一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统
阅读说明：本技术 一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统 (Large-view-field off-axis three-mirror optical system for energy detection ) 是由 谢远 王臣臣 田晓 张蕾 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明设计一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统。其特别之处在于：沿着光线传播方向依次包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；光阑位于第一反射镜上；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜均有离轴和倾斜；视场采用圆形视场,全视场大小为4.8°；系统长度为焦距大小的一半左右；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜的面型均为非球面结构；系统产生的像点大小在3μm大小的能量分布达到百分之八十以上。本发明提供了一种能够用于空间星系能量探测,实现紫外到短波红外波段成像,能够将高达80％以上的能量集中与产生的像点大小的3μm范围内的能量探测系统。(The invention designs a large-view-field off-axis three-mirror optical system for energy detection. It is characterized in that: the device comprises a first reflector, a second reflector and a third reflector in sequence along the light propagation direction; the diaphragm is positioned on the first reflector; the first reflector, the second reflector and the third reflector are all off-axis and inclined; the field of view adopts a circular field of view, and the size of the full field of view is 4.8 degrees; the length of the system is about half of the focal length; the surface types of the first reflector, the second reflector and the third reflector are all aspheric structures; the system produces an energy distribution with a spot size of 3 μm of more than eighty percent. The invention provides an energy detection system which can be used for space star system energy detection, realizes imaging from ultraviolet to short wave infrared bands, and can concentrate more than 80% of energy and generate image points within 3 mu m.)
技术领域
本发明设计光学成像领域，具体涉及一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统。主要用于遥远星系的能量探测等领域。
技术背景
伴随着对太空探索的不断深入，航天、航空对光学系统的需要不断增加，一方面需要具有更高分辨率、更高灵敏度的太空光学系统的需求越来越迫切，用来获取被测目标更多的细节信息；一方面需要克服光能探测单元的探测动态范围小，功能单一，结构设计不合理，易与光学系统的结构发生物理干涉等问题。但是关于能量探测的大视场的光学系统还没有相关的研究，很有必要研制一种用于能量探测的大视场光学系统。
探测光学系统应用广泛，灵敏度与时效性是其重要的性能指标。其原理根据瑞利判据，口径越大，分辨率越高，大孔径的设计可以提高系统接收的光照度，进而对微弱目标发出的光更加敏感，提高探测灵敏度；而大视场可以对目标进行大范围搜索，提高探测时效性。相对于灵敏度而言，快速在视场中寻找到探测目标，提高时效性则是探测系统的重要作用，因此，大视场是探测光学系统的设计趋势。
星敏感器是空间飞行器中广泛使用的一种高精密空间姿态测量仪器，它通过探测天体中不同位置的恒星辐射来获取运载体的姿态信息。光学系统是星敏感器的核心部件，光学系统的设计质量决定了接收星像点的好坏，影响系统的后续处理过程速度以及定位的准确度。因此，开展星敏感器镜头设计的研究具有重要研究意义。而作为光学设计的主要形式，折射式和反射式是光学系统的主要形式。由于体积小，重量轻等条件的限制，对于长焦、大口径系统的星敏感器主要采用反射式结构。而由于反射式光学系统的视场一般较小，为秒级，不能满足大视场成像的实际需要，因此需要对系统结构重新调整，满足实际大视场搜索的需要。
本发明将针对大视场反射式光学系统设计的需要，考虑到系统能较好的对像差进行校正，提高系统视场，扩大搜索范围，对波段能量有效采集利用，提出一种能够用于空间星系能量探测，实现紫外到短波红外波段成像，能够将80％的能量集中与产生的像点大小的3μm的范围的离轴三反的能量探测系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统，能够提高反射系统的视场大小以及成像质量，使得系统可以进行能量探测。
一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统，其特征在于，所述光学系统由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；所述光学系统沿光线传播方向依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜；所述光阑位于所述第一反射镜上；所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的镜面均为非球面镜；所述第一反射镜与所述第二反射镜相对设置，所述第二反射镜与所述第三反射镜相对设置，所述第一反射镜与所述第三反射镜分设在第二反射镜的两侧；所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜采用离轴和倾斜设置。
所述光学系统的整体长度为其焦距长度的0.35～0.65之间。
所述光学系统采用圆形视场，视场大小在6.5°～8°之间。
所述第一反射透镜的光学特性为：-0.85f′＜f1′＜-0.75f′，-1.7f′＜R1＜-1.5f′，-0.75＜k1＜-0.7，-1.78e-12＜k14＜-1.7e-12，-7.5e-19＜k16＜-7e-19，-1.5e-24＜k18＜-1.0e-24，-5.0e-31＜k110＜-5.5e-31，-420＜d1y＜-400，-2°＜α1y＜-1°；
所述第二反射镜的光学特性为：-0.25f′＜f2′＜-0.20f′，-0.5f′＜R2＜-0.4f′，-5.2＜k2＜-4.8，1.2e-8＜k24＜1.4e-8，-1.2e-12＜k26＜-1.1e-12，3.5e-17＜k28＜4.0e-17，-420＜d2y＜-400，1°＜α2y＜2°：
所述第三反射镜的光学特性为：-0.45f′＜f3′＜-0.35f′，-0.9f′＜R3＜-0.7f′，-0.05＜k3＜-0.04，-2.5e-11＜k34＜-2.0e-11，-5.0e-17＜k36＜-4.0e-17，-8.0e-27＜k38＜-7.0e-27，3.0e-28＜k310＜4.0e-28，-300＜d3y＜-250，9°＜α3y＜10°；
其中，f′是系统焦距；f1′、f2′、f3′、f4′均为焦距；k1是第一反射镜二次项系数大小；kn4，kn6，kn8，kn10分别为四次、六次、八次和十次系数大小；R1、R2、R3为反射镜所对应的三个曲率半径；d为每个子镜沿着y轴方向李欣大小；α为反射镜倾斜角度大小。
所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜沿着y轴均发生离心，最大的离心量小于焦距的一半。
所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜沿着x轴发生旋转，最大的旋转角度大小小于10°。
所述光学系统的反射镜采用离心设计，实现大范围目标探测。
所述光学系统在焦面上成像点在3μm范围内的能量大于80％。
所述光学系统焦距为850～900mm，系统的口径为280～320mm。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：系统采用非球面镜，增加了校正光学系统像差的自由度，从二次项系数和非球面系数进行优化从而得到一个成像质量良好的光学系统，系统的传递函数曲线在全视场范围内接近衍射极限；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：能够通过多种手段将反射光学系统的全视场提高到7°左右，半视场4.8°左右。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个实施例提供的用于能量探测的大视场离轴三反光学系统结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的光学系统的包围圆能量图；
图3为本发明一个实施例提供的离轴三反系统的点列图；
图4为本发明一个实施例提供的离轴三反系统的传递函数曲线图；
其中，图中：1、主镜；2、次镜；3、三镜；
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
针对系统视场大小不能满足实际需要的不足，采用离轴式非球面反射式光学系统，提高系统的视场大小，完成对波段能量有效采集利用，提出一种能够用于空间星系能量探测，实现紫外到短波红外波段成像，能够将高达80％以上的能量集中到低于3微米成像像点范围内的能量探测系统。
如图1所示，一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统，沿着光线传播方向依次包括主镜1、次镜2和三镜3，主镜1、次镜2和三镜3均为反射镜，反射镜的镜面为非球面镜；第一反射镜(也就是主镜1)与第二反射镜(也就是主镜2)相对设置，第二反射镜(也就是主镜2)与第三反射镜(也就是主镜3)相对设置，第一反射镜与第三反射镜分设在第二反射镜的两侧。
对于第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜采用离轴和倾斜设置；对于光学系统的整体长度为其焦距长度的0.35～0.65之间；光学系统采用圆形视场，全视场大小在6.5°～8°之间。
第一反射透镜(也就是主镜1)的光学特性为：-0.85f′＜f1′＜-0.75f′，-1.7f′＜R1＜-1.5f′，-0.75＜k1＜-0.7，-1.78e-12＜k14＜-1.7e-12，-7.5e-19＜k16＜-7e-19，-1.5e-24＜k18＜-1.0e-24，-5.0e-31＜k110＜-5.5e-31，-420＜d1y＜-400，-2°＜α1y＜-1°；第二反射镜(也就是主镜2)的光学特性为：-0.25f′＜f2′＜-0.20f′，-0.5f′＜R2＜-0.4f′，-5.2＜k2＜-4.8，1.2e-8＜k24＜1.4e-8，-1.2e-12＜k26＜-1.1e-12，3.5e-17＜k28＜4.0e-17，-420＜d2y＜-400，1°＜α2y＜2°；第三反射镜(也就是主镜3)的光学特性为：-0.45f′＜f3′＜-0.35f′，-0.9f′＜R3＜-0.7f′，-0.05＜k3＜-0.04，-2.5e-11＜k34＜-2.0e-11，-5.0e-17＜k36＜-4.0e-17，-8.0e-27＜k38＜-7.0e-27，3.0e-28＜k310＜4.0e-28，-300＜d3y＜-250，9°＜α3y＜10°；其中，f′是系统焦距；f1′、f2′、f3′、f4′均为焦距；k1是第一反射镜二次项系数大小；kn4，kn6，kn8，kn10分别为四次、六次、八次和十次系数大小；R1、R2、R3为反射镜所对应的三个曲率半径；d为每个子镜沿着y轴方向李欣大小；α为反射镜倾斜角度大小。
第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜沿着y轴均发生离心，最大的离心量小于焦距的一半；第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜沿着x轴发生旋转，最大的旋转角度大小小于10°；整个光学系统的反射镜采用离心设计，全视场大小为6.5°～8°之间，这样整个光学系统能够实现大范围目标探测。
在整个系统无法校正像差的条件下，光线经过光学系统传递后在焦面上会形成一个具有一定尺寸大小的亮斑，经过三个反射镜后形成的亮斑大小可以用于对系统的成像质量进行分析，尺寸越小则说明系统的成像质量越好。
整个光学系统的焦距控制在850～900mm，系统的口径为280～320mm，最终在焦面上成像点在3μm范围内的能量大于80％，如果在焦平面成像点在7微米范围内的能量大于90％以上。
实施例1：
如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，系统由三个反射镜组成，每个反射镜均沿着y轴进行离心以及沿着x轴发生旋转。入射光线入射到系统后经第一反射镜反射，入射到第二反射镜，最后经过第三反射镜到达系统的像面。
本实施例所提供的光学系统焦距为850-900mm，全视场大小为7°，探测器像远尺寸大小为5-10μm，系统的口径为300-350mm。如图2，在可见光波段内，全视场范围内MTF均接近衍射极限，系统在焦面上形成的像点在3μm的范围内，能量集中度为80％以上，在7μm的范围内为90％以上。
光学系统采用对反射镜进行离心及倾斜设计，可以将系统的视场增大，同时对反射镜的镜面选用了非球面面型，增加了系统对各种像差优化的自由度，提高系统的成像质量。对于系统的点列图(如图3所示)和MTF曲线(如图2所示)等，可以看到离心三反系统的成像质量已经接近衍射极限，同时能将能量的80％以上聚集到3μm的范围内。
以上对本申请实施例所提供的一种用于能量探测的大视场离轴三反光学系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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