实例下载:小型化遥感光学系统设计

摘要：随着航空航天成像技术的发展，遥感成像观测系统需求不断增加，为了简化光学系统的加工装配复杂度，缩小光学系统体积，该文提出了一种低成本、小型化遥感成像光学系统设计方法。在全球面镜的基础上，配合氟化钙等低色散材料，设计了一种焦距2 000 mm，适用于5.08 cm（2 inch）探测器的光学成像系统，该系统在50 lp/mm处MTF（调制传递函数）优于0.41，体积与R-C系统接近，系统的球面主、次镜避免了在加工装调时使用非球面补偿器，降低了加工装调成本。同时设计了新型百叶窗遮光罩结构，有效避免了传统外遮光罩结构形式体积过大的问题，规避角大于12°后PST（点源透射比）值均小于10^-6，且光学体积仅为ϕ227×421 mm³，远小于传统外遮光罩形式。该系统具有低成本、结构小型化、轻量化、像质优良、杂散光抑制良好等优点，在工程应用中可以满足航空航天成像系统的使用要求。

引言

遥感技术可以实时获取直观的有效目标信息，为许多突发自然灾害如洪水、地震、森林火灾等应急事件提供第一手资料，在军事侦察、环境与灾情监测、地质勘探、地理测绘、气象预报、科学实验等重要领域发挥着重要作用。其中光学遥感技术的重要组成部分是遥感光学成像技术。

遥感光学成像系统普遍采用望远结构形式，早期的望远结构形式有经典的开普勒型和伽利略型，但其存在视场小，焦长比小的问题。1876 年法国阿·曼金研制的一种消球差折反射式光学元件，称为曼金镜，由第一折射表面和第二反射表面构成。早期通过选择第一表面的光焦度校正反射面的球差，相比于1980 年代的折反系统，曼金镜在加工工艺方面相对于非球面镜有着简单、周期短和成本低的优势。因此，喻研芳针对某折反式红外跟踪光学系统，开展了基于曼金镜的光学系统设计，计算结果表明，引入曼金镜替换主镜时会使折反光学系统色差更大，故其折反式光学系统采用了非球面主反射镜和球面曼金镜结构形式次镜，实现了焦距为40 mm、视场为6°的红外跟踪系统，有效降低了加工装配难度。RIEDL M J 等人针对曼金镜在折反射光学系统中的像差进行了分析，尤其是在卡塞格林系统中对主镜和次镜分别使用曼金镜结构后的球差变化做了实例计算，最终得出若折反射系统F数较小，采用曼金镜同时替换主、次镜才能更好地消除球差的结论。

随着光学加工和装调技术的发展，卡塞格林系统加工装配难度急剧下降，越来越多地应用于各类遥感成像系统中。闫佩佩等人设计了一款焦距为2000 mm，全视场为1.66°的R-C系统，主镜到遮光罩外顶点长度为360 mm，杂散光抑制能力良好，在规避角2°时PST从10^-2快速下降至10^-5。张雷等人针对遥感星座采用卡塞格林系统，设计了焦距为1 850 mm、F数为8.8的高分辨率视频相机，在91 lp/mm处调制传递函数大于0.28，光机系统经优化后体积达到ϕ254×482 mm³。

虽然R-C系统[17]的加工装调技术已经比较成熟，但在加工装调时均需要补偿器消除非球面系数，无法定心装配，只能采用干涉仪测量波前参数，增加了光学系统的加工装配复杂度及成本。鉴于此，本文设计了一种基于全球面的折反射式长焦距光学成像系统，该系统的性能与R-C系统的成像性能相近，体积相当。该系统使用球面主镜、球面曼金次镜、球面矫正镜组，极大地降低了生产和装配方面的复杂度，可以采用传统的定心装配，有效控制了成本。设计的百叶窗形式遮光罩使该系统体积减小为ϕ227×421 mm³，极大地降低了系统的体积和重量，实现了小型化。

1.光学系统设计与分析

1.1 光学系统设计参数

遥感光学系统常采用大像元探测器，以保证有充足的满阱电荷和较好的灵敏度。本文取探测器像元尺寸为10 μm×10 μm，探测器靶面尺寸为5.08 cm（2 inch），对应像元数可达5 M pixel。光学系统全视场畸变限制在0.5 %以内，具体的光学系统主要指标如表1所示。

1.2 设计方法

虽然曼金镜起步较早，但受到早期光学材料特性和装调技术限制，逐步被R-C系统替代，并且R-C系统形成了自己独立的初始结构计算模型。本文基于现有光学材料发展技术，以R-C系统为基础开展优化设计，完成了较好的设计结果。具体设计思路如图1所示。

图1.长焦距光学系统设计方法

3. 结论

本文提出了一种低成本、小型化遥感光学系统设计方法，配合新型遮光罩设计方法，设计了一个具有良好成像质量的全球面长焦距折反射式光学系统。该光学系统可以采用传统的定心装配工艺，在加工装配过程中避免使用非球面补偿器，降低了装配复杂度和成本。根据该光学系统的特点设计了百叶窗式遮光罩，与传统设计方法的遮光罩相比，体积减小到原来的0.83，实现了小型化，系统整体体积为ϕ227×421 mm³。在Tracepro中对系统进行杂散光分析，计算了系统的点源透射比PST，在规避角大于12°后PST值均小于10^-6，能够满足实际工程要求。

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