專利名稱：一種用于星載多光譜成像儀的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件、系統(tǒng)，具體是指一種用于星載多光譜成像儀的寬波段大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在2.3°視場(chǎng)下，對(duì)0.45μm～12.0μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的11個(gè)波段分譜段成像。
背景技術(shù)：
透射光學(xué)系統(tǒng)由于折射透鏡會(huì)引入色差，因此很難實(shí)現(xiàn)寬波段的成像，目前只能實(shí)現(xiàn)較窄波段成象，如瑞士威特廠的RC-10型航攝鏡頭、德國(guó)Zeiss的Super Lamegon PI5.6/90B鏡頭(引自《光學(xué)技術(shù)手冊(cè)下冊(cè)》，王之江主編，第976～985頁，機(jī)械工業(yè)出版社1994年出版)，其成像帶寬均在0.4～0.9μm波段。折反射光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寬波段范圍內(nèi)的成像，如我國(guó)的FY-1C氣象衛(wèi)星上的10波段可見-紅外掃描輻射計(jì)，其波段范圍覆蓋從0.43μm到12.5μm，但視場(chǎng)只有0.072°，只能實(shí)現(xiàn)單元成像(紅外與毫米波學(xué)報(bào)，第19卷，第5期，第321～326頁)。全反射式光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寬波段大視場(chǎng)成像，如美國(guó)專利US 4,265,510“離軸消象散三反射鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)”，但由于這種全反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此加工及系統(tǒng)裝校較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種在2.3°視場(chǎng)下，對(duì)0.45μm～12.0μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，即，可見光至長(zhǎng)波紅外波段的11個(gè)波段分譜段成像的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，來自地球目標(biāo)信號(hào)經(jīng)掃描反射鏡15反射分別進(jìn)入兩個(gè)分光學(xué)系統(tǒng)第一分光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中波和長(zhǎng)波紅外的雙波段成像；第二分光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從0.45μm～2.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的9個(gè)波段的光譜成像。兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)配準(zhǔn)可以通過常規(guī)的機(jī)械調(diào)整和圖像處理的方法來實(shí)現(xiàn)。
第一分光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)次反射鏡1、一個(gè)主反射鏡2、一個(gè)像差校正透鏡組3和濾光片4組成。
第二分光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)次反射鏡6、一個(gè)主反射鏡7、一個(gè)將該光學(xué)系統(tǒng)分成二路的分色片8，一路依次有像差校正透鏡組9和濾光片10、另一路依次有像差校正透鏡組12和濾光片13組成。
地球目標(biāo)信號(hào)經(jīng)掃描反射鏡15反射，分別進(jìn)入第一分光學(xué)系統(tǒng)和第二分光學(xué)系統(tǒng)。
第一分光學(xué)系統(tǒng)來自經(jīng)掃描反射鏡15反射的地球目標(biāo)信號(hào)射向主反射鏡2，經(jīng)其反射至次反射鏡1，再由次反射鏡1反射向像方，依次通過像差校正透鏡組3中的第一折射透鏡301、第二折射透鏡302后，經(jīng)濾光片4在像平面探測(cè)器5上成像。
第二分光學(xué)系統(tǒng)來自經(jīng)掃描反射鏡15反射的地球目標(biāo)信號(hào)射向主反射鏡7，經(jīng)其反射至次反射鏡6，再由次反射鏡6反射向分色片8，由分色片8分成反射和透射二路光。一路反射光依次通過像差校正透鏡組9中的第一折射透鏡901、第二折射透鏡902后，經(jīng)濾光片10在像平面探測(cè)器11上成像。另一路透射光依次通過像差校正透鏡組12中的第一折射透鏡1201、第二折射透鏡1202后，經(jīng)濾光片13在像平面探測(cè)器14上成像。
本發(fā)明的次反射鏡1和6為凸雙曲面反射鏡，主反射鏡2和7為凹雙曲面反射鏡，它們的曲面均為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面，這種反射系統(tǒng)無色差，在小視場(chǎng)范圍內(nèi)校正球差和彗差。
所說的像差校正透鏡組3、9、12用來校正光束經(jīng)過主反射鏡2、7和次反射鏡1、6后的軸外像差，同時(shí)還用于校正系統(tǒng)本身的殘余單色像差，它們分別由兩片折射透鏡組成，均為球面透鏡。
第二分光學(xué)系統(tǒng)的像差校正透鏡組9、12設(shè)計(jì)時(shí)，所用材料相同，而且光焦度為零，不會(huì)對(duì)光線起偏折作用，因此在消色差的情況下，只產(chǎn)生單色像差。第二分光學(xué)系統(tǒng)的分光采用分色片8，分色片8的第一面即反射面與光軸夾角45度，第二面與第一面平行度為0.178度，用于使邊緣光線的光程增加，達(dá)到補(bǔ)償軸外視場(chǎng)光程差的目的。分色片8和像差校正透鏡組3、9和12所選用的材料要求對(duì)它們各自選用的波段3.5μm～12.0μm、0.45μm～2.5μm是透明的，如Ge晶體、石英晶體。
像差校正透鏡組3、9、12中的第一折射透鏡301、901、1201和第二折射透鏡302、902、1202的消色差條件和光焦度分配應(yīng)滿足下列公式的要求 h301，901，1201301，901，1201+h302，902，1202302，902，1202＝h301，901，1201。(2)公式中符號(hào)h表示光線入射各折射透鏡時(shí)的高度，表示光焦度，v表示阿貝常數(shù)。因?yàn)楂校?，v301，90，12011＝v302，902，1202，根據(jù)公式(1)的要求，通過合理調(diào)配消色差校正鏡組3、9、12中各透鏡的光焦度，并控制光線入射高度h301，901，1201和h302，902，1202，可以消除校正鏡組的色差。
濾光片4、10、13根據(jù)所選擇的波段分別采用不同帶通的濾光片。
本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，加工、裝校技術(shù)成熟，采用雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)整體上降低了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工和裝校的難度。第一光學(xué)系統(tǒng)的中、長(zhǎng)波段成像探測(cè)器集結(jié)在一個(gè)焦面上，減少光學(xué)元件，提高了系統(tǒng)的光學(xué)效率，可以用同一個(gè)制冷系統(tǒng)對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行制冷，有利于降低系統(tǒng)的體積、重量、功耗，節(jié)省成本。采用一個(gè)掃描反射鏡兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的方式，避免用分色片分光，提高了光學(xué)效率，降低了濾光片的鍍膜工藝難度，降低了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，用球面透鏡代替非球面透鏡校正像差方便加工。光學(xué)系統(tǒng)采用同一種光學(xué)材料，有利于保證光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度的穩(wěn)定性。分色片的第二面與第一面之間存在一定角度，有利于平衡像差。像差校正透鏡組的光焦度為零，校正了系統(tǒng)色差。


圖1為光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1中的第一分光學(xué)系統(tǒng)的放大圖，圖中d1為次反射鏡1和主反射鏡2間隔距離；d2為次反射鏡1和像差校正鏡組3間隔距離；d3為校正鏡組3的第一折射透鏡301與第二折射透鏡302間隔距離；d4為第二折射透鏡302與像面5間隔距離；R1為次反射鏡1的頂點(diǎn)曲率半徑；R2為主反射鏡2的頂點(diǎn)曲率半徑；R3011為校正鏡組3的第一折射透鏡301前表面曲率半徑；R3012為校正鏡組3的第一折射透鏡301后表面曲率半徑；R3021為校正鏡組3的第二折射透鏡302前表面曲率半徑；R3022為校正鏡組3的第二折射透鏡302后表面曲率半徑；圖3為圖1中的第二分光學(xué)系統(tǒng)的放大圖，圖中d5為次反射鏡6和主反射鏡7間隔距離；d6為次反射鏡6和分色片8間隔距離；
d7為分色片8和校正鏡組9的第一折射透鏡901間隔距離；d8為第一折射透鏡901與第二折射透鏡902間隔距離；d9為第二折射透鏡902與像面11間隔距離；d10為分色片8和校正鏡組12的第一折射透鏡1201間隔距離；d11為校正鏡組12的第一折射透鏡1201與第二折射透鏡1202間隔距離；d12為第二折射透鏡1202與像面14間隔距離；R6為次反射鏡6的頂點(diǎn)曲率半徑；R7為主反射鏡7的頂點(diǎn)曲率半徑；R9011為校正鏡組9的第一折射透鏡901前表面曲率半徑；R9012為校正鏡組9的第一折射透鏡901后表面曲率半徑；R9021為校正鏡組9的第二折射透鏡902前表面曲率半徑；R9022為校正鏡組9的第二折射透鏡902后表面曲率半徑；R12011為校正鏡組12的第一折射透鏡1201前表面曲率半徑；R12012為校正鏡組12的第一折射透鏡1201后表面曲率半徑；R12021為校正鏡組12的第二折射透鏡1202前表面曲率半徑；R12022為校正鏡組12的第二折射透鏡1202后表面曲率半徑。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一寬波段望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)，像質(zhì)接近衍射極限。光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。
表1 光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

表2 光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種用于星載多光譜成像儀的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)，包括主反射鏡、次反射鏡和像差校正透鏡組，其特征在于光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)掃描反射鏡(15)，而后有兩個(gè)分光學(xué)系統(tǒng)第一分光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)次反射鏡(1)、一個(gè)主反射鏡(2)、一個(gè)像差校正透鏡組(3)和濾光片(4)組成；第二分光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)次反射鏡(6)、一個(gè)主反射鏡(7)、一個(gè)將該分光學(xué)系統(tǒng)分成二路的分色片(8)，一路為像差校正透鏡組(9)和濾光片(10)、另一路為像差校正透鏡組(12)和濾光片(13)組成；地球目標(biāo)信號(hào)經(jīng)掃描反射鏡(15)反射，分別進(jìn)入第一分光學(xué)系統(tǒng)和第二分光學(xué)系統(tǒng)；第一分光學(xué)系統(tǒng)來自經(jīng)掃描反射鏡(15)反射的地球目標(biāo)信號(hào)射向主反射鏡(2)，經(jīng)其反射至次反射鏡(1)，再由次反射鏡(1)反射向像方，依次通過像差校正透鏡組(3)中的第一折射透鏡(301)、第二折射透鏡(302)后，經(jīng)濾光片(4)在像平面探測(cè)器(5)上成像；第二分光學(xué)系統(tǒng)來自經(jīng)掃描反射鏡(15)反射的地球目標(biāo)信號(hào)射向主反射鏡(7)，經(jīng)其反射至次反射鏡(6)，再由次反射鏡(6)反射向分色片(8)，由分色片(8)分成反射和透射二路光；一路反射光依次通過像差校正透鏡組(9)中的第一折射透鏡(901)、第二折射透鏡(902)后，經(jīng)濾光片(10)在像平面探測(cè)器(11)上成像；另一路透射光依次通過像差校正透鏡組(12)中的第一折射透鏡(1201)、第二折射透鏡(1202)后，經(jīng)濾光片(13)在像平面探測(cè)器(14)上成像；所說的次反射鏡(1)和(6)為凸雙曲面反射鏡，主反射鏡(2)和(7)為凹雙曲面反射鏡，它們的曲面均為標(biāo)準(zhǔn)二次曲面；所說的像差校正透鏡組(3)、(9)、(12)的第一折射透鏡(301)、(901)、(1201)和第二折射透鏡(302)、(902)、(1202)均為球面透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于星載多光譜成像儀的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的分色片(8)的二表面平行度差為0.178度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于星載多光譜成像儀的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所說的像差校正透鏡組(3)、(9)、(12)具有光焦度，組成它的各折射透鏡，即第一折射透鏡(301)、(901)、(1201)和第二折射透鏡(302)、(902)、(1202)的光焦度301、901、1201和302、902、1202的分配應(yīng)滿足下列公式的要求 h301，901，1201301，901，1201+h302，902，1202302，902，1202＝h301，901，1201， (2)公式中符號(hào)h表示光線入射各折射透鏡時(shí)的高度，v表示阿貝常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于星載多光譜成像儀的雙筒折反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由一個(gè)掃描反射鏡，而后有兩個(gè)分光學(xué)系統(tǒng)。該兩個(gè)分光學(xué)系統(tǒng)分別由主反射鏡、次反射鏡和像差校正透鏡組組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，加工、裝校技術(shù)成熟，采用雙光學(xué)系統(tǒng)整體上降低了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工和裝校的難度，提高了光學(xué)效率和像質(zhì)。
文檔編號(hào)G02B17/08GK1598638SQ200410066548
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者劉銀年, 陳建新, 王欣, 王建宇, 王躍明, 黃健, 黃立峰, 姚志雄 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所