一种超低等效黑体温度长波红外光学系统的制作方法

本发明属于红外光学
技术领域：
，具体涉及一种超低等效温度长波外光学系统。
背景技术：
：天基红外光学探测系统作为天基探测系统的重要组成部分，相比于可见光探测系统主要具有两方面的优点，一是红外目标通过其自身热辐射的辐射特性，探测获取目标几何或材料信息，具有被动隐蔽性，而可见光目标是利用自身表面对自然光的反射，获取目标反射光信息，容易被监视的目标发现，隐蔽性差；二是当可见光监视的目标处于太阳照射的背影区，可见光探测无法继续监视；而红外探测则可以继续跟踪监视以免目标丢失，可实现全天候监视。随着探测器的研制技术的发展，如积分时间提高和自身暗电流的减小等，限制红外探测系统高灵敏度的因素就主要是背景热辐射和光机系统自身热辐射，尤其长波波段范围内，光机系统自身热辐射(光学元件、镜筒、支撑筋等)向外的辐射量到达探测面上杂散辐射往往比弱信号目标的辐射量大几个量级，是不容忽视的。然而随着空间探测技术的发展，红外成像系统在空天攻防、天文观测和对地遥感等领域获得了广泛的应用。大气层外空间环境与大气层内环境存在着巨大差异，主要体现在空间环境的背景温度极低，背景辐射能量极弱。因此，在深空探测背景下，空间背景辐射极小，光学系统自身热辐射就成为了探测器主要的背景辐射。光学系统的自身热辐射会导致探测目标的信噪比降低、图像的对比度变差，使得整个图像的层次减少，图像动态范围缩短，整体灰度分布不均，严重的情况下，被探测目标信号被淹没，无法识别目标信号，或者探测到假信号，可能丢失探测的目标，降低探测效率，甚至导致整个探测系统失效。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超低等效温度长波外光学系统，解决了天基红外光学探测系统信噪比低、图像对比度差、系统探测距离短的技术问题。本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种超低等效温度长波外光学系统，该光学系统包括：该光学系统包括：位于同光轴的主镜、次镜、三镜、四镜、窗口、滤光片、探测器和视场光阑；所述主镜、次镜、三镜和四镜组成四反结构；入射光通过同轴四反结构和位于次镜像面处的视场光阑后，经由三镜后的窗口和滤光片透射至探测器靶面；所述主镜、次镜、三镜、四镜和视场光阑的材料皆为铝；窗口、滤光片材料为锗，探测器为长波制冷红外探测器；所述主镜为双曲面，口径为200mm，中心开孔为50mm，各反射面同光轴，通过支撑筋与次镜相连且固定它们之间的相对位置；所述次镜为阶数6次的非球面，口径54mm，各反射面同光轴；所述三镜为阶数6次的非球面，口径105.6mm，中心开孔为32mm，各反射面同光轴，与四镜和主镜相连；所述四镜为阶数6次的非球面，口径140mm，中心开孔为40mm，各反射面同光轴，所述主镜和四镜为一块铝板所对应的两个面；系统具体参数如下：半径间距面属性物面∞∞主镜-217.32-82.41反射次镜-78.98219.60反射三镜-395.45-120.25反射四镜250.58125.35反射窗口前表面∞2.5透射窗口后表面∞21.4透射滤光片前表面∞0.3透射波光片后表面∞10透射像面∞根据球面和非球面的数学描述，所述主镜、次镜、三镜和四镜的反射面非球面系数分别为：主镜的反射面：k＝-1.11624148900013，a＝0，b＝0；次镜的反射面：k＝-4.05912651030647，a＝2.42188788391652e-007，b＝-1.64511841325741e-010；三镜的反射面：k＝0，a＝4.84587256933752e-008，b＝2.44808849642678e-012；四镜的反射面：k＝0，a＝2.13110926003392e-008，b＝-1.84900320050003e-013。优选的，系统入瞳直径200mm，视场角1.07度，像方全高为10.8毫米，波长为7.0um～10.1um，畸变小于1％，点列图均方根直径小于10um。优选的，还包括支撑筋；所述主镜和次镜通过支撑筋连接，所述支撑筋的镜面反射率大于80％。优选的所述次镜中心开孔，孔大小为孔深度为20mm；孔内表面为r220的凸面，且孔内表面为铝本色氧化。优选的，所述视场光阑前表面喷吸收率为99％的消光漆，后表面镀反射率大于95％的金膜。优选的，还包括探测器滤光罩；所述探测器滤光罩设置在窗口和滤光片之间，所述探测器遮光罩内表面喷吸收率为99％的消光漆。本发明的有益效果是：1、本系统成像质量优良，在系统参数为入瞳直径200mm、视场角1.07度、像方全高为10.8mm、波长为7.0um～10.1um且采用四反结构情况下，畸变小于1％，点列图均方根直径小于10um。2、通过对三根支撑抛亮、次镜开孔且孔内表面为特殊曲率半径、加入视场光阑以及视场光阑前后表面不同的处理工艺、放置探测器遮光罩等措施，大大降低了光学系统自身热辐射水平，系统等效黑体温度低至180k，对提高系统信噪比、增大探测距离都起着至关重要的作用。附图说明图1本发明一种超低等效温度长波外光学系统结构示意图。图2本发明具体实施方式中长波红外光学系统均方根点列图。图3本发明具体实施方式中长波红外光学系统畸变图。图4本发明具体实施方式中系统等效辐射温度与辐射通量对应关系图。图中：1、主镜，2、次镜，3、三镜，4、四镜，5、窗口，6、滤光片，7、探测器靶面，8、主镜遮光罩，9、支撑筋，10、视场光阑，11、探测器遮光罩。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种超低等效黑体温度长波红外光学系统，主要包括主镜1、次镜2、三镜3、四镜4、窗口5、滤光片6、探测器靶面7、主镜遮光罩8、支撑筋9、视场光阑10和探测器遮光罩11，所述主镜1、次镜2、三镜3、四镜4、窗口5、滤光片6、探测器靶面7、主镜遮光罩8、支撑筋9、视场光阑10和探测器遮光罩11同光轴设置，其中主镜1、次镜2、三镜3、四镜4、主镜遮光罩8、支撑筋9、视场光阑10和探测器遮光罩11材料皆为铝，窗口5、滤光片6材料为锗，探测器靶面7为长波红外制冷探测器。所述主镜1、次镜2、三镜3和四镜4组成四反结构，入射光依次通过主镜1、次镜2、三镜3和四镜4反射和位于次镜2像面处的视场光阑10后，经由三镜3后的窗口5和滤光片6透射至探测器靶面7上。其中：所述主镜1为双曲面，口径为200mm，中心开孔为50mm，材料为铝，各反射面同光轴，通过三根支撑筋9与次镜2相连且固定它们之间的相对位置。所述三根支撑筋9采用抛光工艺，保证三根支撑筋9的镜面反射率＞80％,以减小三根支撑筋9因高吸收而增大系统等效黑体温度。所述次镜2为阶数6次的非球面，口径54mm，材料为铝，各反射面同光轴。如图1所示，本实施例中，所述次镜2中心开孔，孔大小为孔深度为20mm，孔内表面为r220的凸面，且孔内表面为铝本色氧化，通过次镜2中心开孔以及孔内表面为r220凸面，可以减小视场光阑10前表面和主镜遮光罩8对系统等效黑体温度的贡献，次镜2开孔的大小由具体光学设计参数决定，内表面曲率半径大小通过杂散光仿真分析与优化得到。所述三镜3为阶数6次的非球面，口径105.6mm，中心开孔为32mm，材料为铝，各反射面同光轴，通过系统外壳与四镜4和主镜1相连且固定它们的相对位置。所述四镜4为阶数6次的非球面，口径140mm，中心开孔为40mm，材料为铝，各反射面同光轴，所述四镜4和主镜1共用一块铝板，即主镜1和四镜4为一块铝板所对应的两个面。所述主镜遮光罩8口径220mm，距离主镜1顶点距离108mm，材料为铝，内表面喷吸收率>99％消光漆，以降低视场外杂光对系统性能的影响，外表面喷散射率为80％的白漆，以减小温度梯度对系统性能的影响。如图1所示，视场光阑10放置在主镜1与次镜2中间，所述次镜2像面位置处，视场光阑10前表面(朝向次镜2)喷吸收率为99％的消光漆，后表面(朝向三镜3)镀反射率>95％的金膜。视场光阑10为圆形，半径大小27.5mm，中心开正方形孔，孔面积大小9.7mm。在窗口与滤光片之间放置探测器遮光罩11，探测器遮光罩11包括三个挡挡光环，整个探测器遮光罩11内表面喷吸收率为99％的消光漆。本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件codev构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步优化为现有结果。本实施例可通过以下技术方案实现：系统入瞳直径200mm，视场角1.07度，像方全高为10.8mm，波长为7.0um～10.1um，采用四反结构，材料为铝，畸变小于1％，点列图均方根直径小于10um，长波红外光学系统具体参数如下：半径间距面属性物面∞∞主镜1-217.32-82.41反射次镜2-78.98219.60反射三镜3-395.45-120.25反射四镜4250.58125.35反射窗口5前表面∞2.5透射窗口5后表面∞21.4透射滤光片6前表面∞0.3透射波光片6后表面∞10透射像面∞根据球面和非球面的数学描述，所述主镜1、次镜2、三镜3和四镜4的反射面非球面系数分别为：主镜1的反射面：k＝-1.11624148900013，a＝0，b＝0；次镜2的反射面：k＝-4.05912651030647，a＝2.42188788391652e-007，b＝-1.64511841325741e-010；三镜3的反射面：k＝0，a＝4.84587256933752e-008，b＝2.44808849642678e-012；四镜4的反射面：k＝0，a＝2.13110926003392e-008，b＝-1.84900320050003e-013。对本实施例制作的超低等效黑体温度长波红外光学系统采用以下四种评价手段进行评价：1、点列图均方根直径评价点列图是利用光路计算程序，将光瞳面划分成许多小面元，计算通过这些面元的光线与像面的交点，交点形成点列图。理想光学系统的点列图为一个点，实际光学系统的点列图是无数个点，由这些点的分布确定光学系统的成像质量，这种方法的优点是可以了解光线的空间走向，粗略估计光斑形状，这种方法是评估红外系统目标探测常用的方法，对于设计的超低等效黑体温度长波红外光学系统，各视场的点列图如图2所示，点列图均方根直径值小于10微米，成像质量能保证长波红外系统能量集中度要求，从而保证远距目标的探测。2、畸变评价畸变是指光主光线的实际角放大率不等于+1时，即像方主光线不和物方主光线平行时，像方主光线和理想像面的交点不和理想像点重合，这种现象称为畸变。在只存在畸变的情况下，这些点落在与光轴垂直的平面上，但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时，图像很清晰，但是有错位。对于设计的超低等效黑体温度长波红外光学系统，畸变值如图3所示，随视场变化，最大畸变值为0.7％。3、等效黑体温度评价光学系统等效黑体辐射温度定义：在不考虑系统热辐射条件下，理想黑体通过该光学系统在像面上产生的辐照度与红外光学系统自身热辐射在像面上产生的辐照度相等时对应的黑体辐射温度。假定光学系统入瞳处放置一温度为t的黑体，该黑体通过光学系统后在像面上产生的辐射通量为fbb(t)，如果忽略像差等影响，fbb(t)可由下式计算：其中，τ为光学系统透过率，l为黑体辐亮度，f为光学系统f数，ad探测器面积。根据以上公式可得系统的等效辐射温度与辐射通量的对应关系如图4所示。基于热辐射三维仿真模型，计算各部件在系统像面的热辐射杂光量级。不同部件在像面上的热辐射通量如表1所示。表1各部件在像面上的热辐射通量统计表(w)根据图4可知，系统等效温度为180k。当前第1页12