一种共口径反射式多光谱光学系统的制作方法

本发明属于光学器件
技术领域：
，具体涉及一种共口径反射式多光谱光学系统。
背景技术：
：在工业检测和国防军事应用领域，为了在不同外界环境下快速、及时的发现超远距离目标并实现对超远目标的实时跟踪和精确测量，既要求得到目标的可见光图像，还需要得到目标的红外图像，同时对光学系统的口径提出很高的要求。可见和红外结合的多光谱光学系统其可见光能被人眼接受，观测方便，而且在夜间和微光条件下，以及在有雾或有遮挡时红外系统具有良好的烟雾、尘埃穿透能力，无昼夜限制受环境影响小等优点。而且，对于高空侦察或侦察打击型大型机载平台而言，为提高目标探测/识别能力，要求其负载的光学系统具有空间分辨率高、作用距离远、识别概率高等特点。这要求该光学系统具有极长的焦距，长焦距即意味着大口径，同时为了实现机载环境中成像的稳定，需要增加基于快速反射镜的二级稳定伺服控制，这就要求光路中必须存在平行光路，因此此类光学系统可以分为两个组成部分：1将光线准直缩束的望远镜系统；2进行成像的成像系统。目前国内外对于多光谱光学系统的研究均有涉及，为了降低设计难度，这两个光学系统通常是单独设计的、分离的，在使用时需要两个光学系统才能够实现所需功能，这会造成系统体积过大、重量太重，不能适用于高空侦察或侦察打击型机载平台。为了克服上述缺陷，申请号为201510204445.6的中国专利申请文件中公开了一种双波段共口径共光路成像光学系统，中波和长波系统通过共用主反射镜、次反射镜和准直透镜组，构成望远系统，然后分光路通过透射式成像组实现各自成像。申请号为201310248836.9的中国专利申请文件中公开了一种红外和可见光共口径共光路变焦成像光学系统，红外和可将光共用前固定组、变焦组和补偿组，然后通过棱镜分光各自通后固定组成像。上述两种专利为了实现多光谱共口径系统，都采用了或者部分采用的透射元件，这种方案中要求对透射元件在红外和可见光波段均有较高的透过率，这种材料目前常见的有多光谱zns，氟化物晶体(mgf2，caf2和baf2等)，蓝宝石等，它们价格较贵，而且一些氟化物材料具有一定水溶性，对环境湿度要求较高。另外含有透射式元件的系统对温度变化敏感，需要单独进行消热和温控设计，提高了系统成本和设计难度。而全反射式共口径光多光谱学系统由于在多波段均有很高的反射率，结构紧凑重量轻，而且具有很好的温度稳定性，具有很好的应用前景。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种共口径反射式多光谱光学系统，本发明实现了长焦距多波段光学系统共口径成像，且具有结构相对紧凑、重量轻、成像质量好、可在较宽温度下稳定工作的特点。一种共口径反射式光学系统，包括望远系统光路和成像系统光路；所述望远系统光路从光束入射方向依次包括主镜1，次镜2，第三反射镜3，第四反射镜4以及快速反射镜5；所述成像系统光路依次排布包括第六反射镜6，第七反射镜7，第八反射镜8以及成像镜组；其中，主镜1、次镜2、第三反射镜3和第四反射镜4在同一光轴上，主镜1和次镜2形成卡塞格林结构形式；第三反射镜3位于次镜2所成的第一像面之后；第四反射镜4位于次镜2与第三反射镜3之间，接收第三反射镜3的反射光线，并将其反射至快速反射镜5；快速反射镜5位于望远系统光路的光轴上方；所述第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8位于同一光轴上；第六反射镜6接收快速反射镜5的反射光，并将其反射至第七反射镜7；第七反射镜7再将光线反射至第八反射镜8；其中，第八反射镜8位于第六反射镜6与第七反射镜7之间；所述成像镜组对第八反射镜8的反射光进行接收和成像。较佳的，所述成像镜组包括成像转折平面反射镜9和两个探测器；成像转折平面反射镜9可在光路中切入和切出；探测器ii位于第八反射镜8的焦平面上；探测器i位于成像转折平面反射镜9的焦平面上；所述两个探测器为响应可见光0.5～0.7μm、短波红外0.9～1.5μm、中波红外3～5μm和长波8～12μm四种波段中的任意两种。较佳的，所述主镜1面型为抛物面，次镜2为双曲面；第三反射镜3为二次曲面；第四反射镜4为高次非球面，其出射光为平行光；第六反射镜6和第七反射镜7均为双曲面，第八反射镜8为高次非球面。较佳的，所有反射镜材料为铝、铍或铍铝。较佳的，所有与反射镜连接的结构件材料与反射镜材料相同。较佳的，所述光学系统的工作温度范围为-50℃～+60℃。本发明具有如下有益效果：1、本发明整个光路分为两个部分，第一部分用于将光束进行准直缩束的望远系统光路，第二部分为可用于所有波段成像的成像系统光路部分。望远系统光路中主镜1和次镜2为卡塞格林结构形式，主镜面型为抛物面，次镜为双曲面；通过光路折叠有效的缩减系统尺寸，采用全反射式望远系统和成像系统，减轻的系统重量，反射镜支撑和固定材料采用与镜面相同的金属，从而大大提高了系统的温度适应性和稳定性，而现有的技术中一般采用反射式和透射式元件组合实现望远系统，但是在宽波段具有高透过率的透镜材料种类稀少、昂贵且物理性质缺乏稳定性，同时透镜材料的物理性质随温度变化敏感，严重影响了成像质量。2、本发明中光学结构经过多次反射，其中，四镜设置于次镜镜与三镜之间的位置，实现望远系统光路的转折，很好的压缩了望远系统光路的长度；快速反射镜位于望远系统光轴的上方，同时，第八反射镜位于第六反射镜与第七反射镜之间，实现成像系统光路的转折，从而在宽度上压缩了系统的尺寸，使得本发明的光学系统结构紧凑；望远系统光路的4片反射镜同轴以及成像系统光路的3片反射镜同轴设置，使得本发明的系统装调更加容易；3、另外，本发明的光学系统通过对光学系统的优化，采用高次非球面，很好的校正了各种轴上及轴外像差，使其具有成像质量高的优点。附图说明图1是本发明的反射式共口径多波段光学系统的结构图；图2是本发明实施例中系统在0.5～0.7μm的光学传递函数mtf；图3是本发明实施例中系统在0.9～1.5μm的光学传递函数mtf；图4是本发明实施例中系统在3～5μm的光学传递函数mtf。其中，1-主镜、2-次镜、3-第三反射镜、4-第四反射镜、5-快速反射镜、6-第六反射镜、7-第七反射镜、8-第八反射镜、9-成像转折平面反射镜。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本发明的一种共口径反射式多光谱光学系统，如图1所示，包括两个部分，第一部分用于将光束进行准直缩束的望远系统光路，第二部分用于所有波段成像的成像系统光路；望远系统从光束入射方向依次包括主镜1，次镜2，第三反射镜3，第四反射镜4以及快速反射镜5；成像系统光路依次排布包括第六反射镜6，第七反射镜7，第八反射镜8，以及成像镜组；其中，主镜1、次镜2、第三反射镜3和第四反射镜4在同一光轴上，主镜1的反射面和次镜2的反射面相对排布，主镜1开有中心孔，且主镜1和次镜2形成卡塞格林结构形式；第三反射镜3位于次镜2所成的第一像面之后；第四反射镜4位于次镜2与第三反射镜3之间，接收第三反射镜3的反射光线，并将其反射至快速反射镜5；快速反射镜5位于望远系统光路的光轴的上方；所述第六反射镜6、第七反射镜7和第八反射镜8位于同一光轴上；第六反射镜6接收快速反射镜5的反射光，并将其反射至第七反射镜7；第七反射镜7再将光线反射至第八反射镜8；其中，第八反射镜8位于第六反射镜6与第七反射镜7之间；成像镜组包括成像转折平面反射镜9和两个探测器；成像转折平面反射镜9可在光路中切入和切出，通过切入和切出光路来选择不同波段的成像探测器；探测器ii位于第八反射镜8的焦平面上，成像转折平面反射镜9切出时，第八反射镜8将光线聚焦到探测器ii上进行成像；探测器i位于成像转折平面反射镜9的焦平面上，当成像转折平面反射镜9切入时，将光线聚焦到探测器i上进行成像；探测器i和ii为响应可见光0.5～0.7μm、短波红外0.9～1.5μm、中波红外3～5μm和长波8～12μm四种波段中的任意两种。该系统的工作波段为可见光0.5～0.7μm、短波0.9～1.5μm、中波3～5μm和长波8～12μm，通过切换转折平面反射镜9实现不同探测器探测。所有反射镜材料为铝、铍或者铍铝。所有与反射镜连接的结构件材料与反射镜材料相同，使得反射镜与结构件的膨胀系统相同，使得温度对成像质量的影响降到最低。该光学系统的工作温度范围为-50℃～+60℃；第四反射镜4和第八反射镜8的非球面满足如下函数：其中z为以各非球面与光轴交点为起点且平行光轴方向的轴向值，k为conic系数，c为镜面中心曲率半径的倒数，r为镜面中心高度；a4、a6、a8、a10和a12为非球面系数。实施示例：以下仅是作为本发明的一个优选实例，选用的系统焦距为f＝1375mm，焦比值(f/d)为6，视场0.2°×0.2°，视场在y-z平面内偏置-1.4°。设计结果显示对0.5～0.7μm波段光学传递函数在90lp/mm处大于0.4，对0.9～1.5μm波段光学传递函数在60lp/mm处大于0.3，对3.7～4.8μm波段光学传递函数在17lp/mm处大于0.3。对照图1选取一系列较优数据如下表1、表2、表3所示。表1表面曲率半径c(mm)conic系数k间距(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本实施例中，非球面系数a12取0。表3上述较佳实施例中第四反射镜4和第八成像反射镜8采用了非球面。在本实施例的基础上，图2展示了本系统在0.5～0.7μm的光学传递函数mtf；图3展示了本系统在0.9～1.5μm的光学传递函数mtf；图4展示了本系统在3～5μm的光学传递函数mtf,各个波段的光学传递函数接近衍射极限，表明成像质量优良。综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12