紧凑型偏视场多光路耦合同轴四反光学系统设计

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0.45~0.85μm,相对孔径1∶10,中波红外通道焦距1.6m,工作谱段3.7~4.8μm,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。

基于多面一体的紧凑型同轴四反光学系统

针对小型卫星遥感载荷轻量化和高分辨的应用需求,基于同轴四反光学系统初级像差理论,设计了一种小口径、长焦距、主三镜和二四镜均实现多面一体化的同轴四反光学成像系统。系统光路折叠紧凑,四面反射镜均为高阶偶次非球面,最终的设计结果为:视场角为1.5°,有效通光口径为140 mm,焦距为737 mm,系统总长为150 mm,各视场调制传递函数曲线接近衍射极限,衍射调制传递函数优于0.2(对应100 lp/mm),边缘视场相对畸变为0.17%。系统主三镜的曲率和二次曲面系数一致,二四镜的曲率和二次曲面系数一致,易于多面一体加工。系统加工自由度由传统的12项减少为8项,装调自由度由传统的12项减少为6项,公差分配合理,装配难度小。系统光机结构采用同质铝合金材料,在-30~70℃之间均保持良好的成像质量,无需额外后截距补偿,表现出良好的热稳定性。

同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统的设计

为解决高空间分辨率和微小卫星空间紧张之间的矛盾,基于像差理论和同轴四反光学系统,设计了一种同轴超紧凑型主三镜一体化光学系统。在焦距为1750mm、F数为7、全视场角为1.4°的条件下对光学系统进行验证,并分析了其公差和信噪比。结果表明:光学系统的整体长度小于200mm,仅为焦距的1/8.75,实现了光学系统的超紧凑化和小遮拦比设计。增加遮拦后,在奈奎斯特频率为78lp/mm处,全视场传递函数优于0.26,全视场波像差优于λ/50;在太阳高度角为30°、地表反射率为0.05时,信噪比优于24.9。系统结构简单、紧凑,且成像质量良好,对微小卫星高分辨光学系统的设计有一定的借鉴作用。