CN108519664A - 主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置 - Google Patents

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Abstract

主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，属于红外光学成像技术领域；该装置解决了现有的空间红外反射式光学装置体积大、重量重的技术问题；该装置的反射主镜和反射三镜为一体化结构，一体化的反射主镜和反射三镜通过主镜芯轴安装在主镜座内，次镜座通过桁架组件与主镜座固定连接，反射次镜通过次镜芯轴固定在次镜座上，次镜遮光罩嵌套在桁架组件上，镜筒与主镜座连接，探测器支撑架连接在主镜座外侧，探测器像面安装在探测器支撑架上；该装置采用主三镜一体化的光学集成成像系统设计，构成超紧凑同轴三反红外光学成像装置，在同样焦距长度下，减小了空间红外光学系统的体积、重量和成本等，另外增加了系统优化变量，能够较好的校正像差。

Description

主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置
技术领域
本发明属于红外光学成像技术领域，具体涉及一种主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置。
背景技术
空间光学遥感技术发展方向为高分辨率、大幅宽、轻量化和小体积，而反射式系统可对光路进行折叠，在较小体积情况下，实现较大焦距，且无色差，只需用反射镜，无需特殊材料，在空间红外光学系统中获得广泛应用。反射系统包括离轴反射系统和同轴反射系统，离轴反射系统可实现较大视场且中心无遮拦，具有较高的成像质量，但是与同轴反射系统相比装调困难，成本高，支撑结构体积较大，不利于载荷的发射以及运载，因此同轴反射光学系统在空间遥感光学技术中仍有重要应用，但是为了实现长焦距，高分辨率、宽谱段的技术要求，同轴反射光学系统往往体积和重量难以减少。
发明内容
本发明为了解决现有的空间红外反射式光学装置体积大、重量重的技术问题，提出了一种主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置。
本发明的技术方案如下：
主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，包括反射主镜、反射次镜、反射三镜、探测器像面、次镜座、次镜遮光罩、主镜座、次镜芯轴、桁架组件、主镜芯轴、探测器支撑架和镜筒；
其特征在于，所述反射主镜和反射三镜为一体化结构；一体化的反射主镜和反射三镜的反射镜面为凹面，凹面朝向与光线传播方向相反；一体化的反射主镜和反射三镜通过主镜芯轴安装在主镜座内；
所述次镜座通过桁架组件与主镜座固定连接，所述反射次镜通过次镜芯轴固定在次镜座上；所述反射次镜的反射面为凸面，凸面朝向与光线传播方向相同；所述次镜遮光罩嵌套在桁架组件上；
所述镜筒与主镜座连接，探测器支撑架连接在主镜座外侧，探测器像面安装在探测器支撑架上，一体化的反射主镜和反射三镜、反射次镜和探测器像面同轴。
所述桁架组件包括，次镜桁架支撑环、桁架和主镜桁架支撑环；所述主镜桁架支撑环安装在主镜座上，次镜支撑环通过桁架与主镜桁架支撑环连接，次镜座与次镜支撑环连接；所述次镜遮光罩嵌套在次镜桁架支撑环上。
所述反射次镜、反射主镜和反射三镜的材料均为碳化硅，主镜座的材料为钛合金，桁架的材料为碳纤维，所述主镜桁架支撑环和次镜桁架支撑环的材料均为铟钢。
所述反射主镜、反射次镜和反射三镜的反射面是偶次非球面，反射次镜的反射面是椭圆曲面。
所述成像装置的光学元件都具有旋转对称性，反射主镜和反射三镜、反射次镜和探测器像面的光学表面的曲率中心都位于光轴上。
所述反射主镜、反射次镜和反射三镜之间的光焦度绝对值比依次为1：1.4：0.54。
所述成像装置的焦距为1500mm，视场角为1°，工作谱段为3～5μm，通光口径为800mm，筒长是448mm。
本发明的有益效果：
1、本发明采用主三镜一体化的光学集成成像系统设计，构成超紧凑同轴三反红外光学成像装置，为减小空间红外光学系统的体积、重量和成本等提供了解决途径。
2、本发明改进了卡塞格林反射光学系统，相比传统的卡氏结构，增加一个反射三镜，并通过光路追迹计算把反射主镜和反射三镜镶嵌为一体，与主镜共用一个基底，能对光路进行再折转，实现同轴三反红外光学系统的超紧凑设计。同时，在同样焦距长度下，显著缩小系统体积，另外增加了系统优化变量，能够较好的校正像差，在红外空间探测和航天遥感等领域中，具有广泛的应用前景和使用价值。
附图说明
图1为本发明主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置的纵向剖面光机结构示意图；
图2为本发明主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置的次镜组件和主镜桁架支撑环俯视示意图；
图3为本发明主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置的光线追迹示意图。
其中，1、反射主镜，2、反射次镜，3、探测器像面，4、次镜座，5、次镜遮光罩，6、主镜座，7、次镜芯轴，8、次镜桁架支撑环，9、桁架，10、主镜桁架支撑环，11、主镜芯轴，12、探测器支撑架，13、镜筒，14、反射三镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细阐述。
如图1和图2所示，主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，包括反射主镜1、反射次镜2、反射三镜14、探测器像面3、次镜座4、次镜遮光罩5、主镜座6、次镜芯轴7、桁架组件、主镜芯轴11、探测器支撑架12和镜筒13。
反射主镜1和反射三镜14为一体化结构。一体化的反射主镜1和反射三镜14为圆对称结构，且允许中心遮拦。一体化的反射主镜1和反射三镜14的反射镜面是偶次非球面，反射镜面为凹面，凹面朝向与光线传播方向相反。
一体化的反射主镜1和反射三镜14采用芯轴中心支撑方式，并且通过主镜芯轴11安装在主镜座6内，主镜芯轴11与主镜座6之间用螺钉连接，一体化的反射主镜1和反射三镜14与芯轴11之间用硅橡胶固定。主镜座6选用钛合金材料，其作为相机的安装基准，是相机装置主承力组件。各光学组件，如主镜桁架支撑环10、主镜芯轴11、探测器支撑架12和镜筒13等，均直接与主镜座6固定连接，同时主镜座6也是与卫星平台的接口。
次镜座4通过桁架组件与主镜座6固定连接，桁架组件包括，次镜桁架支撑环8、桁架9和主镜桁架支撑环10。主镜桁架支撑环10安装在主镜座6上，次镜支撑环8通过桁架9与主镜桁架支撑环10连接，次镜座4与次镜支撑环8固定连接。主镜桁架支撑环10和次镜支撑环8均与镜座6通过螺钉紧固，利用桁架9将反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14相连。桁架9采用圆柱体设计，以减小体积，并采用碳纤维材料制作，具有质量轻、刚度高、温度稳定性好的优点。综合考虑材料的机械性能、经济合理性、光学件与机械件的线胀系数相匹配的原则，主镜桁架支撑环10和次镜桁架支撑环8均选用铟钢材料。
反射次镜2通过次镜芯轴7固定在次镜座4上，反射次镜2与次镜芯轴7之间用硅橡胶固定，次镜芯轴7与次镜座4之间用螺钉紧固。反射次镜2也用芯轴中心支撑方式，芯轴支撑方式具有技术成熟，加工、装调难度相对较小，易于实现的优点。采用芯轴固定方式来制作反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14的主承力结构，具有一定柔性，可提高整机的适应性。
反射次镜2的反射镜面是椭圆曲面，反射次镜2与反射主镜1和反射三镜14一样也使用了偶次反射非球面，可以更好的校正色差。反射次镜2反射面为凸面，凸面朝向与光线传播方向相同，以此增加了反射三镜14的反射面，目的是增加光学系统优化变量，减少透镜数量。所述次镜遮光罩5嵌套在桁架组件中的次镜桁架支撑环8上。次镜遮光罩5采用三层挡光设计，有效遮挡杂光。
把镜筒13安装在主镜座6上，探测器支撑架12通过螺钉连接在主镜座6外侧，探测器像面3安装在探测器支撑架12的外侧，实现整体装置的紧凑设计。一体化的反射主镜1和反射三镜14、反射次镜2和探测器像面3同轴。
反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14的材料均为碳化硅，反射主镜1、反射次镜2和反射三镜14之间的光焦度绝对值比依次为1：1.4：0.54。
成像装置的光学元件都具有旋转对称性，且一体化的反射主镜1和反射三镜14、反射次镜2和探测器像面3的光学表面的曲率中心都位于光轴上，属于共轴光学系统。
如图3所示，子午面6束光线，每束光线包含半视场0°、0.25°和0.5°的光线，入射到一体化的反射主镜1和反射三镜14的外弧位置的反射主镜1的反射面上，经过一次反射到达反射次镜2的反射面上，再一次反射到达一体化的反射主镜1和反射三镜14的内弧位置的反射三镜14的反射面上，第三次反射到反射次镜2反射面上，再由反射次镜2反射，经过一体化的反射主镜1和反射三镜14的中央通孔，汇聚到探测器像面3上。反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14的反射面均采用8阶高次非球面，增大了自变量，可以更好的校正像差，增加了一次反射三镜14的反射，从而实现红外成像装置的超紧凑设计。
具体实施方式一，反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14的材料是碳化硅，基底厚度为25mm，均用芯轴安装方式固定，具有一定柔性，主镜芯轴11与主镜座6连接，次镜芯轴7与次镜座4连接，一体化的反射主镜1和反射三镜14与芯轴11之间和反射次镜2与次镜芯轴7之间均用硅橡胶固定。主镜桁架支撑环10和次镜支撑环8均与镜座6通过螺钉紧固，利用桁架9将反射次镜2和一体化的反射主镜1和反射三镜14相连，桁架9采用圆柱体设计，减小体积，主镜座6是相机系统主承力组件，镜筒13厚度为15mm，装在主镜座6上，次镜遮光罩5采用三层挡光设计，有效遮挡杂光，主镜座6的外侧通过螺钉连接探测器支撑架12，探测器像面3安装在探测器支撑架12底部。装配相机期间，保证装元件的同轴度与中心对称性。
根据本发明的特点，得到了一款，焦距为1500mm，视场角为1°，工作谱段为3～5μm，通光口径为800mm，筒长是448mm的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置。

Claims (7)

1.主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，包括探测器像面(3)、次镜座(4)、次镜遮光罩(5)、主镜座(6)、次镜芯轴(7)、桁架组件、主镜芯轴(11)、探测器支撑架(12)和镜筒(13)；
其特征在于，反射主镜(1)和反射三镜(14)为一体化结构；一体化的反射主镜(1)和反射三镜(14)的反射镜面为凹面，凹面朝向与光线传播方向相反；一体化的反射主镜(1)和反射三镜(14)通过主镜芯轴(11)安装在主镜座(6)内；
所述次镜座(4)通过桁架组件与主镜座(6)固定连接，所述反射次镜(2)通过次镜芯轴(7)固定在次镜座(4)上；所述反射次镜(2)的反射面为凸面，凸面朝向与光线传播方向相同；所述次镜遮光罩(5)嵌套在桁架组件上；
所述镜筒(13)与主镜座(6)连接，探测器支撑架(12)连接在主镜座(6)外侧，探测器像面(3)安装在探测器支撑架(12)上，一体化的反射主镜(1)和反射三镜(14)、反射次镜(2)和探测器像面(3)同轴。
2.根据权利要求1所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述桁架组件包括，次镜桁架支撑环(8)、桁架(9)和主镜桁架支撑环(10)；所述主镜桁架支撑环(10)安装在主镜座(6)上，次镜支撑环(8)通过桁架(9)与主镜桁架支撑环(10)连接，次镜座(4)与次镜支撑环(8)连接；所述次镜遮光罩(5)嵌套在次镜桁架支撑环(8)上。
3.根据权利要求2所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述反射次镜(2)、反射主镜(1)和反射三镜(14)的材料均为碳化硅，主镜座(6)的材料为钛合金，桁架(9)的材料为碳纤维，所述主镜桁架支撑环(10)和次镜桁架支撑环(8)的材料均为铟钢。
4.根据权利要求3所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述反射主镜(1)、反射次镜(2)和反射三镜(14)的反射面是偶次非球面，反射次镜(2)的反射面是椭圆曲面，反射主镜(1)和反射三镜(14)的反射面是双曲面。
5.根据权利要求4所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述成像装置的光学元件都具有旋转对称性，所述反射主镜(1)、反射三镜(14)、反射次镜(2)和探测器像面(3)的光学表面的曲率中心都位于光轴上。
6.根据权利要求5所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述反射主镜(1)、反射次镜(2)和反射三镜(14)之间的光焦度绝对值比依次为1：1.4：0.54。
7.根据权利要求6所述的主三镜一体化的同轴三反红外光学成像装置，其特征在于，所述成像装置的焦距为1500mm，视场角为1°，工作谱段为3～5μm，通光口径为800mm，筒长是448mm。
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