CN109739015A - 一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法。该设计方法主要包括确定回扫补偿望远系统视场的最小增加量，确定各通道口径最小的望远系统倍率，以及确定具体光学元件结构参数。该设计方法适用于小型化、多波段、无中间实焦点的折反式望远系统设计。此方法能够优化望远系统视场和倍率，使得后端各通道设计难度降低，具有广泛的适用性。

Description

一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法

技术领域

本发明涉及一种光学系统设计方法，具体为一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法。

背景技术

高速运动或旋转的光电探测系统，如机载光电侦查系统、车载周视光电搜索系统，在面阵探测器曝光时间内，由于相对运动会使所关注场景的像在探测器靶面上产生移动，从而导致图像模糊。目前通常采用面阵TDI器件的电荷补偿或扫描补偿光学方式解决这一问题，称之为像移补偿。而将利用反射镜反向运动补偿物方扫描镜或光电平台高速旋转引起的面阵探测器曝光时间不足的技术，称为回扫补偿或反扫补偿技术。

回扫补偿技术对光学系统提出新的要求，如在像方回扫补偿的系统需要增大前端望远系统的视场，才能保证在补偿过程中不出现渐晕或拦光。另一方面，现阶段光电探测系统多采用共光路设计，要求多波段工作，还要满足激光发射对光路无实焦点的要求。传统的透射式望远系统能够满足视场增大的要求，但是大尺寸的多波段材料受限，各波段的像质和透过率也很难满足要求。反射式系统满足多波段工作要求，但是视场难以满足回扫补偿技术的要求。此外，受限于快速反射镜的尺寸，以及整个共光路光学系统的小型化要求，望远系统必须选取合适的放大倍率。而折反式望远系统兼顾多波段、视场增大的需求，优化其光学结构形式能够满足多波段共光路、适用于激光发射、小型化的工程要求。然而，用于回扫补偿的折反式共光路望远系统，缺乏优化设计方法。

中国专利“消除图像模糊的回扫光学系统及方法”CN 102354053，公开了一种采用透射式开普勒望远光学系统的回扫补偿系统。该系统不能满足激光发射对光路形式的要求，宽波段透射式材料尺寸也有限制。此外，美国专利“Afocal telescope for back-scanned imagery”US 20140240820，和中国专利“一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统”CN 105511075，均公开了一种包括像移补偿镜和离轴三反无焦望远镜的光学系统，虽然该系统采用的离轴三反望远镜技术较为先进，但是其元件加工、检测复杂，系统装调技术难度大。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法，用于确定折反式望远系统的视场增加量、放大倍率及光学结构参数。该设计方法主要包括确定回扫补偿望远系统视场的最小增加量，确定各通道口径最小的望远系统倍率，以及确定具体光学元件结构参数。该设计方法适用于小型化、多波段、无中间实焦点的折反式望远系统设计。此方法能够优化望远系统视场和倍率，使得后端各通道设计难度降低，具有广泛的适用性。

本发明中的折反式望远系统用于多波段共光路系统实现回扫补偿，无中间实像面，主要包括折反式望远系统，快速反射镜；其中，折反式望远系统物镜为卡塞格林反射式结构，目镜为多波段透射式结构；快速反射镜，位于目镜组后一段距离，用于回扫补偿与图像稳定。

本发明的技术方案为：

所述一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据平台转速确定满足回扫补偿无渐晕或挡光的望远系统最小视场增加量Δω_FOV＝2ωt，ω为平台转速，t为光学系统面阵探测器曝光时间；得到望远系统的总视场为ω_FOV＝ω_max+Δω_FOV，ω_max为各通道视场要求最大值；

步骤2：根据望远系统入瞳直径以及光学系统多波段通道结构尺寸限制，确定使得望远系统中快速反射镜后各通道尺寸最小的望远系统倍率其中D为望远系统入瞳直径，L为望远系统出瞳距最远通道第一面镜的距离，ω_L为该通道的视场角；

步骤3：根据望远系统倍率M＝f_o′/f_e′，结合各通道最大F数确定卡塞格林物镜焦距为f_o′＝FD和多波段目镜组焦距为f_e′＝f_o′/M；

步骤4：使得目镜组位于主镜中心孔处，使焦点伸出量d_out＝f_e′；根据望远系统入瞳直径D、卡塞格林物镜焦距f_o′及焦点伸出量d_out参考两反系统参数求解方法确定主反射镜和次反射镜参数；

步骤5：根据光学系统工作波段确定多波段目镜组材料，确定目镜组结构形式；而后结合卡塞格林物镜对多波段目镜组进行匹配优化。

有益效果

通过本方法能够实现回扫补偿的望远系统视场增加量最小，望远系统倍率使得后接多波段通道口径最小，多波段目镜组位于卡塞格林主镜的中心孔处。此方法能够优化望远系统视场和倍率，使得后端各通道设计难度降低，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的折反式望远光学系统结构示意图。

图2为本发明提供的望远系统后端多波段各通道示意图。

图3为本发明提供的折反式望远系统的设计方法流程图。

图4为本发明望远系统倍率选取计算示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参阅图1，利用本发明提供的设计方法所设计的用于回扫补偿的折反射多波段望远系统，包括主反射镜1、次反射镜2、目镜一3、目镜二4、目镜三5、快速反射镜6。其中1、2构成卡塞格林物镜，3、4、5组成多波段目镜组。无穷远平行光依次通过卡塞格林物镜和目镜组后，由快速反射镜6反射后，偏折90°出射。

参阅图2，经快速反射镜6反射后，平行光通过分光镜分为各个通道，7可见光通道、8激光通道、9红外通道。

参阅图3，本发明提供的望远系统设计方法包括如下步骤：

步骤1：根据平台旋转或摆扫角速度ω＝18°/s，为保证各个通道都能满足回扫补偿，采用探测器曝光时间最长值计算望远系统视场增加量。典型中波红外探测器的积分时间为10ms，则实现回扫补偿望远系统视场应该增加的最小量为Δω_FOV＝2ωt＝0.36°。根据各个通道视场的要求，可见光通道要求的视场最大，为0.74°，最后望远系统的视场为可见光通道视场与回扫补偿增加的视场之和ω_FOV＝1.1°。

步骤2：结合系统作用距离，结构尺寸限制等确定望远系统入瞳直径为D＝220mm。根据望远系统基本性质，确定使后端各通道口径最小的系统倍率。

参阅图4，望远系统出瞳直径为D/M，距离其最远的通道的视场角为ω_L，此通道对应的最大视场角出射光线与光轴夹角为ω_LM/2，则该通道口径D′

D′＝D/M+2Ltan(ω_LM/2) (1)

将角度转化为弧度制ω_Lπ/180，ω_L较小时，正切函数约等于弧度值，(1)式可简化为D′＝D/M+Lω_LMπ/180 (2)

对(2)式关于M求导，得D′取最小值时望远系统倍率满足

该系统红外通道距望远系统出瞳的距离最长，为L＝280mm，ω_L＝0.7°，根据公式(3)计算望远系统倍率M＝8。

步骤3：根据望远镜倍率M＝8，可见光通道F＝4.54最大，则卡塞格林物镜焦距f_o′＝FD＝998.8mm和多波段目镜组焦距f_e′＝f_o′/M＝124.85mm。

步骤4：根据系统入瞳直径、卡塞格林物镜焦距f_o′及焦点伸出量d_out＝f_e′＝124.85mm利用两反系统初始结构求解方法，计算主、次镜参数。设计完成的卡式系统结构参数如表所示。.

步骤5：根据系统工作波段确定多波段目镜组材料，硫化锌、氟化钙、硒化锌，这三种材料能够满足可见光、红外和激光发射接收波段的要求。利用软件优化目镜组结构形式，具体参数见下表。

本发明实施的设计方法适用于小型化、多波段、无中间实焦点的折反式望远系统，所设计的望远系统能够满足回扫补偿对视场增大的要求，适用于可见光、红外、激光等多波段共光路系统。该方法能够优化望远系统视场和倍率，使得后端各通道设计难度降低，具有广泛的适用性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种小型化回扫补偿光学系统的折反式望远系统设计方法，所述望远系统包括主反射镜、次反射镜、多波段目镜组和快速反射镜，主反射镜与次反射镜构成卡塞格林物镜，平行光依次通过卡塞格林物镜和目镜组后，由快速反射镜反射偏折后出射；其特征在于：该望远系统设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据平台转速确定满足回扫补偿无渐晕或挡光的望远系统最小视场增加量Δω_FOV＝2ωt，ω为平台转速，t为光学系统面阵探测器曝光时间；得到望远系统的总视场为ω_FOV＝ω_max+Δω_FOV，ω_max为光学系统中各通道视场要求最大值；

步骤2：根据望远系统入瞳直径以及光学系统多波段通道结构尺寸限制，确定使得望远系统中快速反射镜后各通道尺寸最小的望远系统倍率其中D为望远系统入瞳直径，L为望远系统出瞳距最远通道第一面镜的距离，ω_L为该通道的视场角；

步骤3：根据望远系统倍率M＝f′_o/f′_e，结合各通道最大F数确定卡塞格林物镜焦距为f′_o＝FD和多波段目镜组焦距为f′_e＝f′_o/M；

步骤4：将望远系统中的目镜组位于主镜中心孔处，使焦点伸出量d_out＝f′_e；根据望远系统入瞳直径D、卡塞格林物镜焦距f′_o及焦点伸出量d_out，并利用两反系统参数求解方法确定主反射镜和次反射镜参数；

步骤5：根据光学系统工作波段确定多波段目镜组材料，确定目镜组结构形式；而后结合卡塞格林物镜对多波段目镜组进行匹配优化。