本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)，具體涉及一種基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著空間光學(xué)載荷技術(shù)和遙感反演技術(shù)的發(fā)展，為了獲取更豐富的探測(cè)目標(biāo)信息，寬波段探測(cè)的需求日益增強(qiáng)?？臻g光學(xué)成像裝置中的可見(jiàn)光波段主要用于白天對(duì)陸地、海洋及特定目標(biāo)的偵測(cè)；中波紅外波段主要用于夜間探測(cè)，而涵蓋雙波段的光學(xué)成像裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的全天候不間斷監(jiān)測(cè)。由于搭載空間遙感光學(xué)系統(tǒng)的飛行器的空間和重量有限，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的緊湊性提出了嚴(yán)苛的要求，自由曲面具有超強(qiáng)的像差平衡能力，可以有效應(yīng)用在緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因此吸引了諸多學(xué)者開(kāi)展設(shè)計(jì)與研究。

2、緊湊型空間對(duì)地遙感成像光學(xué)系統(tǒng)主要為兩類(lèi)：全反射式對(duì)地遙感系統(tǒng)和折反式對(duì)地遙感光學(xué)系統(tǒng)。其中，全反射式對(duì)地遙感系統(tǒng)分為離軸反射式和同軸反射式，同軸反射式整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，不僅存在次鏡對(duì)主鏡的遮攔，還存在開(kāi)孔等因素對(duì)三鏡入射光的繼續(xù)遮攔，影響該系統(tǒng)的能量利用率和信噪比。離軸反射式系統(tǒng)沒(méi)有中心遮攔，但是該系統(tǒng)的垂軸尺寸易超出系統(tǒng)整體的包絡(luò)。由于空間遙感光學(xué)系統(tǒng)的焦面通常存在光學(xué)拼接或機(jī)械拼接，具有要求調(diào)整鏡片實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的環(huán)節(jié)，而調(diào)整反射鏡的精度要求更高，因此實(shí)現(xiàn)難度也更大。

3、折反式對(duì)地遙感光學(xué)系統(tǒng)通常是在卡塞格林系統(tǒng)或r-c系統(tǒng)中增加透射鏡片來(lái)校正像差擴(kuò)大視場(chǎng)，但是由于該系統(tǒng)雜散光的要求提高和系統(tǒng)視場(chǎng)要求不斷增大，而自由曲面因其可控制變量多，可以有效增大視場(chǎng)，減少透鏡數(shù)量，通過(guò)改變光路布局能有效地抑制雜光，因此有必要研制一種新型的基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段緊湊型折反光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)合理布局滿(mǎn)足系統(tǒng)的緊湊性、雜散光、方便調(diào)節(jié)及大視場(chǎng)的整體要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有存在全反射式對(duì)地遙感系統(tǒng)和折反式對(duì)地遙感光學(xué)系統(tǒng)難以滿(mǎn)足緊湊性、雜散光、方便調(diào)節(jié)及大視場(chǎng)整體要求的技術(shù)問(wèn)題，提供了一種基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括沿光路依次設(shè)置的縮束單元、分色鏡，以及設(shè)置在分色鏡反射光路上的可見(jiàn)tdi成像透鏡組、設(shè)置在分色鏡透射光路上的紅外tdi成像透鏡組，以及可見(jiàn)切換反射鏡和設(shè)置在可見(jiàn)切換反射鏡反射光路上的可見(jiàn)面陣成像透鏡組；可見(jiàn)切換反射鏡用于切入或切出可見(jiàn)tdi成像透鏡組中；紅外tdi成像透鏡組中設(shè)置有反射鏡；

4、縮束單元包括沿光路依次設(shè)置的主鏡、次鏡、折軸鏡和三鏡；主鏡與次鏡同軸布置該軸為主次鏡軸；折軸鏡位于主鏡遠(yuǎn)離次鏡的一側(cè)，其法線(xiàn)與系統(tǒng)光軸的夾角大于45°；三鏡為自由曲面反射鏡，其出射中心視場(chǎng)光線(xiàn)與主次鏡軸垂直；分色鏡設(shè)置在三鏡的出射光路上；

5、分色鏡用于將三鏡的出射光沿光路透射至反射鏡與紅外tdi成像透鏡組，同時(shí)將三鏡的出射光反射至可見(jiàn)tdi成像透鏡組，或者在可見(jiàn)切換反射鏡切入可見(jiàn)tdi成像透鏡組時(shí)將光反射至可見(jiàn)面陣成像透鏡組；

6、可見(jiàn)tdi成像透鏡組的出射光路上設(shè)置有可見(jiàn)tdi探測(cè)設(shè)備，使可見(jiàn)tdi成像透鏡組的出射光成像于可見(jiàn)tdi探測(cè)設(shè)備上；

7、可見(jiàn)面陣成像透鏡組的出射光路上設(shè)置有可見(jiàn)光面陣探測(cè)器，使可見(jiàn)面陣成像透鏡組的出射光成像于可見(jiàn)光面陣探測(cè)器上；

8、紅外tdi成像透鏡組的出射光路上設(shè)置有紅外tdi探測(cè)設(shè)備，通過(guò)平移紅外tdi成像透鏡組，使紅外tdi成像透鏡組的出射光成像于紅外tdi探測(cè)設(shè)備上。

9、進(jìn)一步地，所述主鏡為中心開(kāi)孔或者偏心開(kāi)孔的偶次非球面反射鏡，其表面鍍有銀膜或金膜，圓錐系數(shù)k小于0；材料為石英或k9或微晶或碳化硅，鏡面f數(shù)為0.5-1.5。

10、進(jìn)一步地，所述次鏡為偶次非球面反射鏡，其表面鍍有銀膜或金膜，圓錐系數(shù)k小于0；材料為石英或k9或微晶或碳化硅，鏡面f數(shù)為0.5-1.5。

11、進(jìn)一步地，所述折軸鏡為平面反射鏡，其表面鍍有銀膜或金膜，材料為石英或k9或微晶或碳化硅。

12、進(jìn)一步地，所述主鏡上設(shè)置有光闌；三鏡的圓錐系數(shù)k小于0，采用xy多項(xiàng)式表示，材料為石英或k9或微晶或碳化硅；分色鏡為平行平板，其上鍍有分色膜，分色鏡的材料為silicon、germanium或znse或cleartran，反射率和透射率均大于90％；可見(jiàn)切換反射鏡為平面反射鏡，材質(zhì)為石英或者k9或者微晶或者sic。

13、進(jìn)一步地，所述可見(jiàn)tdi成像透鏡組包括沿光路依次同軸設(shè)置的可見(jiàn)共用透鏡前組與可見(jiàn)成像分立后組；

14、可見(jiàn)共用透鏡前組包括沿光路依次同軸設(shè)置的6片透鏡，其中第一片透鏡為平凸透鏡，其凸面為自由曲面，圓錐系數(shù)k小于0，采用xy多項(xiàng)式表示，第三片透鏡為負(fù)透鏡，其余透鏡均為球面鏡；

15、可見(jiàn)成像分立后組包括沿光路依次同軸設(shè)置的3片透鏡，其中第二片透鏡的一個(gè)表面為非球面，圓錐系數(shù)k大于0小于1，沒(méi)有高次項(xiàng)；其余透鏡均為球面鏡；

16、可見(jiàn)切換反射鏡用于切入或切出可見(jiàn)共用透鏡前組與可見(jiàn)成像分立后組之間，當(dāng)可見(jiàn)切換反射鏡切入時(shí)，分色鏡的反射光經(jīng)可見(jiàn)共用透鏡前組透射至可見(jiàn)切換反射鏡后，反射至可見(jiàn)面陣成像透鏡組，當(dāng)可見(jiàn)切換反射鏡切出時(shí)，將分色鏡的反射光反射至可見(jiàn)tdi成像透鏡組；

17、可見(jiàn)面陣成像透鏡組與可見(jiàn)成像分立后組結(jié)構(gòu)相同；

18、可見(jiàn)tdi成像透鏡組通過(guò)調(diào)整可見(jiàn)共用透鏡前組的第三片透鏡的間隔來(lái)調(diào)整像質(zhì)和氣壓。

19、進(jìn)一步地，所述紅外tdi成像透鏡組包括兩個(gè)正透鏡組；兩個(gè)正透鏡組之間具有一次像面，一個(gè)正透鏡組包括3片透鏡，其光焦度分別為正、負(fù)、正排列；另一個(gè)正透鏡組包括3片透鏡，其光焦度分別為負(fù)、正、正排列；兩個(gè)正透鏡組的材料為silicon和/或germanium；

20、紅外tdi成像透鏡組通過(guò)調(diào)整位于一次像面前的正透鏡組的位置來(lái)調(diào)整氣壓。

21、進(jìn)一步地，所述紅外tdi成像透鏡組的平移量t根據(jù)以下公式計(jì)算：

22、

23、式中，d為分色鏡的厚度，θ為分色鏡與水平面的夾角，n為分色鏡的折射率。

24、進(jìn)一步地，所述可見(jiàn)tdi探測(cè)設(shè)備包括光學(xué)拼接裝置和n個(gè)可見(jiàn)tdi探測(cè)器；光學(xué)拼接裝置包括拼接固連的多片平面反射鏡，多個(gè)平面反射鏡的大小和間隔相同，材料均為石英或者k9或者微晶或者sic；每個(gè)可見(jiàn)tdi探測(cè)器設(shè)置于平面反射鏡的反射光路或透射光路上；

25、或者，可見(jiàn)tdi探測(cè)設(shè)備包括位于同一探測(cè)平面的n個(gè)可見(jiàn)tdi探測(cè)器，n個(gè)可見(jiàn)tdi探測(cè)器為機(jī)械拼接，且互相平行放置，沿拼接方向上有數(shù)目不小于10個(gè)的重疊像素，n≥2。

26、進(jìn)一步地，所述紅外tdi探測(cè)設(shè)備包括位于同一探測(cè)平面的m個(gè)紅外tdi探測(cè)器，m個(gè)紅外tdi探測(cè)器為機(jī)械拼接，且互相平行放置，沿拼接方向上有數(shù)目不小于10個(gè)的重疊像素，m≥2；每個(gè)紅外tdi探測(cè)器上設(shè)置有冷光闌；

27、分色鏡與水平面的夾角θ為45°。

28、本發(fā)明的有益效果：

29、1、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，利用主鏡、次鏡、折軸鏡和三鏡形成縮束單元，像質(zhì)良好；通過(guò)調(diào)整主鏡與次鏡間隔和次鏡偏心等敏感項(xiàng)，可保證裝調(diào)后像質(zhì)基本保持不變，且主鏡與次鏡同軸安裝，兩者組合中心視場(chǎng)像質(zhì)良好，方便加工、檢測(cè)、裝調(diào)。

30、2、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，折軸鏡的法線(xiàn)與系統(tǒng)光軸的夾角大于45°，以保證偏視場(chǎng)入射的光路經(jīng)過(guò)主鏡、次鏡、折軸鏡、三鏡后出射的中心視場(chǎng)光線(xiàn)與主鏡、次鏡光軸垂直，使得系統(tǒng)整體緊湊、公差不敏感。

31、3、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，主鏡、次鏡均為偶次非球面反射鏡，且鏡面f數(shù)均為0.5-1.5，進(jìn)一步保證了系統(tǒng)緊湊性。

32、4、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，可見(jiàn)光路將調(diào)整像質(zhì)和氣壓的鏡片設(shè)為可見(jiàn)共用透鏡前組中第三片透鏡，第三片透鏡選擇為負(fù)透鏡；紅外光路將調(diào)整氣壓的鏡片設(shè)為一次像面前的透鏡組，相比于現(xiàn)有將調(diào)整環(huán)節(jié)設(shè)置于次鏡的光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)整環(huán)節(jié)精度要求相對(duì)較低，實(shí)現(xiàn)更容易，代價(jià)較小。

33、5、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見(jiàn)紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，具備可見(jiàn)紅外雙波段探測(cè)功能，可見(jiàn)光線(xiàn)陣、面陣切換功能(即可見(jiàn)切換反射鏡的切出、切入)及對(duì)n個(gè)可見(jiàn)線(xiàn)陣tdi探測(cè)器進(jìn)行光學(xué)拼接的功能。