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《宽覆盖,离轴空间相机光学系统的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第11卷第1期光学精密工程Vol.11No.12003年2月OpticsandPrecisionEngineeringFeb.2003文章编号10042924X(2003)0120055204宽覆盖、离轴空间相机光学系统的设计1121常军,翁志成,姜会林,丛小杰(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130022;2.长春理工大学,吉林长春130022)摘要:当前空间相机的光学系统的要求是:在多光谱范围内,系统要有高分辨率、大视场、小体积、质量轻且像面为平像场,TMA(Threemirroranastigmat)可以满足上述要求。为此给出了这方面的设计,所研
2、究的TMA系统三个反射面都是二次曲面,将主镜和第三镜离轴放置,避免中心遮拦的影响,系统的视场可达到5°×0.2°,焦距为6m,像质接近衍射极限。关键词:高分辨率;空间相机中图分类号:TH703文献标识码:A1引言2光学系统分析目前,在空间对地观测遥感领域中,无论是军在无像差光学系统中或者系统的像差足够小事还是民用领域都在努力发展高分辨力的空间相时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨机,并要求相机在多光谱条件下,具有大视场、高率。衍射对系统分辨率的影响由艾利斑直径d分辨率、体积小、无色差、平像场。当工作轨道高来表征:度和探测器尺寸一定时,增大焦距,可以提高对地2.44λfd=,(1)面像元的
3、分辨率。但是,焦距增大时,系统尺寸也D其中:λ为波长,f为光学系统焦距,D为光学系将随着增大,体积大对航空和航天产品非常不利。统口径。对于长焦距光学系统,折射系统和折反系统存在二级光谱,不易校正[1];反射系统不产生色差,无光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。系统焦距f与探测二级光谱,使用波段范围宽,而且孔径可以做得较器单元尺寸δ有如下的关系:大,宜于轻量化,在抗热性能方面有较强的优势,而且通过使用非球面来校正像差,可以使结构简fs=δ,(2)H单,像质优良。目前已有学者在这方面做了不少式中:H为卫星轨道高度,s为地面线分辨率。[2-6]工作。最常用的卡氏系统也同样
4、具有上述优地面覆盖宽度:点,但其视场小,且存在残余场曲;同轴的三镜消Q=2·H·tanω,(3)像散反射系统(TMA)由于中心遮拦的影响,减少式中:Q为地面覆盖宽度,ω为系统的半视场角。了进入系统的能量,降低了系统的传函值。离轴由上式可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸δ确TMA避免了中心遮拦,传函值可做到较高。本文定后,空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光探讨一种离轴TMA,系统焦距为6m,视场可达学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件到5°×0.2°,对地面有较大的覆盖范围,且筒长较下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视短,成像质量接近衍射极限。收稿日期:2002205204;修订日
5、期:2002210230.基金项目:国家自然科学基金项目(No.69978020)56光学精密工程第11卷场角可以扩大对地面的覆盖宽度。同时,增大系球面光学系统的加工、检测和装调工艺水平较低,统的口径有利于提高空间光学系统的性能。但在使得反射式光学系统没有得到广泛应用。如今,研制长焦距或超长焦距光学系统时,较少采用大随着计算机辅助加工非球面技术的日益成熟和计口径的折射和折反射系统。主要原因为二级光谱算机辅助检测与装调技术的应用;反射式系统的消除困难;其次大尺寸、高光学均匀性的材料较难设计与应用获得了充分的解放,出现了一些高质熔炼、对加工与装调要求极高,而且对环境温度和量、高性能的反射式系统,长
6、焦距光学系统的研究压力的变化也特别敏感。相对而言,反射式系统也就自然转到反射系统上来。由三块反射镜组成具有以下优势:的TMA系统结构最简单,在满足消除4种初级(1)不存在任何色差,二级光谱也就不存在,像差的前提下,还有多余的参数可以用来安排系因此可以用于很宽的谱段成像,特别适用于卫星统结构,因此受到广泛的关注。遥感侦察和多光谱成像的光学系统;(2)零件数相对较少,质量轻,可以设计成轻3设计举例和性能分析量化结构进一步减轻质量,这正是空间光学系统所需要的;现设计一个焦距f′=6000mm,相对孔径(3)设计型式非常灵活,可以借助折转反射镜D/f′=1/10,视场角(矩形视场角):5°×0.2°,
7、谱段来折叠光路使结构紧凑,还可以用非球面来获得为01486～017μm的TMA系统,确定系统各光学表大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。面的初始结构参数和部分非球面参数如表1所示:此类系统一般都要用到非球面,以前由于非表1结构参数Fig.1Systemparameters半径(mm)二次曲率非球面高次项偏心量x(mm)偏心量y(mm)th主镜-6930.0-1.4080800th次镜-29
