同轴大压缩比大相对孔径相机的光学系统设计
发布时间：2021-09-23 06:12
以近轴三反射镜消像差理论作为设计依据,采用小视场角偏置设置,使用一维倾斜平面镜将光路在主镜前折叠,优化设计了具有高压缩比的同轴大相对孔径成像光学系统。其中,相机焦距为2.5 m,像方F数为6.3,成像视场角为0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空间频率下,400～900 nm可见光-近红外波段光学调制传递函数优于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm时光学调制传递函数优于0.6,成像质量均接近衍射极限,全视场下成像一致性较好。光学系统长度具备小于1/5.6倍系统焦距、1.1倍主镜直径的高压缩比,三反射镜均为二次曲面且非离轴空间布局,不含有高次非球面系数,公差分析结果表明光学系统易于工程化实现,在多星组网的紧凑型商用成像测高光学相机领域具有广泛的应用前景。
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
传统同轴反射系统的主光路
根据设计经验,含有两次遮拦的同轴三反系统的β1β2取值在3～6,考虑到双波段分光路后探测器的安装调整,三镜的后工作距应适当充足,同时次镜及三镜实现小遮拦比,初始结构下倍率系数β1β2赋值为5,次镜遮拦比α1取0.3,二次成像时次镜光学放大倍率β1取-3.5,进而得到归一化同轴三反系统各反射镜初始顶点的曲率半径,根据相机焦距值进行软件初始设置下的半径放大[17-18]。针对本大相对孔径紧凑型空间相机尺寸约束及同轴系统的遮拦问题,本文将成像视场进行一维方向偏置处理,将0.6°(X向)×0.3°(Y向)成像角范围在Y向偏置,消除三镜对次镜的遮拦,提高能量利用率。从次镜反射出的光线在经过X向倾斜的平面镜P1反射后,改变了光路传输方向,向全局坐标系-Y方向投射到平面反射镜P2,平面反射镜P2在Y向倾斜,避免出射光线与P1镜物理干涉,光线经过Y向倾斜的平面反射镜P2和P3折叠后入射到三镜,相机主光路如图2所示。其中,P1在X方向上的倾角为45°,P2,P3镜Y向倾斜角度之和为45°,根据光线-反射镜坐标系变换原理,在序列模式下,此时的三镜法线平行于XOZ平面,三镜顶点法线垂直于系统光轴。根据视场角偏置设置和反射镜坐标系变换特性,经过三镜反射的光线在X方向会存在一定的出射角度,会聚光线可避开P3镜。最终,成像光线经Y向倾斜设置的平面反射镜P4入射到像面I。采用视场偏置和平面反射镜的一维方向倾斜设置,次镜出射主光路在主镜之前完成了折叠,主次镜间隔370 mm,系统长度得到了充分控制。为便于安装P1镜的支撑结构和主镜轻量化,主镜中心仍采用打孔处理;从P4镜出射的后截距光路应留出适当长度以进行分波段成像,保证会聚透镜和探测器的安装空间。采用Y向45°倾角设置的分色片完成工作谱段分光,可见-近红外波段光谱带较宽,为降低垂轴色差的校正难度,减少消像差透镜元件的使用,由分色片反射输出直接成像。控制三镜,P2,P3,P4镜内边缘与主镜筒的包络距离,保证主镜筒遮光罩的安装;系统中主镜和三镜为椭球面,次镜为双曲面,均未使用高次非球面系数,采用常规球面补偿镜方式即可辅助完成二次曲面的加工检测。在光学系统优化时,适当放开反射镜半径和二次曲面系数自由度,以初始半径为中心值,数值的偏移变化量不超过20%,镜间隔应保证各反射面接收的光路足迹无切趾无阻挡,控制主光线位置下的像面畸变,同时采用反馈式设计方式以降低面形制造敏感度和装配误差,以传递函数与采样出射波前rms作为设计评估标准。经过深度优化,主光路中各反射镜参数如表2所示。
系统中分色片与光轴的倾斜角会导致从分色片透射的激光光路近轴像差增大,其中影响较大的是三阶子午像散,因此采用与分色片反向倾角设置的透镜进行像差校正。考虑到激光波段较窄且接收探测器的奈奎斯特频率不高,使用单片球面透镜即可满足设计需求,激光通路中透镜如图3所示。最终的双波段相机成像光路如图4所示。在成像视场光轴方向(Z方向),光学系统总长445 mm,约为焦距的1/5.6,主镜直径的1/1.1;垂直光轴方向的最大外包络尺寸为538 mm,约为焦距的1/4.6,极大限度地压缩了相机的光学尺寸。系统中采用同轴系统一维偏视场设置,避免了同轴系统三镜的二次遮拦,提高了系统成像的能量利用率;在一维方向倾斜设置的平面反射镜将光路在主次镜间折叠,在不产生光路遮挡下充分利用了镜间空间,有效地压缩了光学系统尺寸。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距的机载光电成像系统目标定位[J]. 张赫,乔川,匡海鹏. 光学精密工程. 2019(01)
[2]折反射共光路多谱段激光雷达光学系统设计[J]. 李晶,车英,王加安,金美善,栾爽. 中国激光. 2018(05)
[3]遗传算法在离轴四反光学系统设计中的应用[J]. 徐奉刚,黄玮. 光学精密工程. 2017(08)
[4]适用于立方体卫星的激光测距合作目标[J]. 罗青山,郭唐永,姚运生. 光学精密工程. 2017(07)
[5]一种反射共孔径式激光测距光学系统设计[J]. 谢桂娟,吴健,李长桢. 激光与红外. 2017(05)
[6]立方体卫星技术发展及其应用[J]. 廖文和. 南京航空航天大学学报. 2015(06)
[7]空间遥感测绘光学系统研究综述[J]. 巩盾. 中国光学. 2015(05)
[8]离轴多反射镜系统支撑结构的设计与装调[J]. 梅贵,翟岩,苗健宇,浦前帅. 光学精密工程. 2015(08)
[9]红外双波段双视场共光路光学系统[J]. 张葆,崔恩坤,洪永丰. 光学精密工程. 2015(02)
[10]国外视频卫星发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(09)
硕士论文
[1]基于激光测距的目标定位技术的研究[D]. 郝睿鑫.西安工业大学 2014
本文编号：3405189
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
传统同轴反射系统的主光路
根据设计经验,含有两次遮拦的同轴三反系统的β1β2取值在3～6,考虑到双波段分光路后探测器的安装调整,三镜的后工作距应适当充足,同时次镜及三镜实现小遮拦比,初始结构下倍率系数β1β2赋值为5,次镜遮拦比α1取0.3,二次成像时次镜光学放大倍率β1取-3.5,进而得到归一化同轴三反系统各反射镜初始顶点的曲率半径,根据相机焦距值进行软件初始设置下的半径放大[17-18]。针对本大相对孔径紧凑型空间相机尺寸约束及同轴系统的遮拦问题,本文将成像视场进行一维方向偏置处理,将0.6°(X向)×0.3°(Y向)成像角范围在Y向偏置,消除三镜对次镜的遮拦,提高能量利用率。从次镜反射出的光线在经过X向倾斜的平面镜P1反射后,改变了光路传输方向,向全局坐标系-Y方向投射到平面反射镜P2,平面反射镜P2在Y向倾斜,避免出射光线与P1镜物理干涉,光线经过Y向倾斜的平面反射镜P2和P3折叠后入射到三镜,相机主光路如图2所示。其中,P1在X方向上的倾角为45°,P2,P3镜Y向倾斜角度之和为45°,根据光线-反射镜坐标系变换原理,在序列模式下,此时的三镜法线平行于XOZ平面,三镜顶点法线垂直于系统光轴。根据视场角偏置设置和反射镜坐标系变换特性,经过三镜反射的光线在X方向会存在一定的出射角度,会聚光线可避开P3镜。最终,成像光线经Y向倾斜设置的平面反射镜P4入射到像面I。采用视场偏置和平面反射镜的一维方向倾斜设置,次镜出射主光路在主镜之前完成了折叠,主次镜间隔370 mm,系统长度得到了充分控制。为便于安装P1镜的支撑结构和主镜轻量化,主镜中心仍采用打孔处理;从P4镜出射的后截距光路应留出适当长度以进行分波段成像,保证会聚透镜和探测器的安装空间。采用Y向45°倾角设置的分色片完成工作谱段分光,可见-近红外波段光谱带较宽,为降低垂轴色差的校正难度,减少消像差透镜元件的使用,由分色片反射输出直接成像。控制三镜,P2,P3,P4镜内边缘与主镜筒的包络距离,保证主镜筒遮光罩的安装;系统中主镜和三镜为椭球面,次镜为双曲面,均未使用高次非球面系数,采用常规球面补偿镜方式即可辅助完成二次曲面的加工检测。在光学系统优化时,适当放开反射镜半径和二次曲面系数自由度,以初始半径为中心值,数值的偏移变化量不超过20%,镜间隔应保证各反射面接收的光路足迹无切趾无阻挡,控制主光线位置下的像面畸变,同时采用反馈式设计方式以降低面形制造敏感度和装配误差,以传递函数与采样出射波前rms作为设计评估标准。经过深度优化,主光路中各反射镜参数如表2所示。
系统中分色片与光轴的倾斜角会导致从分色片透射的激光光路近轴像差增大,其中影响较大的是三阶子午像散,因此采用与分色片反向倾角设置的透镜进行像差校正。考虑到激光波段较窄且接收探测器的奈奎斯特频率不高,使用单片球面透镜即可满足设计需求,激光通路中透镜如图3所示。最终的双波段相机成像光路如图4所示。在成像视场光轴方向(Z方向),光学系统总长445 mm,约为焦距的1/5.6,主镜直径的1/1.1;垂直光轴方向的最大外包络尺寸为538 mm,约为焦距的1/4.6,极大限度地压缩了相机的光学尺寸。系统中采用同轴系统一维偏视场设置,避免了同轴系统三镜的二次遮拦,提高了系统成像的能量利用率;在一维方向倾斜设置的平面反射镜将光路在主次镜间折叠,在不产生光路遮挡下充分利用了镜间空间,有效地压缩了光学系统尺寸。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光测距的机载光电成像系统目标定位[J]. 张赫,乔川,匡海鹏. 光学精密工程. 2019(01)
[2]折反射共光路多谱段激光雷达光学系统设计[J]. 李晶,车英,王加安,金美善,栾爽. 中国激光. 2018(05)
[3]遗传算法在离轴四反光学系统设计中的应用[J]. 徐奉刚,黄玮. 光学精密工程. 2017(08)
[4]适用于立方体卫星的激光测距合作目标[J]. 罗青山,郭唐永,姚运生. 光学精密工程. 2017(07)
[5]一种反射共孔径式激光测距光学系统设计[J]. 谢桂娟,吴健,李长桢. 激光与红外. 2017(05)
[6]立方体卫星技术发展及其应用[J]. 廖文和. 南京航空航天大学学报. 2015(06)
[7]空间遥感测绘光学系统研究综述[J]. 巩盾. 中国光学. 2015(05)
[8]离轴多反射镜系统支撑结构的设计与装调[J]. 梅贵,翟岩,苗健宇,浦前帅. 光学精密工程. 2015(08)
[9]红外双波段双视场共光路光学系统[J]. 张葆,崔恩坤,洪永丰. 光学精密工程. 2015(02)
[10]国外视频卫星发展研究[J]. 刘韬. 国际太空. 2014(09)
硕士论文
[1]基于激光测距的目标定位技术的研究[D]. 郝睿鑫.西安工业大学 2014
本文编号：3405189
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