坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，Z軸方向豎直向上，Y軸在紙面內(nèi)，方 向向左，并與Z軸垂直，X軸與Y軸、Z軸滿足右手法則；
[0010] 選定窗口玻璃的中心位置為全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)后，第一球面反射鏡在X方向上發(fā) 生傾斜，傾斜角度為13°，窗口玻璃與第一球面反射鏡的距離dl為40mm~60mm;
[0011] 第二球面反射鏡在第一球面反射鏡的反射光路上，相對(duì)第一球面反射鏡所在局部 坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)-10.954°，與第一球面反射鏡在全局坐標(biāo)系下沿著Z軸的距離d2為60mm~ 80mm；
[0012] 第三球面反射鏡位于第二球面反射鏡的反射方向上，相對(duì)第二球面反射鏡的局部 坐標(biāo)系X方向傾斜19.011°，在宏觀坐標(biāo)系Z軸方向上與第一球面反射鏡的距離d3為12mm~ 20mm；
[0013] 第四球面反射鏡位于第三球面反射鏡的反射光路方向上，相對(duì)第三球面反射鏡的 局部坐標(biāo)系在X方向傾斜-8.393°，與第三球面反射鏡在全局坐標(biāo)系中Z軸方向的距離d4為 15mm ~20mm;
[0014] 經(jīng)過(guò)第四球面反射鏡反射后，在反射光路方向上設(shè)置折疊鏡，實(shí)現(xiàn)光路折轉(zhuǎn)，以減 小光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)度，折疊鏡繞第四球面反射鏡在第四球面反射鏡所在局部坐標(biāo)系的X軸方向 傾斜45°，與第四球面反射鏡在全局坐標(biāo)系下Z軸方向距離d5為40mm~50mm;
[0015] 經(jīng)折疊鏡反射后成像到CMOS探測(cè)器上，CMOS探測(cè)器到折疊鏡中心距離d6為15mm~ 20mm 〇
[0016] 在上述技術(shù)方案中，與像元數(shù)為12K X 5K，像元尺寸為5.5μπι的CMOS面陣焦平面陣 列組合應(yīng)用于機(jī)載航空對(duì)地觀測(cè)。
[0017] 在上述技術(shù)方案中，窗口玻璃為一平行平板，用作保護(hù)玻璃。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，所述第一球面反射鏡的半徑為111.245mm。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，所述第二球面反射鏡的半徑為130.952mm。
[0020] 在上述技術(shù)方案中，所述第三球面反射鏡的半徑為136.940mm。
[0021] 在上述技術(shù)方案中，所述第四球面反射鏡的半徑為110.143mm。
[0022] 在上述技術(shù)方案中，光學(xué)系統(tǒng)在X方向發(fā)生傾斜，并且光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌與第三 球面反射鏡重合。
[0023]本發(fā)明的積極效果是：
[0024] 本發(fā)明的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載光學(xué)成像系統(tǒng)，視場(chǎng)角達(dá) 到90°，對(duì)地觀測(cè)空間分辨率可以達(dá)到0.2m，使得成像視場(chǎng)大幅提高，有效地?cái)U(kuò)大了地面覆 蓋寬度以及地面觀測(cè)精度，對(duì)地觀測(cè)效率獲得較大提高。
[0025] 本發(fā)明的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)采用全反射系統(tǒng)設(shè)計(jì)，寬光譜范圍內(nèi) 無(wú)色差，無(wú)漸暈，接近像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，奈奎斯特頻率處調(diào)制傳遞函數(shù)優(yōu)于0.4，結(jié)構(gòu)緊湊，滿 足輕量化要求。全球面設(shè)計(jì)避免了非球面加工、檢測(cè)與裝調(diào)的難度，降低了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成 本。
[0026]應(yīng)用本發(fā)明的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)輕量化、無(wú)色差、無(wú)遮 攔的同時(shí)，通過(guò)離軸設(shè)計(jì)成像視場(chǎng)達(dá)到90°，實(shí)現(xiàn)了超廣角成像，應(yīng)用于低空遙感時(shí)具有其 他光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]圖1為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中的附圖標(biāo)記表示為：
[0030] 1:窗口玻璃;2:第一球面反射鏡;3:第二球面反射鏡;4:第三球面反射鏡;5:第四 球面反射鏡;6:折疊鏡;7: CMOS探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做以詳細(xì)說(shuō)明。
[0032] 本發(fā)明提供了一種超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的視場(chǎng)在X方向視場(chǎng)為 90°，Y方向視場(chǎng)為10°。技術(shù)方案如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)由窗口玻璃以及球面反射鏡組組成， 其中窗口玻璃1為平行平板，球面反射鏡組包括第一球面反射鏡2，第二球面反射鏡3，第三 球面反射鏡4，第四球面反射鏡5，折疊鏡6以及面陣CMOS探測(cè)器7。
[0033]在此系統(tǒng)中，沿著光束傳播的方向依次排布著窗口玻璃1、第一球面反射鏡2、第二 球面反射鏡3、第三球面反射鏡4、第四球面反射鏡5、折疊鏡6以及焦平面CMOS探測(cè)器7。其中 第一球面反射鏡2是光學(xué)系統(tǒng)的主鏡，第二球面反射鏡3是光學(xué)系統(tǒng)的次鏡，第三球面反射 鏡4是光學(xué)系統(tǒng)的三鏡，同時(shí)也是光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌，第四球面反射鏡5是光學(xué)系統(tǒng)的四 鏡。窗口玻璃1為一平行平板，用作保護(hù)玻璃。
[0034]以窗口玻璃1所在坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，Z軸方向豎直向上，Y軸在紙面內(nèi)，方向向 左，并與Z軸垂直，X軸與Y軸、Z軸滿足右手法則。選定窗口玻璃1的位置，即全局坐標(biāo)系的原 點(diǎn)后，第一球面反射鏡2在X方向上發(fā)生傾斜，傾斜角度為13°，窗口玻璃1與第一球面反射鏡 2的距離為dl。第二球面反射鏡3在第一球面反射鏡2的反射光路上，相對(duì)第一球面反射鏡2 所在局部坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)-10.954°，與第一球面反射鏡2在全局坐標(biāo)系下沿著Z軸的距離 為d2,第三球面反射鏡4位于第二球面反射鏡的反射方向上，相對(duì)第二球面反射鏡3的局部 坐標(biāo)系X方向傾斜19.011°，在宏觀坐標(biāo)系Z軸方向上與第一球面反射鏡的2的距離為d3,第 四球面反射鏡5位于第三球面反射鏡4的反射光路方向上，相對(duì)第三球面反射鏡的局部坐標(biāo) 系在X方向傾斜-8.393°，與第三球面反射鏡4在全局坐標(biāo)系中Z軸方向的距離為d4,經(jīng)過(guò)第 四球面反射鏡5反射后，在反射光路方向上設(shè)置折疊鏡6,實(shí)現(xiàn)光路折轉(zhuǎn)，以減小光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng) 度，折疊鏡6繞第四球面反射鏡5在第四球面反射鏡所在局部坐標(biāo)系的X軸方向傾斜45°，與 第四球面反射鏡5在全局坐標(biāo)系下Z軸方向距離為d5,經(jīng)折疊鏡反射后成像到CMOS探測(cè)器7 上，CMOS探測(cè)器7到折疊鏡中心距離為d6。其中，dl為40mm~60mm; d2為60mm~80mm; d3為 12mm ~20mm; d4 為 15mm 0mm; d5 為 40mm ~50mm; d6 為 15mm 0mm 〇
[0035]本發(fā)明的工作原理是:本系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載成像時(shí)，大視場(chǎng)目標(biāo)信息順序通過(guò)窗口 玻璃1，第一球面反射鏡2，第二球面反射鏡3，第三球面反射鏡4，第四球面反射鏡5，經(jīng)過(guò)折 疊鏡6將光路折疊，成像到CMOS光敏面7上，形成大視場(chǎng)的地物目標(biāo)圖像。選用球面反射鏡可 以降低鏡片的加工、檢測(cè)以及裝配成本，同時(shí)能夠使得光學(xué)系統(tǒng)在寬譜段內(nèi)無(wú)色差。各個(gè)球 面反射鏡的半徑、球面反射鏡之間的距離以及元件之間的相對(duì)傾斜偏心通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了成像質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)輕量化的目的。
[0036]光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境如下： 空間分辨率： 優(yōu)r〇.2m (飛行高度1km); 幅寬： 2km (飛行高度lkm)； 視場(chǎng)角： 9(KX10 成像模式: 面陣成像，平飛條件下框幅式推掃； 典型曝光時(shí)伺： <5ms;
[0037] 光學(xué)設(shè)計(jì)傳函： 0.4; 像元尺寸:： 5.5微米； 譜段： RGB，BAYES彩色; 垂直飛行方向像元數(shù)：12000; 圖像數(shù)據(jù)接口 ： CAMERLINK; 飛行高度: lkm；
[0038] 要實(shí)現(xiàn)上述光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)，光學(xué)成像系統(tǒng)的各個(gè)元件的具體參數(shù)需要按表 (1)所示的參數(shù)執(zhí)行，其中傾斜角度指的是該元件相對(duì)上一元件局部坐標(biāo)系的X軸旋轉(zhuǎn)的角 度。
[0039]表(1)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)表
[0042]顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì) 于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或 變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或 變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，沿著光束傳播的方向依次包 括： 窗口玻璃（1)、第一球面反射鏡（2)、第二球面反射鏡(3)、第三球面反射鏡(4)、第四球 面反射鏡(5)、折疊鏡(6)以及焦平面CMOS探測(cè)器(7); 其中，以窗口玻璃（1)所在坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，Z軸方向豎直向上，Y軸在紙面內(nèi)，方向 向左，并與Z軸垂直，X軸與Y軸、Z軸滿足右手法則； 選定窗口玻璃（1)的位置為全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)后，第一球面反射鏡（2)在X方向上發(fā)生 傾斜，傾斜角度為13°，窗口玻璃(1)與第一球面反射鏡(2)的距離dl為40mm~60mm; 第二球面反射鏡(3)在第一球面反射鏡（2)的反射光路上，相對(duì)第一球面反射鏡（2)所 在局部坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)-10.954°，與第一球面反射鏡(2)在全局坐標(biāo)系下沿著Z軸的距離 d2 為60mm ~80mm; 第三球面反射鏡(4)位于第二球面反射鏡(3)的反射方向上，相對(duì)第二球面反射鏡（3) 的局部坐標(biāo)系X方向傾斜19.011°，在宏觀坐標(biāo)系Z軸方向上與第一球面反射鏡(2)的距離d3 為 12mm ~20mm; 第四球面反射鏡(5)位于第三球面反射鏡(4)的反射光路方向上，相對(duì)第三球面反射鏡 (4)的局部坐標(biāo)系在X方向傾斜-8.393°，與第三球面反射鏡(4)在全局坐標(biāo)系中Z軸方向的 距離d4為15mm~20mm; 經(jīng)過(guò)第四球面反射鏡(5)反射后，在反射光路方向上設(shè)置折疊鏡(6)，實(shí)現(xiàn)光路折轉(zhuǎn)，以 減小光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)度，折疊鏡(6)繞第四球面反射鏡(5)在第四球面反射鏡(5)所在局部坐標(biāo) 系的X軸方向傾斜45°，與第四球面反射鏡（5)在全局坐標(biāo)系下Z軸方向距離d5為40mm~ 50mm； 經(jīng)折疊鏡反射后成像到CMOS探測(cè)器(7)上，CMOS探測(cè)器(7)到折疊鏡(6)中心距離d6為 15mm~20mm〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，與像元數(shù)為 12K X 5K，像元尺寸為5.5μπι的CMOS面陣焦平面陣列組合應(yīng)用于機(jī)載航空對(duì)地觀測(cè)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，窗口玻璃 (1)為一平行平板，用作保護(hù)玻璃。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一球 面反射鏡的半徑為111 .245mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二球 面反射鏡的半徑為130.952mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第三球 面反射鏡的半徑為136.940mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第四球 面反射鏡的半徑為110.143mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超廣角全球面反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)在 X方向發(fā)生傾斜，并且光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌與第三球面反射鏡(4)重合。
【文檔編號(hào)】G02B17/06GK105866936SQ201610383432
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月2日
【發(fā)明人】鐘興, 蘇志強(qiáng), 李艷杰
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司