雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統的製作方法

2023-10-11 15:16:39

專利名稱：雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於航天光學遙感器技術領域，涉及一種在80K低溫下使用的大視場、大相對口徑、雙譜段紅外光學系統。
背景技術：
紅外技術特有的優勢使得紅外光學系統廣泛應用於空間遙感和國防領域，但由於紅外波段材料的折射率參數較無色光學玻璃更容易受到工作環境溫度變化的影響，這使得紅外光學系統成像質量的穩定性難以滿足這些領域的特殊性要求，而對於低溫光學系統而言，光學系統需要在常溫工況下完成加工、裝調和測試之後，在低溫工況下進行工作，巨大的溫度差將導致低溫光學系統無法正常工作。為了獲得高成像質量穩定性的低溫鏡頭，降低溫控裝置的要求，需採用一定的消熱差技術以消除溫度效應的影響。目前國內外採用的光學系統無熱化技術大致分為三類， 即光學被動補償、機械被動補償和機械主動補償。空間相機對可靠性、體積和重量有嚴格限制而不適用機械被動補償和機械主動補償消熱差技術。光學被動消熱差直接利用不同光學材料間的熱特性參數的互補性，通過光學材料的適當組合來消除溫度變化的影響。傳統的大視場、大相對口徑長焦距紅外光學系統需要採用三種以上的紅外材料， 透鏡數量多，透鏡口徑大，增加了光學系統結構的複雜程度。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，該系統具備雙譜段探測以及大視場、大相對口徑的特點。本發明的進一步解決的技術問題是系統能夠在低溫下使用。本發明的技術解決方案是雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於包括共用校正板、共用主鏡、共用焦面校正透鏡組和接收像面；共用校正板、共用主鏡和共用焦面校正透鏡組同軸並作為光學系統的主光軸，兩個不同視場的夾角為0° 4°的視場光線從左側以主光軸為中心對稱入射至由共軸的凸平正透鏡和彎向共用主鏡的彎月負透鏡組成的共用校正板，經過共用校正板透射、共用主鏡反射、由共軸的彎向共用主鏡的彎月負透鏡和雙凸正透鏡組成的共用焦面校正透鏡組透射到達雙譜段分立的接收像面後各自成像。所述的共用校正板的面形為球面透鏡、共用主鏡的面形為球面或非球面反射鏡、 共用焦面校正透鏡組的面形為球面或非球面透鏡。所述的共用主鏡的通光口徑由光學系統的視場大小決定，共用焦面校正透鏡組的通光口徑為矩形，矩形的外形尺寸由光學系統的視場大小決定的，只要能夠保證在接收像面上能夠清楚成像即可。所述的共用校正板的材料為紅外光學材料，共用主鏡的材料為鈹、或碳化矽、或微晶玻璃、或熔石英，共用焦面校正透鏡組為與共用校正板相異的紅外光學材料。
所述的接收像面為採用視場拼接或者機械拼接的面陣、線陣CCD或TDICCD探測器接收面。所述的光學系統能夠在293K常溫條件下完成加工、裝調和測試，在80K低溫情況下進行工作。本發明的積極效果(I)傳統施密特光學系統校正板與共用主鏡的距離為共用主鏡曲率半徑，本發明通過對傳統施密特光學系統進行改進，使得光學系統中校正板與共用主鏡的距離為共用主鏡曲率半徑的O. 7倍，從而可減小光學系統軸向長度；將大口徑的共用校正板的面形設置為球面，降低光學系統加工與裝調的難度，系統中加入小口徑的共用焦面校正透鏡組，可以有效的擴大系統視場、增加系統的相對口徑；共用焦面校正透鏡組的通光口徑為矩形，可有效減小共用焦面校正透鏡組造成的遮攔造成的能量損失，以上這些設計有利於光學系統對遠距離的弱點目標進行探測。(2)本發明採用了折反式光學系統，利用反射材料承擔了主要的光焦度，對於大視場、大相對口徑的紅外光學系統而言，可以有效的較少大口徑紅外材料使用的數量；利用分視場的方式，在同一光學系統中實現了雙譜段的探測，在同一臺相機中實現了兩種不同應用的集成，以上這些設計有利於降低相機光學系統的研製成本。(3)本發明採用光學被動補償消熱差設計的思想，選擇兩種紅外光學材料和一種反射鏡材料，根據光學系統鏡筒結構材料的熱膨脹係數，使得溫度變化時光學系統像面的位置變化趨勢與相機像面探測器位置變化趨勢一致，光學系統像面的位置與相機像面探測器位置之差小於光學系統的焦深，保證光學系統滿足光焦度匹配要求、消熱差要求和消軸向色差要求，以上這些設計能夠保證光學系統在常溫工況下進行加工、裝調和測試，在80K 低溫工況下進行工作。


圖Ia
圖Ib
圖2a
圖2b
圖2c
圖2d
圖3a
圖3b
圖3c
圖3d
為本發明光學系統的結構為本發明光學系統沿光軸旋轉90°後的結構為本發明光學系統BI譜段293K工況下軸向像差曲線； 為本發明光學系統BI譜段80K工況下軸向像差曲線； 為本發明光學系統B2譜段293K工況下軸向像差曲線； 為本發明光學系統B2譜段80K工況下軸向像差曲線； 為本發明光學系統BI譜段293K工況下象元能量集中度為本發明光學系統BI譜段80K工況下象元能量集中度； 為本發明光學系統B2譜段293K工況下象元能量集中度為本發明光學系統B2譜段80K工況下象元能量集中度。
具體實施例方式如圖I所示，本發明光學系統包括共用校正板I、共用主鏡2、共用焦面校正透鏡組 3和接收像面4。本發明的一個實施方案為工作譜段BI :2· 5 3. O μ m、B2 :4· O 4. 5 μ m，入瞳口徑300mm，F數I. 67，有效視場為15°，探測器BI譜段與B2譜段象元尺寸均為36 μ m線陣 TDICCD，採用視場拼接的方式增加幅寬，加工、裝調與檢測工作環境溫度為293K，工作環境溫度為80K。組成共用校正板I的凸平正透鏡5和彎向共用主鏡2的彎月負透鏡6選用兩塊同種材料的紅外透鏡，面形為球面，共用主鏡2面形為球面或非球面，組成共用焦面校正透鏡組3的彎月負透鏡7和雙凸正透鏡8選用兩塊同種材料的透鏡，面形為球面或非球面；共用校正板I、共用主鏡2和共用焦面校正透鏡組3同軸並作為光學系統的主光軸，兩個不同視場的夾角為2。的視場光線從左側以主光軸為中心對稱入射至由共軸的凸平正透鏡5和彎向共用主鏡2的彎月負透鏡6組成的共用校正板1，經過共用校正板I透射、共用主鏡2反射、由共軸的彎向共用主鏡2的彎月負透鏡7和雙凸正透鏡8組成的共用焦面校正透鏡組3 透射到達雙譜段分立的接收像面4後各自成像，雙譜段接收像面4採用視場拼接的方式集成於一塊電路板上。為了滿足光學系統加工裝調與檢測工作環境溫度為293K，工作環境溫度為80K的特殊要求，光學系統滿足公式(I)中的光焦度匹配要求、消熱差要求和消軸向色差要求
權利要求
1.雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於包括共用校正板(I)、共用主鏡(2)、共用焦面校正透鏡組(3)和接收像面(4);共用校正板(I)、共用主鏡(2)和共用焦面校正透鏡組(3)同軸並作為光學系統的主光軸，兩個不同視場的夾角為0° 4°的視場光線從左側以主光軸為中心對稱入射至由共軸的凸平正透鏡(5)和彎月負透鏡(6)組成的共用校正板(I)，經過共用校正板⑴透射、共用主鏡⑵反射、由共軸的彎向共用主鏡⑵的彎月負透鏡(7)和雙凸正透鏡(8)組成的共用焦面校正透鏡組(3)透射到達雙譜段分立的接收像面(4)後各自成像。
2.根據權利要求I所述的雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於所述的共用校正板(I)的面形為球面透鏡、共用主鏡(2)的面形為球面或橢球面反射鏡、共用焦面校正透鏡組(3)的面形為球面或非球面透鏡。
3.根據權利要求I所述的雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於所述的共用焦面校正透鏡組(3)的通光口徑為矩形。
4.根據權利要求I所述的雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於所述的共用校正板(I)的材料為紅外光學材料，共用主鏡(2)的材料為鈹、或碳化矽、或微晶玻璃、 或熔石英，共用焦面校正透鏡組(3)的材料為紅外光學材料。
5.根據權利要求I所述的雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，其特徵在於所述的接收像面(4)為採用視場拼接或者機械拼接的面陣、線陣CCD或TDICCD探測器接收面。
全文摘要
雙譜段空間低溫熱像儀光學成像系統，採用完全共用校正板、主鏡、焦面校正透鏡組的改進型施密特系統，偏視場使用，由兩個獨立的光學成像路徑組合成。兩組入射光線具有0°～4°夾角，分別依次到達校正板、主鏡和焦面校正透鏡組，最終到達兩個分立的接收像面上分別成像。本系統採用消熱差設計，利用共用校正板、主鏡、焦面校正鏡組光焦度、光學材料和結構材料的匹配，從而保證相機能夠在常溫條件下完成加工、裝調和測試，在低溫情況下進行工作。本系統具有工作溫度範圍寬，大視場，大相對孔徑，光機結構集成度高，體積小，重量輕等優點，特別適用於對遠距離的弱點目標進行探測。
文檔編號G02B1/00GK102589710SQ20121002886
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者劉兆軍, 吳立民, 周峰, 張寅生, 張濤, 李妥妥, 湯天瑾, 胡斌, 蘇雲, 黃穎 申請人:北京空間機電研究所