1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012
3 北京卫星导航中心，北京 100094
随着轻小型卫星技术的不断发展，紧凑型光学载荷成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场多光路耦合同轴四反光学系统具有长焦距、大视场和高轻量化水平等优点，可以更好地满足光学载荷高分辨率、多功能性、轻小型和低成本的应用需求，因此在轻小型光学遥感载荷领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三级像差理论为基础，对同轴四反光学系统的初始结构进行了分析。以一种适用于推扫成像的偏视场可见光、中波红外耦合成像光学系统为例，实例中可见光通道焦距4 m，工作谱段0.45~0.85 μm，相对孔径1∶10，中波红外通道焦距1.6 m，工作谱段3.7~4.8 μm，相对孔径1∶4，各通道视场角均为1.4°×0.2°。同时对系统成像质量及公差进行了分析，从分析结果可以看出，各通道成像质量均接近衍射极限，系统光学总长优于f’visible/5.48，具有较高的压缩比，且系统的加工和装配公差较为宽松，易于实现。
光学设计 同轴四反光学系统 偏视场成像 多光路耦合 optical design coaxial four-mirror optical system bias FOV imaging multi-channel coupled 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200197
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于激光雷达高程数据与平面影像数据融合的三维成像技术是三维遥感探测技术的重要发展方向之一。本文设计了基于此体制的共孔径三维成像载荷的光学系统。从受限的空间尺寸出发, 以此作为设计输入条件, 得到光学系统的初始设计参数, 设计了焦距为2 400 mm, F数为5.33的偏视场同轴三反系统。采用三镜前置的方式, 大大缩短了光学系统的轴向长度, 使光学系统的轴向长度仅为焦距的1/4.36, 在有限的空间内, 实现了长焦距、高分辨率的光学系统排布。采用偏视场设计, 避免了系统内的二次遮挡。整个系统的成像质量良好, 无色差, 畸变小, 光学调制传递函数接近衍射极限, 同时其相对孔径较大, 有效通光孔径较大, 能量集中度高, 在保证高地面分辨率的同时, 满足了激光接收端对能量的需求。
三维成像 同轴三反 偏视场 共孔径 三镜前置 光学系统设计 coaxial three-mirror system bias field front tertiary mirror 3-D remote sensing optical design
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
对偏视场光学系统的遮光罩进行优化设计。偏视场在一个方向上非对称, 设计主镜内遮光罩需要进行光线追迹, 难度大。采用痕迹图方法获得光线在空间的位置坐标, 确定系统有效视场大小及挡光部分位置, 对内遮光罩的挡光部分进行开口处理, 得到一个上短下长的特殊“鸭嘴型”遮光罩, 降低设计难度。经过优化分析, 最终的主镜内遮光罩沿Z轴方向的尺寸缩减为原来的一半, 在Y轴方向上尺寸减小来降低非有效视场的大小。使用TracePro软件对设计好的遮光罩进行建模、仿真, 得到PST在离轴角度为30°时达到10-9量级, 小于系统的5.59×10-7指标要求。结果表明: 使用痕迹图法对偏视场光学系统的主镜内遮光罩进行设计是可行的。
偏视场 杂散光 中心遮光罩 partial field stray light centric baffle PST PST 红外与激光工程
2017, 46(3): 0318002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统, 可见光和红外视场的大小分别为5.2°和5.12°。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下, 可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离, 可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测, 避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失, 提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统, 红外光学系统选用两个三反系统, 后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合, 系统总焦距为2 025 mm。经过优化, 可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上, 红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上, 成像质量均达到衍射极限。
大视场 可见光 红外光 偏视场 large field visible light infrared light partial field 红外与激光工程
2016, 45(10): 1018003
1 苏州大学现代光学技术研究所， 江苏 苏州 215006
2 江苏省现代光学技术重点实验室， 江苏 苏州 215006
同轴三反射光学系统具有体积小、装调精度要求低，且成像质量好等优点，因此在高分辨率航天遥感领域有着广泛的应用前景。通过初级像差理论求解了同轴三反光学系统的初始结构参数，设计了焦距25 m，F数为12.5的同轴偏视场三反光学系统。设计结果表明，该系统采用矩形视场偏置，杂光少，引入折叠镜后系统总长f′/6.0~f′/6.6，结构紧凑，视场角达0.6°×0.3°，适合线阵时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)传感器以推扫方式成像，空间频率50 lp/mm处，各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.47，接近衍射极限，成像质量良好，特别适用于高分辨率对地精细观测等领域。
光学设计 同轴三反 高分辨率 偏视场 矩形视场
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119
2 中国科学院 研究生院,北京 100039
为设计高分辨率可见光空间相机,研究了三反射式光学系统(TMA)设计过程中需要考虑的问题。通过对折轴三反射光学系统最终视场在像面上的分布,提出了偏视场、全视场和环形视场3种折轴三反光学形式,并进行了光学系统设计。设计了3种谱段位于500-800 nm,焦距f=6000 mm,F数为10的折轴三反光学系统,设计结果表明,3种系统成像质量均接近或达到衍射极限,可以满足高分辨率可见光空间相机的使用要求。并对3种折轴三反射光学系统的加工装配难度进行了分析和比较,可以作为其他大口径、长焦距空间相机光学设计的参考。
光学设计 三反光学系统 衍射极限 偏视场 环视场 全视场
中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学研究室,西安,710068
介绍了传统的二反射系统的杂光设计方法,研究了偏视场用三反射系统的杂光域与光阑位置的关系;指出了在线遮栏比较小(如1/4)和半视场角比较大(如0.77°)的情况下,设计时可不考虑用外遮光罩消一次杂光;给出了在不使用外遮光罩消一次杂光的情况下,决定主镜上内遮光筒和次镜上内遮光罩的长度的方法,此时系统线遮栏比为1/2.6;由于飞行方向与垂直方向视角不同,主镜上遮光筒和次镜上遮光罩的形状可以设计成非轴对称形状,并可使系统线遮栏比降为1/3.3;在此基础上提出了进一步减少系统遮栏比的方法,使线遮栏比降为1/3.6.
三反射系统 杂光 偏视场 光阑
