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目標(biāo)信息，寬波段探測的需求日益增強?？臻g光學(xué)成像裝置中的可見光波段主要用于白天對陸地、海洋及特定目標(biāo)的偵測；中波紅外波段主要用于夜間探測，而涵蓋雙波段的光學(xué)成像裝置能實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的全天候不間斷監(jiān)測。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)計中，因此吸引了諸多學(xué)者開展設(shè)計與研究。

2、緊湊型空間對地遙感成像光學(xué)系統(tǒng)主要為兩類：全反射式對地遙感系統(tǒng)和折反式對地遙感光學(xué)系統(tǒng)。其中，全反射式對地遙感系統(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，不僅存在次鏡對主鏡的遮攔，還存在開孔等因素對三鏡入射光的繼續(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)拼接或機械拼接，具有要求調(diào)整鏡片實現(xiàn)調(diào)焦的環(huán)節(jié)，而調(diào)整反射鏡的精度要求更高，因此實現(xiàn)難度也更大。

3、折反式對地遙感光學(xué)系統(tǒng)通常是在卡塞格林系統(tǒng)或r-c系統(tǒng)中增加透射鏡片來校正像差擴(kuò)大視場，但是由于該系統(tǒng)雜散光的要求提高和系統(tǒng)視場要求不斷增大，而自由曲面因其可控制變量多，可以有效增大視場，減少透鏡數(shù)量，通過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紅外雙波段緊湊型折反光學(xué)系統(tǒng)，通過合理布局滿足系統(tǒng)的緊湊性、雜散光、方便調(diào)節(jié)及大視場的整體要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

2、為了實現(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，以及可見切換反射鏡和設(shè)置在可見切換反射鏡反射光路上的可見面陣成像透鏡組；可見切換反射鏡用于切入或切出可見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，其出射中心視場光線與主次鏡軸垂直；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，同時將三鏡的出射光反射至可見tdi成像透鏡組，或者在可見切換反射鏡切入可見tdi成像透鏡組時將光反射至可見面陣成像透鏡組；

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

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

8、紅外tdi成像透鏡組的出射光路上設(shè)置有紅外tdi探測設(shè)備，通過平移紅外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探測設(shè)備上。

9、進(jìn)一步地，所述主鏡為中心開孔或者偏心開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tdi成像透鏡組包括沿光路依次同軸設(shè)置的可見共用透鏡前組與可見成像分立后組；

14、可見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表面為非球面，圓錐系數(shù)k大于0小于1，沒有高次項；其余透鏡均為球面鏡；

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

17、可見面陣成像透鏡組與可見成像分立后組結(jié)構(gòu)相同；

18、可見tdi成像透鏡組通過調(diào)整可見共用透鏡前組的第三片透鏡的間隔來調(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正透鏡組；兩個正透鏡組之間具有一次像面，一個正透鏡組包括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；兩個正透鏡組的材料為silicon和/或germanium；

20、紅外tdi成像透鏡組通過調(diào)整位于一次像面前的正透鏡組的位置來調(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tdi探測設(shè)備包括光學(xué)拼接裝置和n個可見tdi探測器；光學(xué)拼接裝置包括拼接固連的多片平面反射鏡，多個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；每個可見tdi探測器設(shè)置于平面反射鏡的反射光路或透射光路上；

25、或者，可見tdi探測設(shè)備包括位于同一探測平面的n個可見tdi探測器，n個可見tdi探測器為機械拼接，且互相平行放置，沿拼接方向上有數(shù)目不小于10個的重疊像素，n≥2。

26、進(jìn)一步地，所述紅外tdi探測設(shè)備包括位于同一探測平面的m個紅外tdi探測器，m個紅外tdi探測器為機械拼接，且互相平行放置，沿拼接方向上有數(shù)目不小于10個的重疊像素，m≥2；每個紅外tdi探測器上設(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；通過調(diào)整主鏡與次鏡間隔和次鏡偏心等敏感項，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，兩者組合中心視場像質(zhì)良好，方便加工、檢測、裝調(diào)。

30、2、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，折軸鏡的法線與系統(tǒng)光軸的夾角大于45°，以保證偏視場入射的光路經(jīng)過主鏡、次鏡、折軸鏡、三鏡后出射的中心視場光線與主鏡、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紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，可見光路將調(diào)整像質(zhì)和氣壓的鏡片設(shè)為可見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)精度要求相對較低，實現(xiàn)更容易，代價較小。

33、5、本發(fā)明基于自由曲面共用縮束鏡的可見紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，具備可見紅外雙波段探測功能，可見光線陣、面陣切換功能(即可見切換反射鏡的切出、切入)及對n個可見線陣tdi探測器進(jìn)行光學(xué)拼接的功能。