一種共口徑反射式多光譜光學系統的制作方法

本發明屬于光學器件
技術領域：
，具體涉及一種共口徑反射式多光譜光學系統。
背景技術：
：在工業檢測和國防軍事應用領域，為了在不同外界環境下快速、及時的發現超遠距離目標并實現對超遠目標的實時跟蹤和精確測量，既要求得到目標的可見光圖像，還需要得到目標的紅外圖像，同時對光學系統的口徑提出很高的要求。可見和紅外結合的多光譜光學系統其可見光能被人眼接受，觀測方便，而且在夜間和微光條件下，以及在有霧或有遮擋時紅外系統具有良好的煙霧、塵埃穿透能力，無晝夜限制受環境影響小等優點。而且，對于高空偵察或偵察打擊型大型機載平臺而言，為提高目標探測/識別能力，要求其負載的光學系統具有空間分辨率高、作用距離遠、識別概率高等特點。這要求該光學系統具有極長的焦距，長焦距即意味著大口徑，同時為了實現機載環境中成像的穩定，需要增加基于快速反射鏡的二級穩定伺服控制，這就要求光路中必須存在平行光路，因此此類光學系統可以分為兩個組成部分：1將光線準直縮束的望遠鏡系統；2進行成像的成像系統。目前國內外對于多光譜光學系統的研究均有涉及，為了降低設計難度，這兩個光學系統通常是單獨設計的、分離的，在使用時需要兩個光學系統才能夠實現所需功能，這會造成系統體積過大、重量太重，不能適用于高空偵察或偵察打擊型機載平臺。為了克服上述缺陷，申請號為201510204445.6的中國專利申請文件中公開了一種雙波段共口徑共光路成像光學系統，中波和長波系統通過共用主反射鏡、次反射鏡和準直透鏡組，構成望遠系統，然后分光路通過透射式成像組實現各自成像。申請號為201310248836.9的中國專利申請文件中公開了一種紅外和可見光共口徑共光路變焦成像光學系統，紅外和可將光共用前固定組、變焦組和補償組，然后通過棱鏡分光各自通后固定組成像。上述兩種專利為了實現多光譜共口徑系統，都采用了或者部分采用的透射元件，這種方案中要求對透射元件在紅外和可見光波段均有較高的透過率，這種材料目前常見的有多光譜zns，氟化物晶體(mgf2，caf2和baf2等)，藍寶石等，它們價格較貴，而且一些氟化物材料具有一定水溶性，對環境濕度要求較高。另外含有透射式元件的系統對溫度變化敏感，需要單獨進行消熱和溫控設計，提高了系統成本和設計難度。而全反射式共口徑光多光譜學系統由于在多波段均有很高的反射率，結構緊湊重量輕，而且具有很好的溫度穩定性，具有很好的應用前景。技術實現要素：有鑒于此，本發明提供了一種共口徑反射式多光譜光學系統，本發明實現了長焦距多波段光學系統共口徑成像，且具有結構相對緊湊、重量輕、成像質量好、可在較寬溫度下穩定工作的特點。一種共口徑反射式光學系統，包括望遠系統光路和成像系統光路；所述望遠系統光路從光束入射方向依次包括主鏡1，次鏡2，第三反射鏡3，第四反射鏡4以及快速反射鏡5；所述成像系統光路依次排布包括第六反射鏡6，第七反射鏡7，第八反射鏡8以及成像鏡組；其中，主鏡1、次鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4在同一光軸上，主鏡1和次鏡2形成卡塞格林結構形式；第三反射鏡3位于次鏡2所成的第一像面之后；第四反射鏡4位于次鏡2與第三反射鏡3之間，接收第三反射鏡3的反射光線，并將其反射至快速反射鏡5；快速反射鏡5位于望遠系統光路的光軸上方；所述第六反射鏡6、第七反射鏡7和第八反射鏡8位于同一光軸上；第六反射鏡6接收快速反射鏡5的反射光，并將其反射至第七反射鏡7；第七反射鏡7再將光線反射至第八反射鏡8；其中，第八反射鏡8位于第六反射鏡6與第七反射鏡7之間；所述成像鏡組對第八反射鏡8的反射光進行接收和成像。較佳的，所述成像鏡組包括成像轉折平面反射鏡9和兩個探測器；成像轉折平面反射鏡9可在光路中切入和切出；探測器ii位于第八反射鏡8的焦平面上；探測器i位于成像轉折平面反射鏡9的焦平面上；所述兩個探測器為響應可見光0.5～0.7μm、短波紅外0.9～1.5μm、中波紅外3～5μm和長波8～12μm四種波段中的任意兩種。較佳的，所述主鏡1面型為拋物面，次鏡2為雙曲面；第三反射鏡3為二次曲面；第四反射鏡4為高次非球面，其出射光為平行光；第六反射鏡6和第七反射鏡7均為雙曲面，第八反射鏡8為高次非球面。較佳的，所有反射鏡材料為鋁、鈹或鈹鋁。較佳的，所有與反射鏡連接的結構件材料與反射鏡材料相同。較佳的，所述光學系統的工作溫度范圍為-50℃～+60℃。本發明具有如下有益效果：1、本發明整個光路分為兩個部分，第一部分用于將光束進行準直縮束的望遠系統光路，第二部分為可用于所有波段成像的成像系統光路部分。望遠系統光路中主鏡1和次鏡2為卡塞格林結構形式，主鏡面型為拋物面，次鏡為雙曲面；通過光路折疊有效的縮減系統尺寸，采用全反射式望遠系統和成像系統，減輕的系統重量，反射鏡支撐和固定材料采用與鏡面相同的金屬，從而大大提高了系統的溫度適應性和穩定性，而現有的技術中一般采用反射式和透射式元件組合實現望遠系統，但是在寬波段具有高透過率的透鏡材料種類稀少、昂貴且物理性質缺乏穩定性，同時透鏡材料的物理性質隨溫度變化敏感，嚴重影響了成像質量。2、本發明中光學結構經過多次反射，其中，四鏡設置于次鏡鏡與三鏡之間的位置，實現望遠系統光路的轉折，很好的壓縮了望遠系統光路的長度；快速反射鏡位于望遠系統光軸的上方，同時，第八反射鏡位于第六反射鏡與第七反射鏡之間，實現成像系統光路的轉折，從而在寬度上壓縮了系統的尺寸，使得本發明的光學系統結構緊湊；望遠系統光路的4片反射鏡同軸以及成像系統光路的3片反射鏡同軸設置，使得本發明的系統裝調更加容易；3、另外，本發明的光學系統通過對光學系統的優化，采用高次非球面，很好的校正了各種軸上及軸外像差，使其具有成像質量高的優點。附圖說明圖1是本發明的反射式共口徑多波段光學系統的結構圖；圖2是本發明實施例中系統在0.5～0.7μm的光學傳遞函數mtf；圖3是本發明實施例中系統在0.9～1.5μm的光學傳遞函數mtf；圖4是本發明實施例中系統在3～5μm的光學傳遞函數mtf。其中，1-主鏡、2-次鏡、3-第三反射鏡、4-第四反射鏡、5-快速反射鏡、6-第六反射鏡、7-第七反射鏡、8-第八反射鏡、9-成像轉折平面反射鏡。具體實施方式下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。本發明的一種共口徑反射式多光譜光學系統，如圖1所示，包括兩個部分，第一部分用于將光束進行準直縮束的望遠系統光路，第二部分用于所有波段成像的成像系統光路；望遠系統從光束入射方向依次包括主鏡1，次鏡2，第三反射鏡3，第四反射鏡4以及快速反射鏡5；成像系統光路依次排布包括第六反射鏡6，第七反射鏡7，第八反射鏡8，以及成像鏡組；其中，主鏡1、次鏡2、第三反射鏡3和第四反射鏡4在同一光軸上，主鏡1的反射面和次鏡2的反射面相對排布，主鏡1開有中心孔，且主鏡1和次鏡2形成卡塞格林結構形式；第三反射鏡3位于次鏡2所成的第一像面之后；第四反射鏡4位于次鏡2與第三反射鏡3之間，接收第三反射鏡3的反射光線，并將其反射至快速反射鏡5；快速反射鏡5位于望遠系統光路的光軸的上方；所述第六反射鏡6、第七反射鏡7和第八反射鏡8位于同一光軸上；第六反射鏡6接收快速反射鏡5的反射光，并將其反射至第七反射鏡7；第七反射鏡7再將光線反射至第八反射鏡8；其中，第八反射鏡8位于第六反射鏡6與第七反射鏡7之間；成像鏡組包括成像轉折平面反射鏡9和兩個探測器；成像轉折平面反射鏡9可在光路中切入和切出，通過切入和切出光路來選擇不同波段的成像探測器；探測器ii位于第八反射鏡8的焦平面上，成像轉折平面反射鏡9切出時，第八反射鏡8將光線聚焦到探測器ii上進行成像；探測器i位于成像轉折平面反射鏡9的焦平面上，當成像轉折平面反射鏡9切入時，將光線聚焦到探測器i上進行成像；探測器i和ii為響應可見光0.5～0.7μm、短波紅外0.9～1.5μm、中波紅外3～5μm和長波8～12μm四種波段中的任意兩種。該系統的工作波段為可見光0.5～0.7μm、短波0.9～1.5μm、中波3～5μm和長波8～12μm，通過切換轉折平面反射鏡9實現不同探測器探測。所有反射鏡材料為鋁、鈹或者鈹鋁。所有與反射鏡連接的結構件材料與反射鏡材料相同，使得反射鏡與結構件的膨脹系統相同，使得溫度對成像質量的影響降到最低。該光學系統的工作溫度范圍為-50℃～+60℃；第四反射鏡4和第八反射鏡8的非球面滿足如下函數：其中z為以各非球面與光軸交點為起點且平行光軸方向的軸向值，k為conic系數，c為鏡面中心曲率半徑的倒數，r為鏡面中心高度；a4、a6、a8、a10和a12為非球面系數。實施示例：以下僅是作為本發明的一個優選實例，選用的系統焦距為f＝1375mm，焦比值(f/d)為6，視場0.2°×0.2°，視場在y-z平面內偏置-1.4°。設計結果顯示對0.5～0.7μm波段光學傳遞函數在90lp/mm處大于0.4，對0.9～1.5μm波段光學傳遞函數在60lp/mm處大于0.3，對3.7～4.8μm波段光學傳遞函數在17lp/mm處大于0.3。對照圖1選取一系列較優數據如下表1、表2、表3所示。表1表面曲率半徑c(mm)conic系數k間距(mm)s1-596.7621-1-213.2251s2-248.3554-3.706397.6965s3-164.8717-0.0852-100s4-271.67700100s5infinity0-140s6203.1756-0.69599.7042s747.0546-5.133-96.9220s892.6627-0.134462.4499s9infinity-27.613成像面----表2表面a4a6a8a10s4-3.80e-0083.105e-010-5.18e-0122.848e-014s80-1.601e-011-6.96e-0154.122e-019本實施例中，非球面系數a12取0。表3上述較佳實施例中第四反射鏡4和第八成像反射鏡8采用了非球面。在本實施例的基礎上，圖2展示了本系統在0.5～0.7μm的光學傳遞函數mtf；圖3展示了本系統在0.9～1.5μm的光學傳遞函數mtf；圖4展示了本系統在3～5μm的光學傳遞函數mtf,各個波段的光學傳遞函數接近衍射極限，表明成像質量優良。綜上，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁12