一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于空間光學遙感器技術領域，涉及一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統。
【背景技術】
[0002]為實現高分辨率觀測，光學遙感成像系統正在取得日新月異的發展，各種高分辨率的成像系統相繼發揮作用，不斷提高的空間分辨率已經成為光學遙感成像系統發展爭相追求的目標。1976年發射“鎖眼”(KH-1l)衛星像元分辨率達到0.15m以上，可對典型地面軍事目標由發現、識別、確認直到對軍事目標進行技術分析，到1990年發射的KH-12衛星，其光學遙感器分辨率提高到0.1m,目前KH-12衛星仍然在軌運行。1994年美國解除了對高分辨率遙感技術的控制，開放了米級以下的遙感圖像，允許商業部門進入這一領域。1999年洛克西德馬丁公司發射了第一顆商業高分辨率衛星Ikonos-2，該衛星所攜帶空間光學遙感器的全色分辨率達到了 0.82m ;隨后，2001年發射的QuickBird_2達到了 0.61m，2007年WorldView-1達到了 0.5m，2008年GeoEye-1達到了 0.41m。其他國家諸如法國、印度、以色列、韓國等都相繼發射了高分辨率遙感衛星，具備了亞米級的高分辨率成像能力。
[0003]高分辨率成像偵察僅可以獲取目標的外形輪廓信息，還可獲取目標的溫度信息，從而對目標狀態進行識別。紅外成像偵察成像不受時間條件的限制，可實現衛星的晝夜成像偵察，增加夜間對目標高分辨率成像的次數，提高目標狀態的判斷能力和隱蔽目標的識別能力。
[0004]高分辨率可見光CCD相機光學系統主要采用兩種結構型式，即同軸反射式三鏡消像散系統TMA和離軸TMA系統，在相同焦距、孔徑和視場角條件下，同軸TMA具有體積小、重量輕的優點，但無法實現大視場角、畸變大；紅外通道與可見光高分辨率通道一體化設計，需要公用部分光學元件，同時需要合理布局，使系統結構體積最優化。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統，實現了共口徑高分辨率可見光+激光測距共光路光學系統。
[0006]本實用新型的技術解決方案是:一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統，采用雙通道一體化結構型式，包括共用主鏡、共用次鏡、直角棱鏡、紅外通道中繼透鏡組、紅外通道探測器、可見光通道三鏡和可見光通道探測器；在直角棱鏡的斜面3S1和直角面3S2上鍍有反射膜，其中斜面3S1為平面、直角面3S2為凸非球面，直角面3S2與可見光通道出瞳位置重合；紅外通道中繼透鏡組和可見光通道三鏡的光軸與主光軸重合，直角棱鏡的直角反射面3S2光軸在子午面內，與主光軸一致；
[0007]共用主鏡和共用次鏡同軸，并且作為光學系統的主光軸；共用主鏡上設有通光孔，入射光線沿主光軸入射至共用主鏡上；可見光通道和紅外通道各自視場不同，可見光通道使用軸外視場，紅外通道使用軸上視場；來自可見光通道視場內的光線經過共用主鏡及共用次鏡反射之后透過主鏡通光孔依次到達可見光通道三鏡和直角棱鏡的直角反射面3S2上，經反射面3S2反射后到達可見光通道探測器處成像；紅外通道視場內光束經過共用主鏡及共用次鏡反射之后透過主鏡通光孔，經直角棱鏡的斜面3S1反射后透過紅外通道中繼透鏡組，最終在紅外通道探測器處成像。
[0008]所述光學系統入瞳位于共用主鏡上，共用主鏡、共用次鏡的面形均為非球面反射鏡。
[0009]本實用新型與現有技術相比的優點在于:
[0010]I)本實用新型由于采用了共用主鏡和次鏡、在直角棱鏡的斜面和直角面上鍍反射膜的方法，使可見光通道與紅外通道后續光路和光學元件分離，在同一個載荷上實現了高分辨率可見光成像系統和紅外成像系統同時工作；可見光通道與紅外通道可以采用相同的焦距與視場角，也可以不同的焦距與視場角，從而可以優化這兩種不同工作模式通道的光學性能；
[0011]2)本實用新型可見光通道的直角棱鏡反射面位置與其出瞳重合，實現直角棱鏡尺寸最小化；直角面3S2面為凸非球面，利用其大非球面系數消光瞳像差，使光學系統實現高像質的同時消除畸變。
[0012]3)本實用新型光學系統直角棱鏡可固定于共用主鏡基板的背部，從而充分利用了共用主鏡基板背部的空間，有效的減小了光學系統的軸向尺寸；
[0013]4)本實用新型光學系統共用主鏡的通光口徑可以為圓對稱面，或者根據載荷倉實際的尺寸情況設計為非圓對稱面，保證可以盡可能的擴大光學系統的通光孔徑。
[0014]5)本實用新型具有光機結構緊湊、組成簡單、在寬譜段范圍內無色差、成像質量良好、易于實現等優點，為機載/星載高分辨率可見光/多光譜成像系統提出了一個較好的技術實現途徑，特別適用于持續、穩定地獲取地表信息的高精度偵察一測繪一體化衛星光學系統。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型光學系統組成結構示意圖。
[0016]圖2為本實用新型所采用的直角棱鏡示意圖。
[0017]圖3為紅外通道中繼透鏡組示意圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本實用新型光學系統由共用主鏡1、共用次鏡2、直角棱鏡3、紅外通道中繼透鏡組4、紅外通道探測器5、可見光通道三鏡6和可見光通道探測器7 ;在直角棱鏡3的斜面3S1和直角面3S2上鍍有反射膜，其中斜面3S1為平面、直角面3S2面為凸非球面。
[0019]本實用新型的一個實施方案為:光學系統的可見光通道工作譜段為0.45 μ m-0.9 μ m，紅外通道工作譜段為8 μ m_10 μ m，兩個支路共用主鏡和次鏡，其中可見光通道與紅外通道視場不同，可見光通道對軸外視場(偏場角0.4°?0.5° )景物成像，紅外通道對軸上視場景物成像。可見光通道焦距為5m、全視場為1.5°、可見光通道探測器7為像元尺寸7 μπι的線陣TDICXD ;紅外通道焦距為1.2m、全視場為0.8。、探測器為像元尺寸0.04mm的小面陣CCD。
[0020]可見光通道利用軸外視場，紅外通道使用軸上視場。來自可見光通道視場內的光線經過共用主鏡I及共用次鏡2反射之后透過主鏡I通光孔到達可見光通道三鏡6，反射至直角棱鏡3的直角反射面3S2上，經其反射到達高分辨率可見光通道探測器7處成像。
[0021]紅外通道視場內光束經過共用主鏡I及共用次鏡2反射之后透過主鏡I通光孔，經直角棱鏡3的斜面3S1反射后透過紅外通道中繼透鏡組4，在出瞳處與冷屏耦合，然后在紅外通道探測器5處成像。
[0022]光學系統共用主鏡I和共用次鏡2同軸，并且其光軸作為光學系統的主光軸；通光口徑均為圓形，共用主鏡I上設置一個通光孔，入射光線從左側沿主光軸入射至共用主鏡I上，經過共用主鏡I及共用次鏡2反射之后到達各通道后續光學元件及鏡組。
[0023]共用主鏡I為雙曲面、共用次鏡2為橢球面；可見光通道三鏡6和直角棱鏡3直角面3S2分別為雙曲面和凸扁球面，光學系統的中心視場主光線與像面法線的夾角為零。共用主鏡1、共用主鏡2、可見光通道三鏡6采用的材料為金屬鈹，或微晶，或碳化硅，或融石英。
[0024]直角棱鏡3的斜面3S1面形為平面，其法線位于光學系統子午面內，與主光軸夾角為順時針60° ;棱鏡材料采用NBK7、微晶或熔石英。
[0025]直角棱鏡3固定在共用主鏡I基板背部。紅外通道中繼透鏡組4及直角棱鏡3的兩反射面光軸與紅外通道探測器光軸重合，且與系統光軸一致。
[0026]紅外通道中繼透鏡組4共包含4個光學元件，共由一片雙凸正透鏡、一片彎月正透鏡、兩片彎月負透鏡組成，透鏡材料均為無色光學玻璃，其中第一透鏡第一面、第三透鏡第二面、第四透鏡第一面的面型為二次橢球面、二次雙曲面和二次扁球面，其余均為球面；
[0027]共用主鏡1、共用次鏡2、高分辨率可見光通道三鏡6、直角棱鏡3的反射面鍍鋁或銀材料的金屬高反射率反射膜；紅外通道中繼透鏡組4所有透鏡與空氣接觸的表面鍍增透膜，用于增加折反式寬譜段多光譜成像光學系統的能量效率。
[0028]可見光通道探測器7為象元尺寸7 μπι的線陣TDICXD探測器，紅外通道探測器5為象元尺寸0.04mm的小面陣CXD探測器。
[0029]本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1.一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統，采用雙通道一體化結構型式，其特征在于:包括共用主鏡(I)、共用次鏡(2)、直角棱鏡(3)、紅外通道中繼透鏡組(4)、紅外通道探測器(5)、可見光通道三鏡(6)和可見光通道探測器(7);在直角棱鏡(3)的斜面(3S1)和直角面(3S2)上鍍有反射膜，其中斜面(3S1)為平面、直角面(3S2)為凸非球面，直角面(3S2)與可見光通道出瞳位置重合；紅外通道中繼透鏡組(4)和可見光通道三鏡￠)的光軸與主光軸重合，直角棱鏡(3)的直角反射面(3S2)光軸在子午面內，與主光軸一致； 共用主鏡(I)和共用次鏡(2)同軸，并且作為光學系統的主光軸；共用主鏡(I)上設有通光孔，入射光線沿主光軸入射至共用主鏡(I)上；可見光通道和紅外通道各自視場不同，可見光通道使用軸外視場，紅外通道使用軸上視場；來自可見光通道視場內的光線經過共用主鏡(I)及共用次鏡(2)反射之后透過主鏡(I)通光孔依次到達可見光通道三鏡(6)和直角棱鏡(3)的直角反射面(3S2)上，經反射面(3S2)反射后到達可見光通道探測器(7)處成像；紅外通道視場內光束經過共用主鏡(I)及共用次鏡(2)反射之后透過主鏡(I)通光孔，經直角棱鏡(3)的斜面(3S1)反射后透過紅外通道中繼透鏡組(4)，最終在紅外通道探測器(5)處成像。2.根據權利要求1所述的一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統，其特征在于:所述光學系統入瞳位于共用主鏡上，共用主鏡(1)、共用次鏡(2)的面形均為非球面反射鏡。
【專利摘要】一種采用直角反射棱鏡的雙通道成像光學系統，采用兩個獨立的光學支路：可見光支路和紅外支路。兩支路入射光線視場角不同，高分辨率可見光支路利用軸外線視場，經過主鏡、次鏡和可見光支路三鏡后，通過直角棱鏡凸球面反射，在可見光支路焦面器件處成像；紅外支路利用軸上視場，經過主鏡、次鏡并通過直角棱鏡斜面上的反射面反射，透過中繼透鏡組后在出瞳處與冷平耦合，最后到達紅外支路焦面器件處成像；本系統通過單相機雙通道的折反式光學系統實現對目標景物的高重訪高分辨率成像功能，本系統具有高分辨率、零畸變、光機結構集成度高、體積小、重量輕等優點，具有對大范圍地物的高分辨率、高精度和全天時成像能力。
【IPC分類】G02B17/08
【公開號】CN204666945
【申請號】CN201520276693
【發明人】湯天瑾, 孫德偉, 郭崇嶺, 黃穎
【申請人】北京空間機電研究所
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年4月30日