CN102589710A - 双谱段空间低温热像仪光学成像系统 - Google Patents

Abstract

双谱段空间低温热像仪光学成像系统，采用完全共用校正板、主镜、焦面校正透镜组的改进型施密特系统，偏视场使用，由两个独立的光学成像路径组合成。两组入射光线具有0°～4°夹角，分别依次到达校正板、主镜和焦面校正透镜组，最终到达两个分立的接收像面上分别成像。本系统采用消热差设计，利用共用校正板、主镜、焦面校正镜组光焦度、光学材料和结构材料的匹配，从而保证相机能够在常温条件下完成加工、装调和测试，在低温情况下进行工作。本系统具有工作温度范围宽，大视场，大相对孔径，光机结构集成度高，体积小，重量轻等优点，特别适用于对远距离的弱点目标进行探测。

Description

双谱段空间低温热像仪光学成像系统

技术领域

本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种在80K低温下使用的大视场、大相对口径、双谱段红外光学系统。

背景技术

红外技术特有的优势使得红外光学系统广泛应用于空间遥感和国防领域，但由于红外波段材料的折射率参数较无色光学玻璃更容易受到工作环境温度变化的影响，这使得红外光学系统成像质量的稳定性难以满足这些领域的特殊性要求，而对于低温光学系统而言，光学系统需要在常温工况下完成加工、装调和测试之后，在低温工况下进行工作，巨大的温度差将导致低温光学系统无法正常工作。

为了获得高成像质量稳定性的低温镜头，降低温控装置的要求，需采用一定的消热差技术以消除温度效应的影响。目前国内外采用的光学系统无热化技术大致分为三类，即光学被动补偿、机械被动补偿和机械主动补偿。空间相机对可靠性、体积和重量有严格限制而不适用机械被动补偿和机械主动补偿消热差技术。光学被动消热差直接利用不同光学材料间的热特性参数的互补性，通过光学材料的适当组合来消除温度变化的影响。

传统的大视场、大相对口径长焦距红外光学系统需要采用三种以上的红外材料，透镜数量多，透镜口径大，增加了光学系统结构的复杂程度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种双谱段空间低温热像仪光学成像系统，该系统具备双谱段探测以及大视场、大相对口径的特点。

本发明的进一步解决的技术问题是：系统能够在低温下使用。

本发明的技术解决方案是：双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于包括：共用校正板、共用主镜、共用焦面校正透镜组和接收像面；共用校正板、共用主镜和共用焦面校正透镜组同轴并作为光学系统的主光轴，两个不同视场的夹角为0°～4°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至由共轴的凸平正透镜和弯向共用主镜的弯月负透镜组成的共用校正板，经过共用校正板透射、共用主镜反射、由共轴的弯向共用主镜的弯月负透镜和双凸正透镜组成的共用焦面校正透镜组透射到达双谱段分立的接收像面后各自成像。

所述的共用校正板的面形为球面透镜、共用主镜的面形为球面或非球面反射镜、共用焦面校正透镜组的面形为球面或非球面透镜。

所述的共用主镜的通光口径由光学系统的视场大小决定，共用焦面校正透镜组的通光口径为矩形，矩形的外形尺寸由光学系统的视场大小决定的，只要能够保证在接收像面上能够清楚成像即可。

所述的共用校正板的材料为红外光学材料，共用主镜的材料为铍、或碳化硅、或微晶玻璃、或熔石英，共用焦面校正透镜组为与共用校正板相异的红外光学材料。

所述的接收像面为采用视场拼接或者机械拼接的面阵、线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

所述的光学系统能够在293K常温条件下完成加工、装调和测试，在80K低温情况下进行工作。

本发明的积极效果：

(1)传统施密特光学系统校正板与共用主镜的距离为共用主镜曲率半径，本发明通过对传统施密特光学系统进行改进，使得光学系统中校正板与共用主镜的距离为共用主镜曲率半径的0.7倍，从而可减小光学系统轴向长度；将大口径的共用校正板的面形设置为球面，降低光学系统加工与装调的难度，系统中加入小口径的共用焦面校正透镜组，可以有效的扩大系统视场、增加系统的相对口径；共用焦面校正透镜组的通光口径为矩形，可有效减小共用焦面校正透镜组造成的遮拦造成的能量损失，以上这些设计有利于光学系统对远距离的弱点目标进行探测。

(2)本发明采用了折反式光学系统，利用反射材料承担了主要的光焦度，对于大视场、大相对口径的红外光学系统而言，可以有效的较少大口径红外材料使用的数量；利用分视场的方式，在同一光学系统中实现了双谱段的探测，在同一台相机中实现了两种不同应用的集成，以上这些设计有利于降低相机光学系统的研制成本。

(3)本发明采用光学被动补偿消热差设计的思想，选择两种红外光学材料和一种反射镜材料，根据光学系统镜筒结构材料的热膨胀系数，使得温度变化时光学系统像面的位置变化趋势与相机像面探测器位置变化趋势一致，光学系统像面的位置与相机像面探测器位置之差小于光学系统的焦深，保证光学系统满足光焦度匹配要求、消热差要求和消轴向色差要求，以上这些设计能够保证光学系统在常温工况下进行加工、装调和测试，在80K低温工况下进行工作。

附图说明

图1a为本发明光学系统的结构图；

图1b为本发明光学系统沿光轴旋转90°后的结构图；

图2a为本发明光学系统B1谱段293K工况下轴向像差曲线；

图2b为本发明光学系统B1谱段80K工况下轴向像差曲线；

图2c为本发明光学系统B2谱段293K工况下轴向像差曲线；

图2d为本发明光学系统B2谱段80K工况下轴向像差曲线；

图3a为本发明光学系统B1谱段293K工况下象元能量集中度；

图3b为本发明光学系统B1谱段80K工况下象元能量集中度；

图3c为本发明光学系统B2谱段293K工况下象元能量集中度；

图3d为本发明光学系统B2谱段80K工况下象元能量集中度。

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统包括共用校正板1、共用主镜2、共用焦面校正透镜组3和接收像面4。

本发明的一个实施方案为工作谱段B1：2.5～3.0μm、B2：4.0～4.5μm，入瞳口径：300mm，F数1.67，有效视场为15°，探测器B1谱段与B2谱段象元尺寸均为36μm线阵TDICCD，采用视场拼接的方式增加幅宽，加工、装调与检测工作环境温度为293K，工作环境温度为80K。

组成共用校正板1的凸平正透镜5和弯向共用主镜2的弯月负透镜6选用两块同种材料的红外透镜，面形为球面，共用主镜2面形为球面或非球面，组成共用焦面校正透镜组3的弯月负透镜7和双凸正透镜8选用两块同种材料的透镜，面形为球面或非球面；共用校正板1、共用主镜2和共用焦面校正透镜组3同轴并作为光学系统的主光轴，两个不同视场的夹角为2°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至由共轴的凸平正透镜5和弯向共用主镜2的弯月负透镜6组成的共用校正板1，经过共用校正板1透射、共用主镜2反射、由共轴的弯向共用主镜2的弯月负透镜7和双凸正透镜8组成的共用焦面校正透镜组3透射到达双谱段分立的接收像面4后各自成像，双谱段接收像面4采用视场拼接的方式集成于一块电路板上。

为了满足光学系统加工装调与检测工作环境温度为293K，工作环境温度为80K的特殊要求，光学系统满足公式(1)中的光焦度匹配要求、消热差要求和消轴向色差要求：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{\mathrm{\φ}}_i=h_1\mathrm{\φ}\\ {\mathrm{df}}_b^{\left(\mathrm{\λ}\right)}/\mathrm{dT}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i^2{T}_{f,\mathrm{ri}}{\mathrm{\φ}}_i+{\mathrm{\α}}_l\mathrm{\φ}=0\\ {\mathrm{df}}_b^{\left(\mathrm{\λ}\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i^2{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\υ}}_i}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：h_i为归一化第一近轴光线在各个元件的高度，φ_i为归一化各个元件组的光焦度，φ为归一化系统的光焦度，υ_i为每个光学元件的阿贝数，T_f，n为光热膨胀系数，

为系统焦距随温度的变化，为系统的轴向色差，α_l为结构材料热胀系数。

光学材料的光热膨胀系数可表示为：

$T_{f,r}=\frac{1}{f}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dT}}={\mathrm{\α}}_g-\frac{\mathrm{\β}}{n-1}---\left(2\right)$

式中：f为光学系统焦距，T为环境温度，α_g为光学材料热胀系数，β为光学材料折射率系数，n为光学材料折射率。

由公式(1)和(2)，利用两种红外光学材料和一种反射镜材料间的热特性参数的互补性，合理选择光学材料并分配各个透镜组的光焦度，光学系统镜筒结构材料的热膨胀系数，使得温度变化时光学系统像面的位置变化趋势与相机像面探测器位置变化趋势一致，光学系统像面的位置与相机像面探测器位置之差小于光学系统的焦深，能够保证光学系统在常温工况下进行加工、装调和测试，在80K低温工况下进行工作。

本实施方案中，凸平正透镜5和弯月负透镜6选用锗材料，共用主镜2选用铍材料、面形为椭球面，弯月负透镜7和双凸正透镜8都选用锡化锌材料、入射光线由共用主机2反射到的弯月负透镜7的第一个透镜表面为六次非球面，共用焦面校正透镜组3的其余透镜表面为球面。光学系统外形尺寸为φ472mm×723mm，其长度为传统施密特光学系统长度的70％。

本实施方案中，光学系统各个谱段293K、80K工况下轴向像差曲线如图2a～2d所示，可以看出光学系统在各个工况都能够实现复消色差；光学系统各个谱段293K、80K工况下象元能量集中度如图3a～3d所示，各谱段各工况象元能力集中度均值分别为0.84、0.90、0.84、0.81；各谱段各工况离焦量分别为7.4μm、6.9μm、-6.8μm、-4.4μm，小于B1谱段半焦深15.3μm和B2谱段半焦深23.7μm；以上这些数据表明光学系统能够满足在常温工况下进行加工、装调和测试，在80K低温工况下进行工作的要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于包括：共用校正板(1)、共用主镜(2)、共用焦面校正透镜组(3)和接收像面(4)；共用校正板(1)、共用主镜(2)和共用焦面校正透镜组(3)同轴并作为光学系统的主光轴，两个不同视场的夹角为0°～4°的视场光线从左侧以主光轴为中心对称入射至由共轴的凸平正透镜(5)和弯月负透镜(6)组成的共用校正板(1)，经过共用校正板(1)透射、共用主镜(2)反射、由共轴的弯向共用主镜(2)的弯月负透镜(7)和双凸正透镜(8)组成的共用焦面校正透镜组(3)透射到达双谱段分立的接收像面(4)后各自成像。

2.根据权利要求1所述的双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于：所述的共用校正板(1)的面形为球面透镜、共用主镜(2)的面形为球面或椭球面反射镜、共用焦面校正透镜组(3)的面形为球面或非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于：所述的共用焦面校正透镜组(3)的通光口径为矩形。

4.根据权利要求1所述的双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于：所述的共用校正板(1)的材料为红外光学材料，共用主镜(2)的材料为铍、或碳化硅、或微晶玻璃、或熔石英，共用焦面校正透镜组(3)的材料为红外光学材料。

5.根据权利要求1所述的双谱段空间低温热像仪光学成像系统，其特征在于：所述的接收像面(4)为采用视场拼接或者机械拼接的面阵、线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

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