專利名稱：一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，尤其涉及ー種適合空間環(huán)境的用于航天非合作目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)中的多光譜輕小型探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間光學(xué)載荷的技術(shù)指標(biāo)要求也越來越高，輕小型、高分辨率、多波段探測(cè)光學(xué)相機(jī)在航天領(lǐng)域中的需求日益增強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)高分辨率、多波段探測(cè)的技術(shù)指標(biāo)，通常是設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的適用于特定波段的光學(xué)相機(jī)，比如要同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段，一般方法是設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的光路接探測(cè)器構(gòu)成單獨(dú)獨(dú)立的三個(gè)光學(xué)相機(jī)，在夜晚可用中波紅外和長(zhǎng)波紅外探測(cè)目標(biāo)，先用長(zhǎng)波紅外相機(jī)捕獲到目標(biāo)，再用中波紅外相機(jī)跟蹤目標(biāo)，在白天用可見光相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤捕獲。 在航天應(yīng)用中，為了提高空間光學(xué)相機(jī)的可靠性，需要盡量減少設(shè)備部件，同時(shí)滿足空間載荷要求成像好、體積小、重量輕和功耗小的特點(diǎn)。本文提出了ー種共用主鏡，在次鏡位置鍍特殊膜反射可見光波段和中波紅外波段，透射長(zhǎng)波紅外波段，并在主鏡和次鏡之間加入ー個(gè)平面反射鏡對(duì)光路進(jìn)行折軸，實(shí)現(xiàn)可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段探測(cè)的輕小型、一體化光學(xué)相機(jī)，該相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、三個(gè)波段范圍內(nèi)成像質(zhì)量均接近衍射極限，可應(yīng)用于航天空間非合作目標(biāo)多光譜探測(cè)相機(jī)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其主要解決了現(xiàn)有多光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)笨重、光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜的問題。該可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕小、光學(xué)元件少、成像質(zhì)量好、輕小、一體化多光譜探測(cè)、工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下該可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)包括用于反射可見光波段、中波紅外波段和長(zhǎng)波紅外三波段的第一反射鏡，反射可見光波段和中波紅外波段，透射長(zhǎng)波紅外波段的第二反射鏡，透射可見光波段和中波紅外波段，反射長(zhǎng)波紅外波段的第三反射鏡；所述第二反射鏡設(shè)置于第一反射鏡和第三反射鏡中間，第一反射鏡中心設(shè)置有通孔，通孔的直徑小于第三反射鏡的直徑。上述可見光波段經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡反射，再經(jīng)第三反射鏡透射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于可見光波段的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡構(gòu)成可見光成像系統(tǒng)光路，可見光成像系統(tǒng)的工作波段為400 900nm，所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡的光焦度分別為正、負(fù)、正。上述長(zhǎng)波紅外波段經(jīng)第一反射鏡反射，第二反射鏡透射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于長(zhǎng)波紅外波段的第四透鏡和第五透鏡后構(gòu)成長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)光路，長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的工作波段為9300 10500nm ;所述第四透鏡、第五透鏡的光焦度分別為正、負(fù)。上述中波紅外波段經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡反射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于中波紅外波段的第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡后構(gòu)成中波紅外成像系統(tǒng)光路，中波紅外成像系統(tǒng)的工作波段為3700 4800nm ;所述第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡的光焦度分別為正、負(fù)、負(fù)。上述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡均為球面鏡；所述第一透鏡焦距f4應(yīng)滿足:-0. 25f <f4< -o. 16f，第二透鏡焦距f5應(yīng)滿足:-0. 12f < f5 < -o. 51f，第三透鏡焦距f6應(yīng)滿足-0. 86f < f6 < -0. 53f，其中f為可見光波段總焦距。上述第四透鏡為非球面鏡，第五透鏡是球面鏡；所述第四透鏡焦距f8應(yīng)滿足-72f' < f8 < _54f'，第五透鏡焦距f9應(yīng)滿足-0.46f' < f9 <-0. 22f'，其中f'為長(zhǎng)波紅外波段總焦距。上述第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡均為球面鏡；所述第六透鏡焦距fn應(yīng)滿 足:-2. 2ir ' < fn < -I. 03f''，第七透鏡焦距 f12 應(yīng)滿足:-5. 47f'' < f12 < -3. 62f''，第八透鏡焦距f13應(yīng)滿足-0. 48f'' < f13 < -0. 31f' '，其中f為長(zhǎng)波紅外波段總焦距。上述第三反射鏡和第一反射鏡成45°夾角，第一反射鏡為非球面為雙曲面的反射鏡，第三反射鏡為平面反射鏡。上述第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、透鏡均為鈦合金透鏡。上述可見光成像系統(tǒng)光路、中波紅外成像系統(tǒng)光路、長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)光路呈“T”字型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在三個(gè)波段內(nèi)同時(shí)探測(cè)目標(biāo)，光學(xué)系統(tǒng)三波段光路共用一個(gè)主鏡，大大減輕了整機(jī)系統(tǒng)的重量，該光學(xué)系統(tǒng)使用了ー個(gè)特殊鏡，可同時(shí)在可見光、中波紅外波段發(fā)生反射，在長(zhǎng)波紅外波段發(fā)生透射。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)中在長(zhǎng)波紅外波段光路中的特殊鏡后設(shè)置有另一面，組成ー片透鏡，在減少光學(xué)元件的同時(shí)有效校正了像差。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)使用了ー個(gè)折軸鏡，折轉(zhuǎn)一路光線到垂直于主鏡的方向上，有效減小了系統(tǒng)的橫向尺寸。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)中可見光光路中僅用了 3片校正鏡綜合校正像差，長(zhǎng)波紅外光路中僅用了 2片校正鏡綜合校正像差，中波紅外光路中僅用了 3片校正鏡綜合校正像差。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)波紅外光路和中波紅外光路各自使用単獨(dú)的紅外探測(cè)器，不需要使用雙色探測(cè)器。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的主鏡使用鈦合金，減小了整機(jī)重量。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒使用鈦合金，在三個(gè)波段的光路中均使用了不同的合適光學(xué)材料，像質(zhì)對(duì)溫度變化不敏感。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，有利于整機(jī)系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)三波段光路光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量均接近衍射極限。


圖I為本發(fā)明所提供的可見光波段光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明所提供的長(zhǎng)波紅外波段光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所提供的中波紅外波段光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所提供的可見光波段光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖；圖5為本發(fā)明所提供的長(zhǎng)波紅外波段光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖；圖6為本發(fā)明所提供的中波紅外波段光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)示意圖；圖7為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)
ー步說明。參見圖1，本發(fā)明提供了一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括第一反射鏡I、第二反射鏡2、第三反射鏡3、第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、第四透鏡8、第五透鏡9、第六透鏡11、第七透鏡12、第八透鏡13、第一像面7、第二像面10、第二像面14。為了減小本光學(xué)系統(tǒng)中的主鏡加工檢測(cè)難度，本發(fā)明中主鏡采用雙曲面。為了減輕整機(jī)系統(tǒng)的重量，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)三波段光路共用ー個(gè)主鏡。為了在減少光學(xué)元件的同時(shí)有效校正像差，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)中在長(zhǎng)波紅外波段光路中的特殊鏡后設(shè)置有另一面，組成一片透鏡。為了有效減小系統(tǒng)的橫向尺寸，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)使用了ー個(gè)折軸鏡，折轉(zhuǎn)一路光線到垂直于主鏡的方向上。為了有效校正各個(gè)光路中的像差，加入了校正鏡各個(gè)光路中的軸外像差。為了節(jié)省成本，并提供系統(tǒng)的性能，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)波紅外光路和中波紅外光路各自使用単獨(dú)的紅外探測(cè)器，不需要使用雙色探測(cè)器。為了減小整機(jī)重量，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)的主鏡使用鈦合金。為了減小本光學(xué)系統(tǒng)的整機(jī)系統(tǒng)尺寸，本發(fā)明中合理平衡了各光學(xué)元件的光焦度分布。該發(fā)明可應(yīng)用在空間環(huán)境航天非合作目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)中的多光譜探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明在具體工作時(shí)，可以參考以下參數(shù)對(duì)第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、第四透鏡8、第五透鏡9、第六透鏡11、第七透鏡12、第八透鏡13的參數(shù)以及鏡子間隔進(jìn)行配置，使其達(dá)到效果會(huì)更好。對(duì)于第一透鏡4 -0. 25f<f4<-0. 16f對(duì)于第二透鏡5 -0. 12f<f5<-0. 51f對(duì)于第三透鏡6 -0. 86f<f6<-0. 53f對(duì)于第四透鏡8:-72f/ <f8<-54f/對(duì)于第五透鏡9
0. 46f/ <f9<0. 22f對(duì)于第六透鏡11:-2.21f" <fnぐI. 03f"對(duì)于第七透鏡12 -5.47f" <f12ぐ3. 62f"對(duì)于第八透鏡13 -0. ASf" <f13<-0. 31f/7
在上述各鏡子的參數(shù)關(guān)系中，其中f、f'、f"為光學(xué)系統(tǒng)可見光波段、長(zhǎng)波紅外波段、中波紅外波段光路的總焦距，f4、f5、f6、f8、f9、fn、f12、f13為第一透鏡4、第二透鏡5、第三透鏡6、第四透鏡8、第五透鏡9、第六透鏡11、第七透鏡12、第八透鏡13的元件焦距。對(duì)本實(shí)施例中的深一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)采用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)評(píng)價(jià)手段進(jìn)行測(cè)評(píng)。表I、表2、表3分別給出了可見光成像系統(tǒng)、長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)、中波紅外成像系統(tǒng)在空間頻率501p/mm、空間頻率201p/mm、空間頻率321p/mm處各個(gè)視場(chǎng)子午方向的傳函和弧矢方向的具體傳函值，可知三個(gè)光路系統(tǒng)兩個(gè)方向的數(shù)值都接近衍射極限，系統(tǒng)成像優(yōu)良。表I 501p/mm處可見光成像系統(tǒng)各視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)數(shù)值
權(quán)利要求
1.一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于包括用于反射可見光波段、中波紅外波段和長(zhǎng)波紅外三波段的第一反射鏡，反射可見光波段和中波紅外波段，透射長(zhǎng)波紅外波段的第二反射鏡，透射可見光波段和中波紅外波段，反射長(zhǎng)波紅外波段的第三反射鏡；所述第二反射鏡設(shè)置于第一反射鏡和第三反射鏡中間，第一反射鏡中心設(shè)置有通孔，通孔的直徑小于第三反射鏡的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述可見光波段經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡反射，再經(jīng)第三反射鏡透射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于可見光波段的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡構(gòu)成可見光成像系統(tǒng)光路，可見光成像系統(tǒng)的工作波段為400 900nm，所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡的光焦度分別為正、負(fù)、正。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述長(zhǎng)波紅外波段經(jīng)第一反射鏡反射，第二反射鏡透射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于長(zhǎng)波紅外波段的第四透鏡和第五透鏡后構(gòu)成長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)光路，長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)的エ作波段為9300 10500nm ;所述第四透鏡、第五透鏡的光焦度分別為正、負(fù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述中波紅外波段經(jīng)第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡反射后，再經(jīng)依次設(shè)置的適用于中波紅外波段的第六透鏡、第七透鏡和第八透鏡后構(gòu)成中波紅外成像系統(tǒng)光路，中波紅外成像系統(tǒng)的工作波段為3700 4800nm ;所述第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡的光焦度分別為正、負(fù)、負(fù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡均為球面鏡；所述第一透鏡焦距f4應(yīng)滿足-0. 25f <f4< -0. 16f，第二透鏡焦距f5應(yīng)滿足-0. 12f < f5 < -0. 51f，第三透鏡焦距f6應(yīng)滿足-0. 86f < f6 < -0. 53f，其中f為可見光波段總焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述第四透鏡是含有ー個(gè)非球面鏡，第五透鏡是球面鏡；所述第四透鏡焦距f8應(yīng)滿足-72f' < f8 < _54f'，第五透鏡焦距f9應(yīng)滿足-0.46f' < f9 <-0. 22f'，其中f'為長(zhǎng)波紅外波段總焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡均為球面鏡；所述第六透鏡焦距fn應(yīng)滿足:-2. 2ir ' < fn < -I. 03f''，第七透鏡焦距 f12 應(yīng)滿足:-5. 47f'' < f12 < -3. 62f''，第八透鏡焦距f13應(yīng)滿足-0. 48f'' < f13 < -0. 31f' '，其中f為長(zhǎng)波紅外波段總焦距。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述第三反射鏡和第一反射鏡成45°夾角，第一反射鏡為非球面為雙曲面的反射鏡，第三反射鏡為平面反射鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至7所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、透鏡均為鈦合金透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述可見光成像系統(tǒng)光路、中波紅外成像系統(tǒng)光路、長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)光路呈“T”字型。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)，其主要解決了現(xiàn)有多光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)笨重、光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜的問題。該可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)包括用于反射可見光波段、中波紅外波段和長(zhǎng)波紅外三波段的第一反射鏡，反射可見光波段和中波紅外波段，透射長(zhǎng)波紅外波段的第二反射鏡，透射可見光波段和中波紅外波段，反射長(zhǎng)波紅外波段的第三反射鏡。該可見光、中波紅外和長(zhǎng)波紅外三波段光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕小、光學(xué)元件少、成像質(zhì)量好、輕小、一體化多光譜探測(cè)、工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G02B17/08GK102866490SQ201210374560
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者王虎, 薛要克, 劉杰, 劉陽, 劉美瑩, 張潔, 林上民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所