CN112230409A - 一种高效率可见红外共口径离轴光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高效率可见红外共口径离轴光学系统。该光学系统可见光通道离轴三反光学系统的光阑设置在主镜上，该光学系统红外通道制冷型离轴光学系统光阑设置在冷光阑上，冷光阑也是系统的出瞳。该光学系统为可见红外共用离轴两反主光学系统，物方无穷远光线入射到主镜上，经主镜到次镜，再经次镜反射后到达分色片，分色片反射后到可见三镜，经可见三镜反射后，到达可见折转反射镜，经可见折转反射镜后到达可见光探测器；物方无穷远光线入射到主镜上，经主镜到次镜，再经次镜反射后到达分色片，分色片透射后到红外三镜，经红外三镜反射后，到达红外四镜，经红外折转反射镜反射后，到达中继光学系统，经中继光学系统折射后，到达红外窗口，经红外窗口透射后，到达光阑，经过光阑后到达红外探测器。

Description

一种高效率可见红外共口径离轴光学系统
技术领域
本发明涉及空间光学遥感器技术领域，特别涉及一种可见红外共口径的光学系统效率较高的光学系统。
背景技术
卫星遥感相机可见近红外谱段，可广泛应用于生态环境监测、国土资源勘测、海洋监管、地质灾害监测等领域。卫星遥感相机红外谱段，不仅可以获取目标的外形轮廓信息，还可获取目标的温度信息，从而对目标状态进行识别，致冷型红外光学系统相较于非制冷红外光学系统而言，因具备更高的灵敏度和信噪比而更具空间使用优势。随着空间相机高分辨率、多谱段、多维度数据融合的需求，长焦距、大视场、多谱段的空间相机一直是该领域的研究热点。可见红外遥感相机一体化在提高空间分辨率的同时，还能兼顾目标的温度分辨率，实现多谱段、多维度数据融合需求。而光学系统效率与相机信噪比息息相关，高效率光学系统有利于放宽系统指标，降低系统整体实现难度，减少工程化时间和经济成本。
大口径透射式光学系统由于透镜重量、材料、加工等因素的限制使用较少。大口径反射式光学系统分共轴反射式和离轴反射式。共轴反射式系统，存在中心遮拦，损失信噪比，如采用偏场成像将给红外光学系统设计带来难度。离轴反射式系统可规避共轴反射式存在的中心遮拦问题，而且可以实现可见红外共口径，在系统指标难度提高情况下有利于保证红外相机的光学系统效率。
专利CN 110221420 A中介绍了一种双视场共孔径离轴光学系统，可以很好的解决大小视场共口径应用问题，但每个通道需要6-7片红外透镜，大大降低了红外光学系统效率。
文章Proc.of SPIE Vol.6940 69400U和Proc.of SPIE-OSA/Vol.765276522E中介绍的两种双波段光学系统，均包含八片红外透镜，不仅光学系统效率低，而且其系统体积庞大。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，在保证红外通道冷光阑效率100％的条件下，使相机实现大视场(3°×0.3°)，长焦距(可见光通道6000mm，红外通道2000mm)，还能够满足高空间分辨率和时间分辨率的需求，同时具备较高的光学系统效率。
本发明的技术方案是：一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，包括：可见光通道离轴三反光学系统和红外通道制冷型离轴光学系统；可见光通道与红外通道共用主镜和次镜，实现共口径；两通道采用布置于次镜后的分色片实现可见及红外分光。
所述可见光通道离轴三反光学系统包括主镜、次镜、分色片、可见三镜、可见折转反射镜及可见光探测器；物方无穷远光线入射到主镜上，经主镜反射到达次镜，再经次镜反射后到达分色片，分色片反射面反射后到达可见三镜，经可见三镜反射后，到达可见折转反射镜，经可见折转反射镜反射后，最终汇聚成像到可见光探测器上。
所述红外通道制冷型离轴光学系统包括主镜、次镜、分色片、红外三镜、红外四镜、红外折转反射镜、中继光学系统及红外探测器；物方无穷远光线入射到主镜上，经主镜反射到达次镜，再经次镜反射后到达分色片，分色片透射面折射后到达红外三镜，经红外三镜反射后，到达红外四镜，经红外四镜反射后，到达红外折转反射镜，经红外折转反射镜反射后，到达中继光学系统，经中继光学系统折射后最终汇聚成像到红外探测器上。
所述主镜的反射面为椭球面，次镜的反射面为四次凸双曲面，分色片为平行平板，并镀有半反半透膜兼顾反射和透射功能；可见三镜的反射面为四次椭球面，可见折转反射镜的反射面为平面。
所述红外三镜的反射面为八次椭球面，红外四镜的反射面为八次双曲面，红外折转反射镜为平面反射镜。
所述中继光学系统包含第一透镜，第二透镜和第三透镜；其中第一透镜包含第一透射面及第二透射面两部分，第一透射面为十次非球面，第二透射面为球面；所述第二透镜包含第三透射面及第四透射面，第三透射面为十次非球面，第四透射面为球面；所述第三透镜包含第五透射面和第六透射面，第五透射面为球面，第六透射面为八次非球面。
所述红外探测器为制冷型红外探测器，由红外窗口、冷光阑及红外焦平面阵列组成。
所述可见光通道离轴三反光学系统的光阑设置在主镜上，所述红外通道制冷型离轴光学系统光阑设置在冷光阑上，该冷光阑作为整个系统的出瞳。
所述可见光通道离轴三反光学系统的光学参数为：像方焦距6000mm，像方F数为10.5，光谱范围400nm～1040nm，全视场角2.4°×0.3°。
所述红外通道离轴光学系统的光学参数为：像方焦距2000mm，像方F数为3.8，光谱范围3000nm～5000nm，全视场角3°×0.3°。
本发明与现有技术相比有益效果为：
现有可见红外共口径同轴遥感相机光学系统，不可避免的存在中心遮拦问题，同等指标条件下将损失系统信噪比，如采用偏场成像将给红外通道光学系统设计带来难度。
现有可见红外共口径离轴遥感相机光学系统，当涉及大口径、长焦距、大视场系统，红外通道与可见光通道共用主、次、三镜后利用校正镜组实现红外通道的100％冷光阑效率要求，从而导致校正镜组透镜片数增加，光学系统效率降低，损失系统信噪比。同时基本无法克服大相对畸变问题，亦无法实现小体积。
本发明的积极效果具体如下：
1.本发明提供了一种新型可见红外共口径离轴光学系统，红外通道通过光阑与冷光阑重合保证100％冷光阑效率的同时，通过次镜后布置分色片分光，减少红外通道透镜片数，从而使红外通道光学系统效率提升约30％以上，工程化过程中，可大大降低系统指标难度，节省时间和经济成本；
2.本发明提供了一种新型可见红外共口径离轴光学系统，通过分色片将两通道提前解耦，实现两通道相对畸变均小于2％，突破了大视场制冷型离轴光学系统实现小畸变的技术难题；
3.本发明提供了一种新型可见红外共口径离轴光学系统，通过分色片将可见三镜上折，通过红外三镜及红外四镜折叠系统光路，实现可见光及红外通道布局紧凑，体积较小；
4.本发明所涉及的主镜采用二次曲面，次镜和三镜均采用四次曲面，与高次非球面相比，大大降低了加工和装调难度，节约成本，缩短研制周期。
附图说明
图1为一种高效率可见红外共口径离轴光学系统示意图。
图2为可见光通道离轴三反光学系统的传递函数(MTF)曲线。
图3为红外通道离轴三反光学系统的传递函数(MTF)曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明中的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统由主镜1、次镜2、分色片3、可见三镜4、可见折转反射镜5、可见光探测器6、红外三镜4a、红外四镜5a、红外折转反射镜6a、第一透镜7、第二透镜8、第三透镜9、红外窗口10、红外探测器11组成。包含可见光通道离轴三反光学系统和红外通道制冷型离轴光学系统两部分，可见光通道与红外通道共用主镜1、次镜2，两通道通过分色片3实现分光及可三镜上折。可见光通道离轴三反光学系统的孔径光阑设置在主镜上；红外通道制冷型离轴光学系统的孔径光阑设置在冷光阑上，冷光阑也是系统的出瞳。
主镜1为直径610mm的圆形反射镜，凹面半径2620mm。
次镜2为边长160mm×110mm的矩形反射镜，凸面半径795mm，与主镜1间距1030mm，倾斜角度42°。
分色片3为边长210mm×25mm的矩形半反半透平面镜，与次镜2间距950mm。
可见三镜4为边长230mm×80mm的矩形反射镜，凹面半径为1150mm，与分色片3间距为865mm。
可见折转反射镜5为边长110mm×70mm的平面反射镜，与可见三镜4间距为875mm，倾斜角度-42°。
可见光探测器6与可见折转反射镜5间距为550mm。
红外三镜4a为边长320mm×70mm的矩形反射镜，凹面半径为1045mm，距离中心轴的竖直距离150mm，与分色片3间距为230mm，倾斜角度15°。
红外四镜5a为边长250mm×75mm的矩形反射镜，凸面半径为20480mm，距离中心轴的竖直距离15mm，与红外三镜4’间距为240mm，倾斜角度6°。
红外折转反射镜6a为边长200mm×75mm的矩形平面反射镜，与红外四镜5a间距为150mm，倾斜角度3°。
第一透镜7为外直径170mm的圆形透镜，第一表面凸面半径290mm，第二表面凹面半径500mm。
第二透镜8为外直径110mm的圆形透镜，第一表面凸面半径150mm，第二表面凹面半径110mm，与第一透镜1’同轴，距离20mm。
第三透镜9为外直径96mm的圆形透镜，第一表面凹面半径1100mm，第二表面凸面半径260mm，与第一透镜2’同轴，距离60mm。
红外窗口10为直径34.2mm的圆形平面透镜，与第三透镜间距为40mm。
光阑11为环状金属盘，与红外窗口10沿轴向距离7mm。
红外探测器12与光阑11间距为130mm。
系统中的主镜1的反射面、次镜2的反射面、可见三镜3、红外三镜4a、红外四镜5a的反射面均为非球面，其他表面均为球面；可见折转反射镜5及红外折转反射镜6a的反射面均为平面。该光学系统为可见红外共用离轴两反主光学系统，物方无穷远光线入射到主镜1上，经主镜1到次镜2，再经次镜2反射后到达分色片3，分色片3反射后到可见三镜4，经可见三镜4反射后，到达可见折转反射镜5，经可见折转反射镜5后到达可见光探测器6；
物方无穷远光线入射到主镜1上，经主镜1到次镜2，再经次镜2反射后到达分色片3，分色片3透射后到红外三镜4a，经红外三镜4a反射后，到达红外四镜5a，经红外四镜6a反射后，到达第一透镜7，经第一透镜7折射后，到达第二透镜8，经第二透镜8折射后，到达第三透镜9，经第三透镜9折射后，到达红外窗口10，经红外窗口10透射后，到达光阑11，经过光阑11后到达红外探测器12。
可见光通道离轴三反光学系统的光学参数为：像方焦距6000mm，像方F数为10.5，光谱范围400nm～1040nm，全视场角2.4°×0.3°。如图2所示，从图中曲线可以看到，各视场的传递函数曲线均接近衍射极限曲线，说明各视场的像差校正良好，成像质量良好。
红外通道制冷型离轴光学系统的光学参数为：像方焦距2000mm，像方F数为3.8，光谱范围3000nm～5000nm，全视场角3°×0.3°。如图3所示，从图中曲线可以看到，各视场的像差校正良好，成像质量良好。

Claims (10)

1.一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于包括：可见光通道离轴三反光学系统和红外通道制冷型离轴光学系统；可见光通道与红外通道共用主镜和次镜，实现共口径；两通道采用布置于次镜后的分色片实现可见及红外分光。
2.根据权利要求1所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述可见光通道离轴三反光学系统包括主镜(1)、次镜(2)、分色片(3)、可见三镜(4)、可见折转反射镜(5)及可见光探测器(6)；物方无穷远光线入射到主镜(1)上，经主镜(1)反射到达次镜(2)，再经次镜(2)反射后到达分色片(3)，分色片(3)反射面反射后到达可见三镜(4)，经可见三镜(4)反射后，到达可见折转反射镜(5)，经可见折转反射镜(5)反射后，最终汇聚成像到可见光探测器上(6)。
3.根据权利要求2所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述红外通道制冷型离轴光学系统包括主镜(1)、次镜(2)、分色片(3)、红外三镜(4a)、红外四镜(5a)、红外折转反射镜(6a)、中继光学系统(A)及红外探测器(B)；物方无穷远光线入射到主镜(1)上，经主镜(1)反射到达次镜(2)，再经次镜(2)反射后到达分色片(3)，分色片(3)透射面折射后到达红外三镜(4a)，经红外三镜(4a)反射后，到达红外四镜(5a)，经红外四镜(5a)反射后，到达红外折转反射镜(6a)，经红外折转反射镜(6a)反射后，到达中继光学系统(A)，经中继光学系统(A)折射后最终汇聚成像到红外探测器(B)上。
4.根据权利要求2所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述主镜(1)的反射面为椭球面，次镜(2)的反射面为四次凸双曲面，分色片(3)为平行平板，并镀有半反半透膜兼顾反射和透射功能；可见三镜(4)的反射面为四次椭球面，可见折转反射镜(5)的反射面为平面。
5.根据权利要求3所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述红外三镜(4a)的反射面为八次椭球面，红外四镜(5a)的反射面为八次双曲面，红外折转反射镜(6a)为平面反射镜。
6.根据权利要求3所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述中继光学系统(A)包含第一透镜(7)，第二透镜(8)和第三透镜(9)；其中第一透镜(7)包含第一透射面及第二透射面两部分，第一透射面为十次非球面，第二透射面为球面；所述第二透镜(8)包含第三透射面及第四透射面，第三透射面为十次非球面，第四透射面为球面；所述第三透镜(9)包含第五透射面和第六透射面，第五透射面为球面，第六透射面为八次非球面。
7.根据权利要求3所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述红外探测器(A)为制冷型红外探测器，由红外窗口(10)、冷光阑(11)及红外焦平面阵列(12)组成。
8.根据权利要求1所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述可见光通道离轴三反光学系统的光阑设置在主镜(1)上，所述红外通道制冷型离轴光学系统光阑设置在冷光阑(11)上，该冷光阑(11)作为整个系统的出瞳。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述可见光通道离轴三反光学系统的光学参数为：像方焦距6000mm，像方F数为10.5，光谱范围400nm～1040nm，全视场角2.4°×0.3°。
10.根据权利要求1-8任一所述的一种高效率可见红外共口径离轴光学系统，其特征在于：所述红外通道离轴光学系统的光学参数为：像方焦距2000mm，像方F数为3.8，光谱范围3000nm～5000nm，全视场角3°×0.3°。
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