离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统的制作方法

本专利涉及星载大相对孔径大口径高分辨率全波段成像仪，具体是指一种采用离轴三反望远镜、分色片和中继透镜组结合的多通道可见红外成像仪形式。

背景技术：

大视场高分辨率的红外相机是对地遥感和空间天文系统的关键载荷。大视场红外相机能覆盖宽阔的监视区域,对于提高时间分辨率,缩短重访周期,实现高密度观测具有重要的意义。提高相机的空间分辨率,能够提供目标更为准确的位置、姿态和几何形状信息。

美国、日本和欧洲已经成功发射了多颗带有红外相机的天文卫星,例如第一颗红外天文卫星iras、日本发射的天文卫星akari、美国研制的红外天文卫星spitzer、欧洲研制的红外天文卫星herschel等。

1983年1月25日欧洲航天局esa发射了世界上第一颗红外天文卫星iras(infraredastrologysatellite),望远镜是通光口径0.57m,焦距5.5m的rc系统，采用12μm、25μm、60μm和100μm共4个波段,以25″-100″的空间分辨率,对96％的天球进行了普查,探测到35万个红外辐射源。

2006年2月21日,日本成功发射了红外天文卫星akari(infraredimagingsurveyor)。卫星装有3台红外探测仪器,使用512×512元insb(1.7-5.5μm),256×256元si：as(5.8-14.1μm)和256×256元si：as(12.4-26.5μm),工作温度约为2k。卫星的主光学系统是口径0.67m,焦距4.2m的rc系统,能够对天体目标进行高空间分辨率和高灵敏度的成像观测。

2008年8月25日发射的spitzerspacetelescope是美国宇航局四大天文台计划的最后一个空间天文卫星。spitzer的主光学系统是口径0.85m,焦距10.2m的rc系统,装有红外相机、红外光谱仪和红外成像光度计3台高红外探测仪器。红外相机在3.6-8.0μm波段内用4个独立波段,以1.2″的分辨率对目标拍摄成像。

2009年5月14日欧洲宇航局发射了herschelspaceobservatory,主要用于中远红外和亚毫米波的探测,这也是目前太空中口径最大的一颗红外天文卫星。herschel的主光学系统采用了口径3.5m，焦距28.5m的rc系统,光学系统的有效集光面积9.6m²,探测波段覆盖60-670μm。

随着各项相关技术的进步,红外相机的主要技术指标都有了明显的提升，同时未来对红外相机的需求也随之提高，主要表现在：

1、超大视场凝视成像

在目标发现与探测、预警和警戒应用中，视场角是极为关键的参数。上述光学系统都选择了同轴两反射的rc系统，可用视场较小(小于1°)。

2、高分辨率

红外光学系统的极限分辨率和信噪比受到光学系统相对口径的限制,相对口径越大，则光学系统的聚光能力越强，相同奈奎斯特频率处传函值越高，分辨率和信噪比越高。红外光学观测的高分辨率需求,就是对大口径大相对孔径红外光学系统的需求。上述光学系统的相对孔径范围分布在8.14到12之间，相对孔径较小。

利用离轴三反中间像面位置进行分光以及采用两个离轴三镜和中继透镜组结合的可见红外光学方案，既能实现大口径大相对口径高分辨率成像，又能实现大视场凝视成像，避免了运动扫描部件，结构简单紧凑；成像波段宽，涵盖了可见到红外以及激光测距接收功能共计五个通道；中波和长波红外通道设计的实出瞳与杜瓦冷光阑重合，有效抑制了背景辐射对红外成像的影响。因此本专利解决了可见红外成像相机大视场和大相对孔径情况下多通道难以布局的问题，实现了大视场大相对孔径高分辨率成像，提高了探测效率。

技术实现要素：

离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统为研究高分辨率多通道全波段成像相机提供一种新型的光学系统形式。本专利的技术构思是采用离轴三反作为望远镜结构形式，基于分色片进行波段分离，分别采用两个三镜和各自中继透镜组可以实现大视场2.5度*2.5度、大相对孔径1.1对地物目标全波段成像，包括激光接收模块、可见光成像模块、短波成像模块、中波成像模块与长波成像模块共五个通道。光学系统包括离轴主镜1、离轴次镜2、第一分色片3、第一离轴三镜4、可见光折转镜5、第二分色片6、可见光焦面7、激光接收透镜组8、激光接收焦面9、第二离轴三镜10、第三分色片11、中长波校正透镜12、第四分色片13、中波校正透镜组14、中波焦面15、长波校正透镜组16、长波焦面17、第一短波折转镜18、短波校正透镜19、第二短波折转镜20、短波校正透镜组21、短波焦面(22)。本专利的技术解决方案如下：

来自目标的处于子午面内中心视场3.75度±1.25度、弧矢面±1.25度范围内的可见、短波、中波和长波成像光束先经过离轴三反望远镜中的离轴主镜1、离轴次镜2反射后，在第一分色片3处进行可见光、激光波段与短波、中长波波段的分离成像，第一分色片3反射可见光和1064nm激光波段，透射短波、中波和长波波段。第一分色片3反射可见光光束，通过第一离轴三镜4和可见光折转镜5反射，在第二分色片6上进行可见光和激光波段的分离，第二分色片6反射可见光透射激光波段。可见光经第二分色片6反射汇聚到可见光焦面7上成像。短波和中长波波段景物光线经过第一分色片3透射和第二离轴三镜10反射汇聚，再经第三分色片11进行短波和中长波波段分离，第三分色片11反射中波和长波波段，透射短波波段。中长波波段经过第三分色片11反射和中长波校正透镜12透射后，在第四分色片13进行中波和长波波段分离，第四分色片13透射中波波段反射长波波段。中波波段经过第四分色片13透射和中波校正透镜组14透射汇聚成像到中波焦面15上；长波波段经过第四分色片13反射和长波校正透镜组16透射汇聚成像到长波焦面17上。短波景物光线经第三分色片11透射和第一短波折转镜18反射后，经过短波校正透镜19透射和第二短波折转镜20反射，经短波校正透镜组21汇聚成像到短波焦面22上。中波成像模块和长波成像模块在孔径光阑500mm条件下相对孔径高达1/1.1，可实现视场达到2.5度的景物成像，焦面前35mm处设计有实出瞳，可以有效抑制杂散辐射影响。短波成像模块和可见光成像模块可实现孔径光阑500mm、相对孔径分别为1/1.5和1/3以及视场2.5度的景物成像。

来自目标的子午面内中心视场3.75度±0.05度、弧矢面±0.05度范围内1064nm波长激光回波光束经过离轴三反望远镜中的离轴主镜1、离轴次镜2反射后，第一分色片3反射激光光束，通过第一离轴三镜4和可见光折转镜5反射，1064nm激光光束经过第二分色片6透射到离轴三反焦面位置，再经激光接收透镜组8准直汇聚到激光接收焦面9实现孔径光阑500mm、相对孔径1/4的激光测距功能。

本专利所述的离轴主镜1为金属或玻璃凹面反射镜，具有六阶双曲面面形。离轴次镜2为金属或玻璃凸面反射镜，具有六阶双曲面面形。第一分色片3为硒化锌材料，反射波段0.4-1.1微米，透射1.15-15微米。第一离轴三镜4和第二离轴三镜10采用相同的八阶双曲面面形，为金属或玻璃凹面反射镜。可见光折转镜5、第一短波折转镜18和第二短波折转镜20为金属或玻璃平面反射镜。第二分色片6为石英材料，反射可见波段0.4-0.9微米，透射激光波段1-1.1微米。激光接收透镜组8由四个石英透镜和一个超窄带石英滤光片组成，依次为双凸透镜、平面超窄带滤光片、凹凸透镜、凹凸透镜、双凸透镜。第三分色片11为硒化锌材料，反射中长波段2-15微米，透射短波波段1.15-1.8微米。中长波校正透镜12为锗材料的凸凹透镜，面形为球面，表面镀增透膜。第四分色片13为锗材料，透射中波波段2-5微米，反射长波波段8-15微米。中波校正透镜组14由六片透镜组成，依次为凹凸透镜、凹凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、凹凸透镜、凸凹透镜，材料分别为锗、锗、硒化锌、硒化锌、锗、硒化锌，面形均为球面，表面镀增透膜。长波校正透镜组16由六片透镜组成，依次为凹凸透镜、凹凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、凹凸透镜、凸凹透镜，材料分别为锗、锗、硒化锌、硒化锌、锗、硒化锌，面形均为球面，表面镀增透膜。短波校正透镜19为锗材料的凹凸透镜，面形为球面，表面镀增透膜。短波校正透镜组21由六片透镜组成，依次为凹凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、凹凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜，材料分别为硒化锌、锗、硒化锌、锗、锗、硒化锌，面形均为球面，表面镀增透膜。

本专利将离轴三反有中间像面系统与分色片和中继透镜组相结合，在大视场和大相对孔径情况下，明显地提升了波段探测的功能，实现了全波段多通道成像，系统的特点如下：

1.离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统工作时，结构简单仅有四个非球面和多个透射球面，系统成像优良且无任何中心遮拦。在视场2.5°×2.5°、相对孔径1.1情况下，可以实现中波和长波红外空间分辨率55μrad，通道传函在奈奎斯特频率17lp/mm处优于0.5；可见波段在成像视场2.5°×2.5°、相对孔径3时空间分辨率达到20μrad，通道传函在奈奎斯特频率17lp/mm处优于0.75；短波波段成像视场大于2.5°×2.5°、相对孔径1.5时空间分辨率达到40μrad，通道传函在奈奎斯特频率17lp/mm处优于0.6；激光接收通道工作在相对孔径4，90％的成像能量集中在弥散斑0.1mm圆内。

2.离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统采用离轴三反中间像面位置，使用分色片和两块三镜分离波段，有效地实现了可见、短波、中波和长波五个通道的分离布局，解决了大视场大相对孔径情况下难以设计多通道的问题。

3.离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统的中波通道和长波通道焦面前设计有实出瞳，与探测器冷光阑结合可以有效抑制杂散背景辐射的影响。

4.离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统形式应用广泛，能应用于侦查、全球测绘、地球科学、大气探测、月球、火星或小行星探测等各种高分辨率可见红外成像领域或激光三维成像领域。

附图说明

图1和图2为离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统光路图，包括离轴主镜(1)、离轴次镜(2)、第一分色片(3)、第一离轴三镜(4)、可见光折转镜(5)、第二分色片(6)、可见光焦面(7)、激光接收透镜组(8)、激光接收焦面(9)、第二离轴三镜(10)、第三分色片(11)、中长波校正透镜(12)、第四分色片(13)、中波校正透镜组(14)、中波焦面(15)、长波校正透镜组(16)、长波焦面(17)、第一短波折转镜(18)、短波校正透镜(19)、第二短波折转镜(20)、短波校正透镜组(21)、短波焦面(22)。。

具体实施方式

本专利设计了一种离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统，像质优良，系统主要技术指标如下：

1.口径：孔径光阑500mm；

2.视场：2.5°×2.5°；

3.成像波段：可见光通道0.4-0.9μm，短波波段1.2-1.8μm，中波波段2-5μm，长波波段8-15微米；激光接收通道波段1064nm；

4.相对孔径：可见谱段光学系统相对孔径1/3，焦距1500mm；短波谱段光学系统相对孔径1/1.5，焦距750mm；中波和长波谱段光学系统相对孔径1/1.1，焦距550mm；激光接收通道相对孔径1/4；

5.探测器参数：可见光探测器像元大小30μm、像元数2k×2k；短波探测器像元大小30μm、像元数1k×1k；中波和长波探测器像元大小30μm、像元数1k×1k；激光接收通道探测器像元0.8mm；

6.空间分辨率：可见谱段优于20μrad，短波谱段优于40μrad，中波和长波谱段优于55μrad；

7.成像性能：全视场传函在奈奎斯特频率17lp/mm处可见谱段优于0.75、短波谱段优于0.6、中波和长波谱段优于0.5，激光接收通道90％的成像能量集中在弥散斑0.1mm圆内；

8.实出瞳位置：中波和长波通道实出瞳在距离焦面前35mm处。

光学系统具体设计参数如表1所示：

表1光学系统具体设计参数