一种宽容差高分辨率光学系统技术方案

一种宽容差高分辨率光学系统，包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正系统的场曲。同时场镜还用于校正系统的场曲。同时场镜还用于校正系统的场曲。

【技术实现步骤摘要】
一种宽容差高分辨率光学系统


[0001]本专利技术涉及一种宽容差高分辨率光学系统，可实现超大规模像素成像，属于光学设计和


技术介绍

[0002]成像探测器是空间光学遥感相机的关键核心器件，探测器的像元尺寸、像素密度等是影响相机能力的关键指标。传统的星载高分辨率成像遥感器一般采用像元3μm以上的探测器，像元规模最大也就千万像素。近年来，随着半导体技术以及成像探测器技术的发展，像元尺寸突破了1um，像元规模突破十亿，甚至可能突破百亿级。面向超大规模像素的微米像元探测器，亟需开展大视场高频成像光学系统设计，解决传统光学系统的空间带宽积与系统复杂度矛盾瓶颈，以及超小像元器件引入成像系统导致的光学高敏感度，以满足探测器的性能及航天应用需求。
[0003]根据该类探测器的性能及航天相机长焦距的应用需求，要求系统焦距为几百毫米以上，f#小于1.7，静态视场大于5
°×5°
。如此小的焦距口径比光学系统易引入较大孔径像差，同时要求在较大视场范围内在超高奎斯特频率处(达700线对/mm)具有接近衍射极限的成像水平。另外，像元规模从传统的千万级，甚至到百亿级，成像设计视场范围激增，给系统设计带来较大的象散和场曲像差校正难度。该光学系统工作于可见波段，属于小F#大视场的高分辨率光学系统，兼顾传统照相镜头的大视场和显微镜头的高分辨的特点，对传统光学设计提出新的挑战。传统的可见光遥感相机，由于探测器尺寸较大，3um以上，相应焦距口径比基本在5以上，其常采用同轴RC结构、RC加校正镜结构、同轴TMA结构或离轴TMA结构。但对于当焦距口径比要求小于2时，以上前四种均难以实现。另外，在地面的监控和安防领域应用的大视场且高分辨成像系统，如鱼眼镜头、多镜头拼接、折反全景相机、共心球透镜多尺度成像系统、复眼系统结构等，由于所实现的焦距短(几十mm)和口径小，畸变大、分辨率中等，均不适用该空间相机。因此该类光学系统给光学设计和工程实现提出了新的挑战，需要开展新结构设计，以满足超大规模像素的宽容差高分辨率光学系统的设计要求。
[0004]现有技术中的同轴三反的结构，用于对空间微小目标的快速搜索，主镜采用凹抛物面结构，次镜为高次凸非球面，第三镜为凹高次非球面。主镜、次镜和第三镜的光轴重合，构成同轴三反光学系统。这样构成的光学系统焦距口径比为1.66，但是设计视场仅能达到3
°
视场。
[0005]传统的施密特结构，设计视场可以做大，但是其加工、装调、调焦和温控要求严苛，工程研制成本高，无法直接应用到超大规模亚微米像元的长焦系统设计中。另外，虽然离轴自由曲面光学系统可以实现较高的像质，但是其体积较大，大约为3
×1×
1.8m3，而且含两个1米以上口径的自由曲面，加工难度极大。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的光学系统设计结构存在
相对孔径大，成像视场小，装调公差严、体积大等问题，难以满足超小相对孔径，即F#小于2、百亿级超大像元规模、工程实现性强的应用需求，提出一种宽容差高分辨率光学系统，利用相位波前编码技术使光学系统在大视场范围内传递函数基本保持不变，可以有效降低超小F#、大视场光学系统公差容限。
[0007]本专利技术的技术方案：一种宽容差高分辨率光学系统，包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正系统的场曲。
[0008]所述非球面校正镜组包括多个非球面校正镜。
[0009]所述每个非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。
[0010]所述每个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面。
[0011]在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接叠加置相位编码版面形或者置入一块相位编码板，对系统的波前进行编码调制。
[0012]所述相位编码板采用立方编码板、对数编码板和指数编码板中的一种。
[0013]所述相位编码板放置于系统的孔径光阑处。
[0014]所述主反射镜为凹面镜，曲率半径为系统焦距的两倍，偏离不超过系统焦距的20％，口径不大于600mm。
[0015]所述场镜为1～3片透镜组成的透镜组，通光口径不超过200mm。
[0016]所述外部光束为紫外光、可见光或红外光。
[0017]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0018](1)本专利技术提供的一种宽容差高分辨率光学系统，实现了超大规模像素的宽容差高分辨率光学系统。该系统包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；所述非球面校正镜组由多个非球面校正镜组成，非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面，口径不大于450mm；在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接置入一块相位编码板，对系统的波前进行编码调制，利用波前编码技术，降低系统公差灵敏度，提高了系统工程可实现性；同时借助光纤光锥实现像面的平场设计。该系统同时具备成像视场大、分辨率高度高的优点，结构简单紧凑，易于工程实现。
[0019](2)本专利技术提出了一种光学结构几何光学设计与相位编码版的协同设计方法，实现了几何光学结构、相位编码以及图像恢复的三者协同优化，针对性设计相位编码结构以及所对应的宽容差公差项。
[0020](3)该设计结构和设计方法，具有普适性，适应于紫外、可见或红外光学系统。
附图说明
[0021]图1为本专利技术光线垂直入射施密特校正板示意图；
[0022]图2为本专利技术几何光学设计与相位编码版的协同设计；
[0023]图3为本专利技术用于超大规模像素的宽容差高分辨率光学系统
具体实施方式
[0024]本专利技术一种宽容差高分辨率光学系统，包括非球面校正镜组(含相位编码)、主反
射镜、场镜组、探测器；
[0025]所述非球面校正镜并排安装于入射光路上；所述非球面校正镜接收外部光光束，并对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；同时在非球面校正镜的后表面直接叠加或者校正板后置入一块相位编码板，对系统的波前进行编码调制，以降低系统的公差容限。编码板的具体设置和设计，根据系统的特性和宽容差的公差项进行迭代设计，再后面阐述设计方法时详细叙述。
[0026]所述非球面校正镜组由一个或多个非球面校正镜组成，非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。单个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面，口径不大于450mm。
[0027]所述系统的孔径光阑位于非球面校正镜组的最后一个表面处，相位编码板可以直接叠加该表面上，或者将相位编码版置于孔径光阑处。
[0028]所述相位编码板可以为立方编码板、对数编码板和指数编码板等中的一种。这里选用立方编码板，编码形式为z＝a
·
(x3+y3)。
[0029]所述主反射镜为凹面镜，主反射镜曲率中心位于非球面校本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽容差高分辨率光学系统，其特征在于：包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束后通过放置于非球面校正镜组后方的相位编码板进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正系统的场曲。2.根据权利要求1所述的一种宽容差高分辨率光学系统，其特征在于：所述非球面校正镜组包括多个非球面校正镜。3.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学系统，其特征在于：所述每个非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。4.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学系统，其特征在于：所述每个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面。5.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学系统，其特征在于：在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接叠加置相位编码板面...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮宁娟，刘晓林，王小勇，贺金平，庄绪霞，田国梁，魏久哲，张庭成，李妥妥，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：