CN104570345A - 一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统。所述红外成像系统包括薄膜反射镜、光程补偿镜组和探测器，物空间出射的平行光束经薄膜反射镜的第一聚酰亚胺薄膜透射后入射至第二聚酰亚胺薄膜，经第二聚酰亚胺薄膜反射后再次经第一聚酰亚胺薄膜透射后进入光程补偿镜组，经过光程补偿镜组补偿后的光束最终进入探测器理想成像。发明在探测器前加入光程补偿镜组，其与薄膜反射镜相互配合，能够有效消除薄膜反射镜实际面形与理想球面之间的面形误差，使薄膜反射镜的面形达到理想成像的要求；工艺简单、操作方便，不仅能提高薄膜反射镜的面形精度，还能提高薄膜反射镜的成像质量。

Description

一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统

技术领域

本发明属于光学成像系统技术领域，涉及一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统。

背景技术

随着航空航天和军事侦察技术的迅猛发展，对光学反射镜超大、超轻量的要求也越来越迫切。薄膜反射镜是以柔性聚合物薄膜为基坯，并通过一定方式形成所需曲面面形的空间光学系统。它具有大口径、低面密度、成本低等优点，有效解决了空间反射镜大口径与低重量之间的矛盾。因此，它的研制对空间技术和军事侦察能力的发展具有重要的意义。

充气式薄膜反射镜通常采用聚酰亚胺薄膜作为薄膜材料，是利用气体压力对薄膜进行面形的变形及维持的光学系统。它与传统的使用碳化硅、金属铍等轻质材料制造的反射镜相比，具有口径大、面密度低、可折叠或展开等优点，满足了超大口径光学系统对反射镜的要求。但是，充气式薄膜反射镜的应用目前主要局限于空间天线和太阳能帆板等领域，这不仅是因为制造满足光学成像要求的薄膜非常困难，同时还与薄膜面形成型制造工艺比较繁琐、实施难度大有关。因此，如何提高薄膜反射镜的面形精度已成为一个刻不容缓的问题。

CN 103513309 A公开了一种长波红外充气式薄膜反射镜及其主镜面形生成方法，该申请方案依据薄膜反射镜的实际面形与理想抛物面之间的面形误差，在反射薄膜基底的不同位置镀不等厚的铜膜。但由于镀膜工艺的限制，很难实现均匀镀膜和不同区域的定量镀膜，因此，这种方法得到的薄膜面形与理想球面还是存在差距。

发明内容

针对现有充气式薄膜反射镜面型不是球形及典型非球面曲线，无法达到理想成像质量要求，本发明提供了一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统。该系统利用光程补偿镜组对薄膜反射镜实际面形与理想球面之间的曲面误差进行校正，使薄膜反射镜的面形达到了理想成像的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，包括薄膜反射镜、光程补偿镜组和探测器，物空间出射的平行光束经充气式薄膜反射镜的第一聚酰亚胺薄膜透射后入射至第二聚酰亚胺薄膜，经第二聚酰亚胺薄膜反射后再次经第一聚酰亚胺薄膜透射后进入光程补偿镜组，经过光程补偿镜组补偿后的光束最终进入探测器理想成像；所述充气式薄膜反射镜，由卡子、主镜框、第一主镜压板、第二主镜压板、第一聚酰亚胺薄膜、第二聚酰亚胺薄膜和密封圈组成，其中：第一聚酰亚胺薄膜和第二聚酰亚胺薄膜通过第一主镜压板和第二主镜压板紧压在主镜框上，卡子两侧紧固在第一主镜压板和第二主镜压板上，主镜框外圆端面处有一通气孔，密封圈位于主镜框两端面的密封槽内。

本发明具有如下有益效果：

(1)在探测器前加入光程补偿镜组，其与薄膜反射镜相互配合，能够有效消除薄膜反射镜实际面形与理想球面之间的面形误差，使薄膜反射镜的面形达到理想成像的要求；

(2)工艺简单、操作方便，不仅能提高薄膜反射镜的面形精度，还能提高薄膜反射镜的成像质量。

附图说明

图1是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的光路原理图；

图2是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的局部放大图；

图3是薄膜反射镜充气后实际面形的有限元分析图；

图4是薄膜反射镜充气后实际面形(实线)与理想球面面形(虚线)的对比图；

图5是光程补偿镜组中补偿透镜1的结构图；

图6是光程补偿镜组中补偿透镜2的结构图；

图7是光程补偿镜组中补偿透镜3的结构图；

图8是光程补偿镜组中补偿透镜4的结构图；

图9是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的MTF分析图；

图10是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的弥散斑分析图；

图11是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的场曲和畸变分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统由薄膜反射镜、光程补偿镜组11和探测器12构成。

所述薄膜反射镜由卡子1、主镜框2、第一主镜压板3、第二主镜压板4、第一聚酰亚胺薄膜5、第二聚酰亚胺薄膜6、第一密封圈7、第二密封圈8、第三密封圈9和第四密封圈10组成。第一聚酰亚胺薄膜5和第二聚酰亚胺薄膜6分别通过第一主镜压板3和第二主镜压板4紧压在主镜框2上，16个卡子1负责从第一主镜压板3和第二主镜压板4的外侧将第一主镜压板3和第二主镜压板4紧压在主镜框2上，主镜框2外圆端面处有一通气孔，第一密封圈7、第二密封圈8、第三密封圈9和第四密封圈10分别位于主镜框2两端面的密封槽内，每侧各两个，两侧对称分布。其中第一聚酰亚胺薄膜5是透明的，是薄膜反射镜的入射窗口；第二聚酰亚胺薄膜6的内表面是反射面，是薄膜反射镜的反射窗口。为了使薄膜反射面能够获得较小的曲率半径和焦距，对薄膜反射面采用预成形方法，即利用负压成形的方式使薄膜反射面预先具备一定的凸面面形，然后利用薄膜反射镜端面处的通气孔(I处)对密封腔进行充气和排气，从而利用气压来维持薄膜反射镜的面形，并使其面形发生一定程度的改变。

所述光程补偿镜组11由单晶锗制成，其包括第一补偿透镜13、第二补偿透镜14、第三补偿透镜15和第四补偿透镜16。光程补偿镜组11与薄膜反射镜相互配合，能够消除薄膜反射镜实际面形与理想球面之间的曲面误差。

所述探测器12，其分辨率为320×256，每个像元的尺寸为30um，线对数为1000/(30×2)≈16.5。

如图1所示，采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的成像过程如下：物空间出射的平行光束经第一聚酰亚胺薄膜(5)透射后入射至第二聚酰亚胺薄膜(6)，经第二聚酰亚胺薄膜反射后再次经第一聚酰亚胺薄膜透射后进入光程补偿镜组；光程补偿镜组(11)能够对光束的波阵面进行光程补偿，使其达到理想的球面波形，这样经过光程补偿镜组补偿后的光束最终进入探测器理想成像。

图2是采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的局部放大图，其放大区域为图1中的圆形(II)所围部分。如图2所示，利用金刚石车床加工的方式将第一主镜压板3、第二主镜压板4与边缘薄膜相接触的直角棱都加工成高面形精度的圆角，并使该圆角的表面光洁度及面形精度达到亚微米级。另外，要保证主镜框2与边缘薄膜相接触的表面的平面度达到微米级。

图3是薄膜反射镜在充气后实际面形的有限元分析图；图4是薄膜反射镜在充气后实际面形曲线与理想球面曲线的对比图，其中实线17表示充气后薄膜的实际面形，虚线18表示充气后薄膜的理想球面面形；Z轴表示光轴。通过这两个图发现薄膜反射镜在充气后其实际面形并非理想的抛物面或球面，而是一个非球面，且其非球面方程为：

$Z=\frac{{\mathrm{CH}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)C^2{H}^2}}---\left(1\right)$

其中为非球面上任一点到Z轴(光轴)的距离；C为非球面的基准面的曲率，即基准面曲率半径的倒数，其值为1/1500；K为锥面度，表示与球面的偏离量，其值为-1。

这导致从薄膜反射面反射回来的光波并非理想的球面波，直接进入探测器后成像质量则会较差。因此，为了校正薄膜反射镜的实际面形与理想球面之间的曲面误差，在探测器12前加入光程补偿镜组11，使从薄膜反射镜反射回来的光波在经过光程补偿镜后其面形满足理想球面面形。

光程补偿镜组的设计方法如下：

1、通过实验测试计算薄膜反射镜的实际面形参数；

2、计算薄膜反射镜的实际面形与理想球面之间的面形误差；

3、根据上述得到的面形误差，利用zemax光学设计软件拟定光程补偿镜组的曲面面形。

经过上述设计分析后，光程补偿镜组的结构如图5-8所示，其中：

第一补偿透镜13如图5所示，其关于Z轴(光轴)对称，坐标原点取在曲面1的顶点位置。曲面1为球面，半径为41.22mm，孔径为曲面2为球面，半径为37mm，孔径为32mm。第一补偿透镜1的中心厚为6±0.05mm，边缘厚为5.5mm。

第二补偿透镜14的结构图如图6所示，其关于Z轴(光轴)对称，坐标原点取在非球面顶点位置。曲面1为球面，半径为48.5mm，孔径为曲面2为非球面，孔径为30mm，其非球面方程如公式(1)所示，其中K＝0.536566，C＝1/36.74。第二补偿透镜14的中心厚为4±0.05mm，边缘厚为4.21mm。

第三补偿透镜15的结构图如图7所示，其关于Z轴(光轴)对称，坐标原点取在非球面顶点位置。曲面1为球面，半径为274.96mm，孔径为35mm；曲面2为非球面，孔径为其非球面方程如公式(1)所示，其中K＝-0.585517，C＝1/-63.6。第三补偿透镜15的中心厚为5±0.05mm，边缘厚为2.84mm。

第四补偿透镜16的结构图如图8所示，其关于Z轴(光轴)对称，坐标原点取在曲面1的顶点位置。曲面1为球面，半径为25.28mm，孔径为曲面2为球面，半径为25.14，孔径为29mm。第四补偿透镜16的中心厚为4±0.05mm，边缘厚为2.48mm。

经过光程补偿镜组11的校准后，反射光波接近理想的球面波。这样，反射波在经过标准镜头后，最终进入探测器12理想成像。

采用充气式薄膜反射镜及光程补偿镜组的红外成像系统的MTF分析图、弥散斑分析图、场曲与畸变分析图分别如图8、图9和图10所示。

本发明中，采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统的焦距为745.3mm，视场角为0.9°。

本发明中，入射光波的波段为8-12um。

本发明中，第一聚酰亚胺薄膜5和第二聚酰亚胺薄膜6的厚度为30um。

本发明中，第一聚酰亚胺薄膜5是透明的，为增加它的透射率，在薄膜两侧镀增透膜。

本发明中，第二聚酰亚胺薄膜6的内表面是反射面，在该表面镀一层均匀等厚的铝膜，并使其反射率不低于90％。

本发明中，薄膜反射镜的通光孔径尺寸为300mm。

Claims (8)

1.一种采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述红外成像系统由充气式薄膜反射镜、光程补偿镜组和探测器构成，物空间出射的平行光束经充气式薄膜反射镜的第一聚酰亚胺薄膜透射后入射至第二聚酰亚胺薄膜，经第二聚酰亚胺薄膜反射后再次经第一聚酰亚胺薄膜透射后进入光程补偿镜组，经过光程补偿镜组补偿后的光束最终进入探测器理想成像。

2.根据权利要求1所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述充气式薄膜反射镜由卡子、主镜框、第一主镜压板、第二主镜压板、第一聚酰亚胺薄膜、第二聚酰亚胺薄膜和密封圈组成，其中：第一聚酰亚胺薄膜和第二聚酰亚胺薄膜通过第一主镜压板和第二主镜压板紧压在主镜框上，卡子两侧紧固在第一主镜压板和第二主镜压板上，主镜框外圆端面处有一通气孔，密封圈位于主镜框两端面的密封槽内。

3.根据权利要求1所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述光程补偿镜组由第一补偿透镜、第二补偿透镜、第三补偿透镜和第四补偿透镜组成。

4.根据权利要求3所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述第一补偿透镜的中心厚为6±0.05mm，边缘厚为5.5mm；第二补偿透镜的中心厚为4±0.05mm，边缘厚为4.21mm；第三补偿透镜的中心厚为5±0.05mm，边缘厚为2.84mm；第四补偿透镜的中心厚为4±0.05mm，边缘厚为2.48mm。

5.根据权利要求3或4所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述第一补偿透镜关于光轴对称，坐标原点取在曲面1的顶点位置，曲面1为球面，半径为41.22mm，孔径为曲面2为球面，半径为37mm，孔径为32mm。

6.根据权利要求3或4所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述第二补偿透镜1关于光轴对称，坐标原点取在非球面顶点位置；曲面1为球面，半径为48.5mm，孔径为曲面2为非球面，孔径为30mm。

7.根据权利要求3或4所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述第三补偿透镜关于光轴对称，坐标原点取在非球面顶点位置；曲面1为球面，半径为274.96mm，孔径为35mm；曲面2为非球面，孔径为

8.根据权利要求3或4所述的采用充气式薄膜反射镜及其补偿镜的红外成像系统，其特征在于所述第四补偿透镜关于光轴对称，坐标原点取在曲面1的顶点位置；曲面1为球面，半径为25.28mm，孔径为曲面2为球面，半径为25.14，孔径为29mm。