專利名稱：空間用輕型ccd相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于以光電陣列探測(cè)器作為接收器的空間成象光學(xué)系統(tǒng)范疇。
空間對(duì)地觀察用的大視場(chǎng)CCD相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，SPIE Vol 1940P128-134(1993)，如圖2所示，由于波段寬、視場(chǎng)大已往常常采取復(fù)消色差的折射型光學(xué)系統(tǒng)，其中需采用特殊色散光學(xué)材料。因此存在著下列缺點(diǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，透鏡數(shù)量多，重量較重；材料熱光學(xué)性能不好，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)溫度補(bǔ)償需用多重金屬鏡筒結(jié)合才能與光學(xué)系統(tǒng)溫度特征匹配；組成的各光學(xué)透鏡光焦度負(fù)擔(dān)重，高級(jí)象差大，限制成象質(zhì)量提高。
本發(fā)明的目的是克服已往常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，達(dá)到簡(jiǎn)化光學(xué)結(jié)構(gòu)，縮短筒長(zhǎng)，減輕重量；避免采用特殊光學(xué)材料；在很大變化范圍的浸泡溫度環(huán)境中保持優(yōu)良象質(zhì)。
本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)由四部份組成如


圖1所示在光學(xué)系統(tǒng)的光軸上依次安置平行平板保護(hù)窗1，正光焦度前部物鏡2，光欄5在前部物鏡2中，遠(yuǎn)離光欄5的起軸外象差校正作用的后部透鏡3，以及CCD拼接棱鏡4。
本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在保護(hù)窗1和前部物鏡2的若干表面制備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱相位分布的透鏡衍射光柵浮雕，用以簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中材料均選用普通的ZF，K，Lak玻璃，與單一的鋁鏡筒匹配可達(dá)到好的被動(dòng)溫度補(bǔ)償。后部透鏡3位與前部物鏡2和拼接棱鏡4之間位置，取負(fù)光焦度時(shí)，起縮短光學(xué)筒長(zhǎng)作用，從而進(jìn)一步減輕系統(tǒng)重量。光學(xué)系統(tǒng)前部物鏡2由正-負(fù)-正光焦度排列的三片透鏡組成，也可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為正、負(fù)光焦度兩片透鏡組成。在多光譜CCD相機(jī)中也可采用本系統(tǒng)的特征，此時(shí)后部透鏡3取正光焦度產(chǎn)生象方遠(yuǎn)心光路，以便放置分色棱鏡。
地物光束通過(guò)保護(hù)窗1，隔離熱和空間有害輻射后，經(jīng)過(guò)前部物鏡2中各透鏡和一個(gè)衍射光柵浮雕面，使光束會(huì)聚和象差互補(bǔ)，然后通過(guò)后部透鏡3校正軸外象差，最后經(jīng)CCD)拼接棱鏡4成象于象面。
采用本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)
圖1)與用傳統(tǒng)技術(shù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)相比(參見(jiàn)圖2和國(guó)際光學(xué)工程文集SPIE VOL 1940 Smal-satelliteTechnology and Application 111<1993>P129)有如下優(yōu)點(diǎn)1)透鏡片減少兩片，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)減少14％，其重量減少30％～40％。系統(tǒng)中光學(xué)玻璃不用特殊色散材料。
2)在同等高斯光學(xué)性能參數(shù)和波長(zhǎng)權(quán)重情形下，利用同樣的美國(guó)工程光學(xué)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF，設(shè)計(jì)結(jié)果接近理想，遠(yuǎn)高于SPIE論文中的報(bào)導(dǎo)，在50對(duì)線/mm頻率下，視場(chǎng)18°內(nèi)傳遞函數(shù)MTF值平均高于0.7，在70對(duì)線/mm頻率下，MTF值平均為0.6，而采用上述1993年SPIE文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的MTF值為在50對(duì)線/mm時(shí)，視場(chǎng)16°時(shí)，MTF平均為0.55，在70對(duì)線/mm時(shí)，視場(chǎng)16°時(shí)，MTF平均為0.5。
3)在浸泡溫度從+20℃至-25℃時(shí)的真空環(huán)境下，計(jì)算本發(fā)明新結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)與鋁鏡筒匹配時(shí)，傳遞函數(shù)MTF值幾乎沒(méi)有下降。
圖1是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是已有技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)值表。
圖4是已有技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)值表。
圖5是本發(fā)明透射衍射表面的相位分布圖。
本發(fā)明的實(shí)施例光學(xué)參數(shù)為F/5，f＝320，波段500nm-900nm，2W＝18°輕型CCD相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。透射衍射表面的衍射光學(xué)相位結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，其相位分布參數(shù)與通光半徑的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)附圖5，它制備在前部物鏡2的一個(gè)透鏡表面上，也可制備在保護(hù)窗1的表面上。保護(hù)窗1為平行平板式的保護(hù)玻璃。該實(shí)例的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)MTF，(在400km高空、20℃溫度時(shí))參見(jiàn)附圖3。
權(quán)利要求1.一種空間用輕型CCD相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，它包括CCD拼接棱鏡4，其特征在于在光學(xué)系統(tǒng)的光軸上依次安置保護(hù)窗1，正光焦度前部物鏡2，光欄5位于前部物鏡2中，遠(yuǎn)離光欄5的起軸外象差校正作用的后部透鏡3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于在保護(hù)窗1或前部物鏡2中的若干表面制備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱相位分布的透射衍射光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于后部透鏡3采用負(fù)光焦度位于前部物鏡2和拼接棱鏡4之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于前部物鏡2由兩塊正透鏡和一塊負(fù)透鏡或由一塊正透鏡和一塊負(fù)透鏡組成，并在光軸上按正、負(fù)、正光焦度排列或按正、負(fù)光焦度排列，前部透鏡2排列在保護(hù)窗1和后部透鏡3之間
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于后部透鏡可取正光焦度形成象方遠(yuǎn)心光路。
專利摘要本實(shí)用新型屬于以光電陣列探測(cè)器作為接收器的空間成象光學(xué)系統(tǒng)。本實(shí)用新型由保護(hù)窗、前部物鏡、光欄、后部透鏡和CCD拼接棱鏡組成。在保護(hù)窗或前部物鏡中含有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱相位分布的衍射表面。本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了光學(xué)結(jié)構(gòu)，縮短了光學(xué)系統(tǒng)的筒長(zhǎng)，重量減輕。系統(tǒng)中光學(xué)玻璃不用特殊色散材料與單一的鋁鏡筒匹配可達(dá)到好的被動(dòng)溫度補(bǔ)償，在很大變化范圍的浸泡溫度環(huán)境中保持優(yōu)良象質(zhì)。
文檔編號(hào)G02B27/00GK2246299SQ9522771
公開(kāi)日1997年1月29日 申請(qǐng)日期1995年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月6日
發(fā)明者翁志成, 張新, 叢小杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所