一种大口径红外双谱段目标探测光学系统

技术领域

本发明属于空间光学遥感成像技术领域，尤其涉及一种大口径红外双谱段目标探测光学系统。

背景技术

红外谱段具有全天时遥感探测能力，在环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域具有广泛的应用前景。目前，用于空间遥感探测的红外光学系统存在以下几个主要问题，严重限制了其在遥感领域所能发挥的作用：其一，现有的红外光学系统口径较小，不能实现高空间分辨率和高温度灵敏度成像；其二，现有的红外光学系统视场角较小，成像幅宽窄，不能实现高时间分辨率成像；其三，现有的红外光学系统成像畸变大，不能实现高精度目标探测；其四，现有的红外光学系统像方远心度较差，边缘视场的像面照度较低，不能实现大视场范围内的一致性成像。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大口径红外双谱段目标探测光学系统，具有口径大、扫描角度大、体积紧凑、成像质量好、像方远心度高等优点，可用于空间光学遥感器高分辨率红外成像、高灵敏度目标探测等领域。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大口径红外双谱段目标探测光学系统，包括：扫描反射镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜、第一折转镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第二折转镜、第三折转镜；目标辐射的中波和长波红外光线依次经过扫描反射镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜、第一折转镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜，中波红外光线经第二折转镜后汇聚在中波红外像面上成像，长波红外光线经第三折转镜后汇聚在长波红外像面上成像。

所述扫描反射镜绕X轴倾斜45°放置，扫描反射镜中心与孔径光阑中心的距离为350mm；扫描反射镜绕X轴的扫描角度范围为45°±15°；孔径光阑垂直Z轴放置，口径为376mm；所述X轴为垂直于纸面方向；Z轴为光线入射方向，即从扫描反射镜到像面方向。

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜均为离轴反射镜；其中，第一反射镜、第三反射镜和第五反射镜为凹面反射镜；第二反射镜和第四反射镜为凸面反射镜。

所述第一反射镜的离轴量为382.1mm，第二反射镜的离轴量为135mm，第三反射镜的离轴量为138.5mm，第四反射镜的离轴量为61.2mm，第五反射镜的离轴量为120.9mm。

所述第一折转镜、第二折转镜和第三折转镜均为平面反射镜，其中：

第一折转镜将中波红外和长波红外光线折转到第三反射镜，第二折转镜将中波红外光线折转到中波红外像面，第三折转镜将长波红外光线折转到长波红外像面。

所述第三反射镜和第五反射镜为6阶XY多项式自由曲面。

所述大口径红外双谱段目标探测光学系统的工作谱段范围为中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～12μm)，X方向，即垂直于纸面方向的视场角为7.32°，Y方向，即平行于纸面方向的视场角为1°。

所述扫描反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第一折转镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜表面均镀增反膜，在3μm～5μm和8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.97。

所述第二折转镜表面镀增反膜，在3μm～5μm谱段范围内的反射率大于0.98；第三折转镜表面镀增反膜，在8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.98。

中波红外(3μm～5μm)谱段在Y方向的视场为-0.5°，长波红外(8μm～12μm)谱段在Y方向的视场为0.5°。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明系统具有红外双谱段同时成像能力，工作谱段包括中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～12μm)，具有全天时遥感探测优势，可用于环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域。

(2)本发明系统具有大视场成像能力，X方向的视场角为7.32°，Y方向的视场角为1°，光学系统中有扫描反射镜，扫描角度范围为45°±15°，进一步增加了成像视场角，有利于解决现有探测视场较小的问题。

(3)本发明系统具有低畸变成像能力，在7.32°×1°视场范围内的最大相对畸变小于0.44％，有利于提高红外空间遥感的探测精度。

(4)本发明系统具有像方远心度高的特点，边缘视场主光线到像面的入射角度小于0.35°，从而将边缘视场的像面照度提升到100％，有利于提升大视场范围内的成像一致性。

(5)本发明系统的第一反射镜的离轴量为382.1mm，第二反射镜的离轴量为135mm，第三反射镜的离轴量为138.5mm，第四反射镜的离轴量为61.2mm，第五反射镜的离轴量为120.9mm，可以实现光学系统的高成像质量要求。

(6)本发明系统的扫描反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第一折转镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜镀增反膜后在3μm～5μm和8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.97；第二折转镜表面镀增反膜，在3μm～5μm谱段范围内的反射率大于0.98；第三折转镜表面镀增反膜，在8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.98。具有较高的能量利用率，有利于实现较高的信噪比，满足多种应用需求。

(7)本发明系统的中波红外(3μm～5μm)谱段在Y方向的视场为-0.5°，长波红外(8μm～12μm)谱段在Y方向的视场为0.5°，两个谱段的像面间隔20mm，保证两个谱段的成像像面不存在干涉。

附图说明

图1为本发明一种大口径红外双谱段目标探测光学系统图；其中，图1(a)为扫描反射镜不扫描状态下的光学系统图；图1(b)为扫描反射镜扫描﹢15°状态下的光学系统图；图1(c)为扫描反射镜扫描-15°状态下的光学系统图；

图2为本发明光学系统在各视场的调制传递函数曲线图；图2(a)为光学系统在中波红外谱段各视场的调制传递函数曲线图；图2(b)为光学系统在长波红外谱段各视场的调制传递函数曲线图；

图3为本发明光学系统的网格畸变图；

图4为本发明光学系统的像面照度曲线；

图5为本发明光学系统的像方远心度曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明一种大口径红外双谱段目标探测光学系统图。

如图1所示，光学系统的工作谱段范围为中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～12μm)，X方向的视场角为7.32°，Y方向的视场角为1°。

该系统包括扫描反射镜SM、孔径光阑STOP、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第一折转镜FM1、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5、第二折转镜FM2、第三折转镜FM3、中波红外像面MWIR Image和长波红外像面LWIR Image；如图1(a)所示，扫描反射镜SM在不扫描状态下绕X轴倾斜45°放置，扫描反射镜SM中心与孔径光阑STOP中心的距离为350mm；扫描反射镜SM绕X轴的扫描角度范围为45°±15°，如图1(b)所示，扫描反射镜SM扫描﹢15°时，扫描反射镜SM绕X轴倾斜30°；如图1(c)所示，扫描反射镜SM扫描-15°时，扫描反射镜SM绕X轴倾斜60°。

目标辐射的中波和长波红外光线依次经过扫描反射镜SM、孔径光阑STOP、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第一折转镜FM1、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5，中波红外光线经第二折转镜FM2后汇聚在中波红外像面MWIR Image上，长波红外光线经第三折转镜后汇聚在长波红外像面LWIR Image上。

光学系统的孔径光阑STOP垂直Z轴放置，口径为376mm；第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5均为离轴反射镜；第一反射镜M1、第三反射镜M3和第五反射镜M5为凹面反射镜；第二反射镜M2和第四反射镜M4为凸面反射镜。

扫描反射镜SM、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第一折转镜FM1、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5表面均镀增反膜，在3μm～5μm和8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.97。

第二折转镜FM2表面镀增反膜，在3μm～5μm谱段范围内的反射率大于0.98；第三折转镜FM3表面镀增反膜，在8μm～12μm谱段范围内的反射率大于0.98。

第一反射镜M1的离轴量为382.1mm，第二反射镜M2的离轴量为135mm，第三反射镜M3的离轴量为138.5mm，第四反射镜M4的离轴量为61.2mm，第五反射镜M5的离轴量为120.9mm。

第三反射镜M3和第五反射镜M5为6阶XY多项式自由曲面，不具有旋转对称性；面形表达式如下式，采用单点金刚石车床车削加工，采用高精度轮廓仪进行面形检测。

其中，等号左端z(x,y)为不同坐标位置的自由曲面矢高；等号右端为自由曲面矢高的具体计算表达式；x为自由曲面沿X轴方向的坐标；y为自由曲面沿Y轴方向的坐标；c为自由曲面顶点曲率半径的倒数；k为自由曲面二次曲面系数；C

如图2所示，光学系统各视场的调制传递函数均接近衍射极限，具有良好的成像质量。

如图3所示，光学系统的最大相对畸变绝对值小于0.44％。

如图4所示，光学系统在视场范围内的像面照度为100％。

如图5所示，光学系统边缘视场主光线入射到像面的角度小于0.35°，具有良好的像方远心度。

表1自由曲面参数

本发明系统具有红外双谱段同时成像能力，工作谱段包括中波红外(3μm～5μm)和长波红外(8μm～12μm)，具有全天时遥感探测优势，可用于环境保护、火灾监测、伪装目标探测等领域；具有大视场成像能力，X方向的视场角为7.32°，Y方向的视场角为1°，光学系统中有扫描反射镜，扫描角度范围为45°±15°，进一步增加了成像视场角，有利于解决现有探测视场较小的问题；具有低畸变成像能力，在7.32°×1°视场范围内的最大相对畸变小于0.44％，有利于提高红外空间遥感的探测精度；具有像方远心度高的特点，边缘视场主光线到像面的入射角度小于0.35°，从而将边缘视场的像面照度提升到100％，有利于提升大视场范围内的成像一致性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。