CN106291881B - 一种线阵静态红外地球敏感器光学系统 - Google Patents

一种线阵静态红外地球敏感器光学系统 Download PDF

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Abstract

一种线阵静态红外地球敏感器远红外光学系统，折射式光学结构，采用2片弯月镜和1片滤光片实现，视场角大于30°，为校正轴外像差，2片弯月镜均有一个面设为非球面。本系统结构简单，质量小，F#不大于1.5，满足产品信噪比要求，采用2片镜实现，每个镜片厚度不大于4mm，镜片中的光学能量损失低，全视场内畸变小于1％，特别适用于卫星飞船等空间飞行器姿轨控系统中红外地球敏感器的使用。

Description

一种线阵静态红外地球敏感器光学系统
技术领域
本发明属于卫星飞船等空间飞行器姿轨控分系统红外地球敏感器技术领领域，涉及一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，对地球14～16微米远红外辐射光学成像。
背景技术
空间飞行器用线阵静态红外地球敏感器(红外地球敏感器，旧称为红外地平仪)的红外光学系统作用是对地球大气的远红外辐射光学成像，波长一般为14～16微米。由于辐射能量微弱，该光学系统需要具备大的相对孔径(小的F#)、少而薄的镜片以提高能量透过率；需要比较大的视场角以提高测量范围；需要抑制畸变，方便卫星使用。目前国内尚无该方面的专利授权，国内公开的文献如下：
(1)《广角f-θ静态红外地平仪镜头的光学设计》刘英，光学精密工程，第18卷第6期，2010年6月
(2)《静态红外地平仪的光学系统优化设计》吕银环，红外与激光工程，第35卷第5期，2006年l0月
文献1，利用f-θ镜头设计原理，选用非球面设计广角光学系统，全视场角为136度，F数为0.61，后工作距15mm；该镜头由4片镜构成，解决了广角镜头轴外像差平衡问题。文献1设计存在如下缺点：
(1)镜头由4片镜构成，导致光学透过率低；
(2)虽然产品设计的是f-θ光学结构，但是成像的目标是面物体而非点物体，导致图像畸变过大，无法提供卫星使用；
文献2中，光学系统选用透射式2片透镜结构，系统焦距为27.98mm,光学口径为30mm，F#＝0.9，像差满足要求，但为了提高探测器接受的能量，敏感波段放宽到13.5～16.5微米。文献2设计存在的缺点如下
(1)光学视场角21度，导致光学测量范围小,卫星使用受限；
(2)后工作距离过小(约7mm)，导致滤光片及探测器的安装受限，探测器的热控系统安装受限。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，光学系统设计保证有效F#不大于1.5，满足产品信噪比要求；采用2片镜实现，每个镜片厚度不大于4mm，提高能量透过率；抑制畸变，全视场内畸变小于1％，满足卫星使用要求；系统视场角大于30度，方便卫星使用；光学系统后工作距离大于10mm，便于安装滤光片及探测器及热控系统。
本发明的技术解决方案是：一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，包括第一正光焦度弯月镜、第二正光焦度弯月镜和滤光片；孔径光阑位于第一正光焦度弯月镜的有效通光边缘，用于控制视场和杂散光；地球远红外辐射依次经过第一正光焦度弯月镜、第二正光焦度弯月镜汇聚，再经过滤光片滤波，在探测器像面处成像。
第一正光焦度弯月镜、第二正光焦度弯月镜、滤光片均为锗单晶材料，第一正光焦度弯月镜、第二正光焦度弯月镜表面镀远红外增透膜。
第一正光焦度弯月镜的面r1为非球面，面r2为凹球面，并满足关系：
70mm<|R1|<90mm，
100mm<|R2|<120mm，
其中，|R1|为面r1在顶点处的半径的绝对值，|R2|为面r2半径的绝对值，且第一正光焦度弯月镜的厚度d1满足：
2mm<d1<4mm。
第二正光焦度弯月镜的面r3为非球面，面r4为凸球面，并满足关系：
120mm<|R3|<150mm，
65mm<|R4|<85mm，
其中，|R3|为面r3在顶点处的半径的绝对值，|R4|为面r4半径的绝对值，且第二正光焦度弯月镜的厚度d3满足：
2mm<d3<4mm。
滤光片的面r5、面r6均为平面，面r5、面r6上均镀有多层介质膜，构成带通滤光片。
后工作距离d4满足：
d4>10mm。
系统焦距f，入瞳直径D，光学系统F#＝f/D，且F#<1.5。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)光学系统F#不大于1.5，满足产品信噪比要求；
(2)光学系统采用2片镜实现，每个镜片厚度不大于4mm，镜片中的光学能量损失低；
(3)全视场内畸变小于1％，满足卫星使用要求；
(4)系统视场角大于30度，方便卫星使用；
(5)光学系统后工作距离大于10mm，便于安装滤光片及探测器及热控系统；
(6)结构简单，重量小。
附图说明
图1为本发明光学系统结构图；
图2为本发明中参数标号图。
具体实施方式
如图1所示，本发明光学系统包括安装第一正光焦度弯月镜1，第二正光焦度弯月镜2，滤光片3。地球红外辐射经第一正光焦度弯月镜1、第二正光焦度弯月镜2汇聚，再经滤光片3滤光后，入射至探测器4成像。
孔径光阑位于第一正光焦度弯月镜1的有效通光边缘，主要用于控制视场和杂散光。地球远红外辐射经过2片弯月镜成像，经过滤光片滤波，在像面处成像。
第一正光焦度弯月镜1的面r1为非球面，第二正光焦度弯月镜2的面r3为非球面用于校正轴外像差。面r2为凹球面，面r4为凸球面，面r5、r6为平面。
实施例
本发明的一个实施方案为工作谱段14～16μm，入瞳口径40mm，全视场为40°。
本实施方案中，第一正光焦度弯月镜1、第二正光焦度弯月镜2、滤光片3均为锗单晶材料，第一正光焦度弯月镜1、第二正光焦度弯月镜2表面镀远红外增透膜。滤光片3镀多层介质膜，构成14～16μm带通滤光片。
本例中，第一正光焦度弯月镜1的面r1为非球面、面r2为凹球面，|R1|＝78.8，conic系数-2.5，四次项系数3.6E-7，六次项系数-3.2E-10，|R2|＝109.5满足关系：
70<|R1|<90
100<|R2|<120
其中，|R1|为面r1在顶点处的半径的绝对值，|R2|为面r2半径的绝对值。
第一正光焦度弯月镜1的厚度d1＝2.7，满足关系：
2<d1<4
如图2所示，第二正光焦度弯月镜2的面r3为非球面、面r4为凸球面，|R3|＝133.8，conic系数6.5，四次项系数-6.6E-7，六次项系数5E-10，|R4|＝73满足关系：
120<|R3|<150
65<|R4|<85
其中，|R3|为面r3在顶点处的半径的绝对值，|R4|为面r4半径的绝对值。
第二正光焦度弯月镜2的厚度d3＝3.7，满足关系：
2<d3<4
第一正光焦度弯月镜1与第二正光焦度弯月镜2之间间距d2＝31.5，满足关系：
20<d2<40
后工作距离d4＝28.2，满足关系：
d4>10
系统焦距43.5mm，入瞳40mm，F#＝1.1满足关系：
F#<1.5
本例光学系统总长66.2mm，光路最大直径50mm，全视场内畸变小于0.2％，系统视场角大于40度。
本发明未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：由第一正光焦度弯月镜(1)、第二正光焦度弯月镜(2)、滤光片(3)和探测器(4)组成；孔径光阑位于第一正光焦度弯月镜(1)的有效通光边缘，用于控制视场和杂散光；地球远红外辐射依次经过第一正光焦度弯月镜(1)、第二正光焦度弯月镜(2)汇聚，再经过滤光片(3)滤波，在探测器(4)像面处成像；所述第一正光焦度弯月镜(1)的面r1为非球面，面r2为凹球面，并满足关系：
70mm<|R1|<90mm，
100mm<|R2|<120mm，
其中，|R1|为面r1在顶点处的半径的绝对值，|R2|为面r2半径的绝对值，且第一正光焦度弯月镜(1)的厚度d1满足：
2mm<d1<4mm。
2.根据权利要求1所述的一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：第一正光焦度弯月镜(1)、第二正光焦度弯月镜(2)、滤光片(3)均为锗单晶材料，第一正光焦度弯月镜(1)、第二正光焦度弯月镜(2)表面镀远红外增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：第二正光焦度弯月镜(2)的面r3为非球面，面r4为凸球面，并满足关系：
120mm<|R3|<150mm，
65mm<|R4|<85mm，
其中，|R3|为面r3在顶点处的半径的绝对值，|R4|为面r4半径的绝对值，且第二正光焦度弯月镜(2)的厚度d3满足：
2mm<d3<4mm。
4.根据权利要求1所述的一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：滤光片(3)的面r5、面r6均为平面，面r5、面r6上均镀有多层介质膜，构成带通滤光片。
5.根据权利要求1所述的一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：后工作距离d4满足：
d4>10mm。
6.根据权利要求1所述的一种线阵静态红外地球敏感器光学系统，其特征在于：系统焦距f，入瞳直径D，光学系统F#＝f/D，且F#<1.5。
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