一种高分辨率可见光中波红外双波段光学成像系统的制作方法

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种高分辨率可见光中波红外双波段光学成像系统,尤其适合搭载在微小卫星上对地观测凝视成像。

背景技术：

高分辨率遥感卫星是获取地理空间信息最主要的装备，它能带来巨大的经济效益。高分辨率遥感卫星是进行全球范围监视、侦察和测绘的基本设施，是确保其信息优势的基础。作为卫星遥感的重要组成部分，对地遥感技术是人类从宏观上全方位了解地球、监测地球的重要手段。高分辨率成像系统已经成为当前对地遥感技术发展的主要趋势之一。在民用领域，高分辨率遥感图像发挥着重要的作用。

除此之外，信息获取手段朝着更加精确、实时、全天时方向发展。由于可见光相机不能实现全天候观测，需要把红外相机和可见光相机配套使用，以实现不同的用途。因此，研究高分辨率的红外相机也逐渐成为是对地遥感的关键技术。

申请号为2016620312515.x的中国专利申请公开了一种可见光_红外双波段共口径长焦光学系统，该光学系统有可见光(0.4um-0.7um)和中波红外(3.7um-4.8um)两个波段，可见光系统全视场为0.28°，焦距1200mm，中波系统全视场0.7°，焦距1000mm。因此整个系统的分辨率较低，只适用于航空机载设备，无法满足航天高分辨率宽幅成像的要求。

而且近几年，小卫星逐渐朝着轻量化、小型化和高功能密度的方向发展。这样带来的最直接的效果是实用性增强，成本降低。因此现有成像系统的结构无法满足在小卫星上搭载使用。

技术实现要素：

为了解决现有的双波段光学系统对目标的识别能力较低、系统的体积较大无法满足在小卫星上搭载使用的问题。本发明提出了一种高分辨率可见光中波红外双波段光学成像系统，可搭载在小卫星上，具有可见光和红外两种波段的观测能力，且充分做到小型化和轻量化的高分辨率航天遥感凝视成像系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种高分辨率可见光中波红外双波段光学成像系统，包括第一反射镜、第二反射镜、分光元件，所述第一反射镜中心设置有通孔；其特殊之处在于：

还包括可见光透镜组、可见光探测器、中波红外透镜组及中波红外制冷型探测器；所述可见光透镜组包括依次设置的光焦度为正的第一球面透镜、光焦度为负第二球面透镜、光焦度为正第三球面透镜及光焦度为正第四球面透镜；所述中波红外透镜组包括依次设置的第一折轴反射镜、第一透镜组、第二折轴反射镜及第二透镜组；所述第一透镜组包括依次设置的光焦度为负的第五球面透镜、光焦度为正的第六非球面透镜、光焦度为负的第七球面透镜；所述第二透镜组包括依次设置的光焦度为负的第八非球面透镜、光焦度为正的第九球面透镜；上述第一反射镜、第二反射镜位于分光元件的同一侧，来自物方的光束依次由第一反射镜、第二反射镜反射后，经分光元件分成可见光束和中波红外光束；可见光束依次经过第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜透射后，到达所述可见光探测器的靶面；中波红外光束依次经过第一折轴反射镜反射、第一透镜组透射、第二折轴反射镜反射、第二透镜组透射后，到达中波红外制冷型探测器的靶面；经过第一折轴反射镜和第二折轴反射镜的作用，中波红外光束传播方向改变180度。

进一步地，上述第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜的材质分别为h-zf6、h-lak7、h-lak3、h-zf10；所述第五球面透镜、第六非球面透镜、第七球面透镜、第八非球面透镜、第九球面透镜的材质分别为硅材料、锗材料、硅材料、锗材料、硅材料。

进一步地，上述分光元件与入射光束呈45度设置，第一折轴反射镜、第二折轴反射镜均与光轴呈45度设置。

进一步地，可见光透镜组为可见光分系统，

该系统的技术指标为：波段为400nm-800nm，全视场为0.82°，可见光系统焦距3056mm，探测器像元大小4.5um，卫星平台轨道高度500km，则可见光系统的对地分辨率可到0.74m；

中波红外透镜组为中波红外分系统，该系统的技术指标为：波段为3700nm-4800nm，全视场为1.08°，红外光波段焦距为1300mm，f数为5，中波红外探测器像元大小15um，卫星平台轨道高度500km，则中波红外系统的对地分辨率可到5.76m。

进一步地，分光元件为光谱分光镜，采用硅材料的平面镜，厚度10mm，其反射可见光束，透过中波红外光束。

进一步地，上述第一反射镜、第二反射镜均为双曲面反射镜，材料为微晶玻璃，第一反射镜中心通孔的直径小于第二反射镜的直径；

第一反射镜的曲率半径为-894.67mm，厚度为30mm，非球面系数为-1.03；

第二反射镜的曲率半径为-224.63mm，厚度为15mm，非球面系数为-1。

进一步地，第一球面透镜的厚度为9.67mm，前表面的曲率半径为55.38mm，后表面的曲率半径为47.29mm；第二球面透镜的厚度12.23mm，前表面的曲率半径为62.60mm，，后表面的曲率半径为166.69mm；第三球面透镜的厚度10mm，前表面的曲率半径为-361.89mm，后表面的曲率半径为65.13mm；第四球面透镜的厚度10mm，前表面的曲率半径为-37.50mm，其后表面的曲率半径为-43.23mm。

进一步地，第五球面透镜的厚度22.62mm，前表面的曲率半径为69.39mm，后表面的曲率半径为78.31mm；第六非球面透镜的厚度为20mm，前表面为非球面，曲率半径为837.87mm，非球面系数为k＝0，a＝5.18e-8，b＝1.48e-12，c＝3.3e-15，其后表面的曲率半径为-672.00mm；第七球面透镜的厚度20mm，前表面的曲率半径为-189.32mm，其后表面为一平面；第八非球面透镜的厚度10mm，前表面为非球面，曲率半径为28.60mm，非球面系数为k＝0，a＝-7.57e-7，b＝-8.14e-10，c＝-2.05e-12，其后表面的曲率半径为18.86mm；第九球面透镜的厚度9.14mm，前表面的曲率半径为-78.28mm，其后表面的曲率半径为-45.40mm。

进一步地，第一反射镜与第二反射镜的间隔为352.85mm，第二反射镜与光谱分光镜的间隔为472.9mm，光谱分光镜与第一球面透镜前表面的间隔为39.94mm，第一球面透镜后表面与第二球面透镜前表面的间隔为7.05mm，第二球面透镜后表面与第三球面透镜前表面的间隔为6.76mm；第三球面透镜后表面与第四球面透镜前表面的间隔为10.54mm；第四球面透镜后表面与可见光探测器的间隔为20mm；第一折轴折轴反射镜与第五球面透镜前表面的间隔为79.16mm；第五球面透镜后表面与第六非球面透镜前表面的间隔为2mm；第六非球面透镜后表面与第七球面透镜前表面的间隔为3mm；第七球面透镜后表面与第二折轴反射镜的间隔为60mm；第二折轴反射镜与第八非球面透镜前表面的间隔为40mm；第八非球面透镜后表面与第九球面透镜前表面的间隔为25.21mm；第九球面透镜后表面与中波红外制冷型探测器的间隔为12mm。

进一步地，第二透镜组的出射光线到达中波红外制冷型探测器窗口，再通过中波红外制冷型探测器冷屏后，最后到达中波红外制冷型探测器靶面。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的成像系统中分光元件将入射光束分成两路，可有效地将可见光束与中波红外光束分离，分别进入可见光透镜组和中波红外透镜组，有效减小可见光系统的热辐射对红外系统的影响，中波红外制冷型探测器使得中波红外波段具有更高的信噪比；以及第一折轴反射镜、第二折轴反射镜对光路进行了折转，有效减少了系统的横向尺寸，同时两波段共用第一反射镜和第二反射镜，大大减轻了整机的重量，整个系统结构紧凑，装配简单，两个波段范围内成像质量均接近衍射极限，可应用于微小卫星载荷，具备低成本、高分辨率全天时对地观测的特点；

通过各个透镜的设置分别对可见光及红外波段进行像差校正，使得系统在两个波段均能有良好的像质，可见光波段焦距3056mm，视场0.82°(对角线)，中波红外焦距1300mm，视场1.08°(对角线)，对目标的识别能力较高，能够满足航天星载设备发展需求。

2、第一反射镜、第二反射镜位于分光元件的同一侧，可减小分光镜的尺寸。

附图说明

图1为本发明光学成像系统的结构示意图；

图2为本发明光学成像系统的可见光波段光学系统原理示意图；

图3为本发明光学成像系统的中波红外波段光学系统原理示意图；

图4为本发明光学成像系统的可见光波段光学系统调制传递函数(mtf)示意图；

图5为本发明光学成像系统的中波红外波段光学系统调制传递函数(mtf)示意图；

图6为本发明光学成像系统的可见光波段光学系统场曲畸变曲线；

图7为本发明光学成像系统的中波红外波段光学系统场曲畸变曲线。

图中各标号的说明如下：

1-第一反射镜，2-第二反射镜，3-分光元件，4-第一球面透镜，5-第二球面透镜，6-第三球面透镜，7-第四球面透镜，8-可见光探测器，9-第一折轴反射镜，10-第五球面透镜，11-第六非球面透镜，12-第七球面透镜，13-第二折轴反射镜，14-第八非球面透镜，15-第九球面透镜，16-中波红外制冷型探测器冷屏(光栏)，17-中波红外制冷型探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种可搭载在小卫星上，具有可见光和红外两种波段的观测能力，且充分做到小型化和轻量化的高分辨率航天遥感凝视成像系统。该系统可见光波段焦距3056mm，视场0.82°(对角线)，中波红外焦距1300mm，视场1.08°(对角线)，考虑了100％冷屏匹配，搭配制冷型探测器使用，使得中波红外波段具有更高的信噪比。整个系统结构紧凑，装配简单，两个波段范围内成像质量均接近衍射极限，可应用于微小卫星载荷，具备低成本、高分辨率全天时对地观测的特点。

如图1至图3所示，一种高分辨率可见光中波红外双波段光学成像系统，包括第一反射镜1、第二反射镜2、分光元件3、可见光透镜组、可见光探测器8、中波红外透镜组及中波红外制冷型探测器17。

第一反射镜1、第二反射镜2均为双曲面反射镜，材料为微晶玻璃，第一反射镜1中心设置有通孔，通孔的直径小于第二反射镜2的直径。

可见光透镜组包括依次设置的光焦度为正的第一球面透镜4、光焦度为负第二球面透镜5、光焦度为正第三球面透镜6及光焦度为正第四球面透镜7。

中波红外透镜组包括依次设置的第一折轴反射镜9、第一透镜组、第二折轴反射镜13及第二透镜组；第一透镜组包括依次设置的光焦度为负的第五球面透镜10、光焦度为正的第六非球面透镜11、光焦度为负的第七球面透镜12；第二透镜组包括依次设置的光焦度为负的第八非球面透镜14、光焦度为正的第九球面透镜15；经过第一折轴反射镜9和第二折轴反射镜13的作用，中波红外光束传播方向改变180度。

来自物方的光束依次由第一反射镜1、第二反射镜2反射后，经过分光元件3，分光元件3与入射光束呈45度设置，反射可见光束，透射中波红外光束，可见光束依次经过第一球面透镜4、第二球面透镜5、第三球面透镜6、第四球面透镜7透射后，到达所述可见光探测器8的靶面；中波红外光束依次经过第一折轴反射镜9反射反射，中波红外光束折转90度，经过第一透镜组透射后，到达第二折轴反射镜13，经第二折轴反射镜13反射，中波红外光束再折转90度，经第二透镜组透射后，到达中波红外制冷型探测器17窗口，再经过中波红外制冷型探测器冷屏16(光栏)后，最后到达中波红外制冷型探测器17靶面。

第一球面透镜4、第二球面透镜5、第三球面透镜6、第四球面透镜7的材质分别为h-zf6、h-lak7、h-lak3、h-zf10；第五球面透镜10、第六非球面透镜11、第七球面透镜12、第八非球面透镜14、第九球面透镜15的材质分别为硅材料、锗材料、硅材料、锗材料、硅材料。

本发明中的光学系统双波段光束共用第一反射镜1、第二反射镜2，有效减轻整机系统的重量；第一反射镜1、第二反射镜2位于分光元件3的同一侧，可有效减小分光镜的尺寸；分光元件3与入射光束呈45度设置，分光元件3为光谱分光镜，采用硅材料的平面镜，厚度10mm，其反射可见光束，透过中波红外光束，可以有效地将可见光束与中波光束分离，有效减小可见光系统的热辐射对中波系统的影响；第一折轴反射镜9、第二折轴反射镜13均与光轴呈45度设置，同时由于中波红外分系统与中波红外制冷型探测器17匹配使用，光学系统结构采用二次成像型式，光束较长，加入两个折轴反射镜后，对光束进行了折转，有效减少了系统的横向尺寸。

本实施例中可见光透镜组为可见光分系统，

该系统的技术指标为：波段为400nm-800nm，全视场为0.82°，可见光系统焦距3056mm，探测器像元大小4.5um，卫星平台轨道高度500km，则可见光系统的对地分辨率可到0.74m；中波红外透镜组为中波红外分系统，该系统的技术指标为：波段为3700nm-4800nm，全视场为1.08°，红外光波段焦距为1300mm，f数为5，中波红外探测器像元大小15um，卫星平台轨道高度500km，则中波红外系统的对地分辨率可到5.76m。

在本实施例中，第一反射镜1的曲率半径为-894.67mm，厚度为30mm，非球面系数为-1.03；第二反射镜2的曲率半径为-224.63mm，厚度为15mm，非球面系数为-1，第一球面透镜4的厚度为9.67mm，前表面的曲率半径为55.38mm，后表面的曲率半径为47.29mm；第二球面透镜5的厚度12.23mm，前表面的曲率半径为62.60mm，，后表面的曲率半径为166.69mm；第三球面透镜6的厚度10mm，前表面的曲率半径为-361.89mm，后表面的曲率半径为65.13mm；第四球面透镜7的厚度10mm，前表面的曲率半径为-37.50mm，其后表面的曲率半径为-43.23mm，第五球面透镜10的厚度22.62mm，前表面的曲率半径为69.39mm，后表面的曲率半径为78.31mm；第六非球面透镜11的厚度为20mm，前表面为非球面，曲率半径为837.87mm，非球面系数为k＝0，a＝5.18e-8，b＝1.48e-12，c＝3.3e-15，其后表面的曲率半径为-672.00mm；第七球面透镜12的厚度20mm，前表面的曲率半径为-189.32mm，其后表面为一平面；第八非球面透镜14的厚度10mm，前表面为非球面，曲率半径为28.60mm，非球面系数为k＝0，a＝-7.57e-7，b＝-8.14e-10，c＝-2.05e-12，其后表面的曲率半径为18.86mm；第九球面透镜15的厚度9.14mm，前表面的曲率半径为-78.28mm，其后表面的曲率半径为-45.40mm。

中波红外分系统中，光栏1与中波红外制冷型探测器17的冷光阑重合。第六非球面透镜11、第八非球面透镜14的前表面采用非球面，非球面采用codev软件中的asphere面型，方程为

其中，c为曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，a为四阶非球面系数，b为六阶非球面系数，c为八阶非球面系数，d为十阶非球面系数。

为了减小本光学系统的整机系统尺寸以及提高分辨率，本实施例中合理平衡了各光学元件的光焦度分布，如表1所示，给出了该光学系统的一组具体参数，单位为mm。

表1

如图1所示，第二反射镜2的前表面与光谱分光镜的水平距离为472.9mm；第二反射镜2的后表面与第一折轴反射镜9的水平距离为568mm；第二反射镜2的后表面与第一透镜组右端面的水平距离为613mm，第一折轴反射镜9与第二折轴反射镜13的间隔为284.6mm，第二折轴反射镜13的上端面与第一反射镜下端面的间隔为464.3mm。

可见光系统焦距3056mm，探测器像元大小4.5um，卫星平台轨道高度500km，则可见光系统的对地分辨率可到0.74m。

中波红外系统焦距1300mm，探测器像元大小15um，卫星平台轨道高度500km，则中波红外系统的对地分辨率可到5.76m。

如图4所示，为该光学系统在可见光波段的调制传递函数曲线，所适配的分辨率为，像元大小为4.5um的ccd传感器所对应的空间频率为110lp/mm时，系统传递函数最低值在边缘视场大于0.19，接近衍射极限，表明光学系统在可见光波段成像优良。

如图5所示，为该光学系统在中波红外波段的调制传递函数曲线，和所适配的分辨率为1280*1024，像元大小为15um的中波红外制冷探测器对应的空间分辨率为33lp/mm，系统传递函数最低值在边缘视场大于0.18，接近衍射极限，表明光学系统在中波红外波段成像优良。

如图6所示，为该光学系统在可见光波段的场曲畸变图，由图可见，光学系统的畸变小于0.6％，表明系统成像优良，满足设计要求。

如图7所示，为该光学系统在中波红外波段的场曲畸变图，由图可见，光学系统的畸变小于2％，表明系统成像优良，满足设计要求。

该光学系统可应用于微小卫星载荷，具备低成本、高分辨率全天时对地观测的特点。采取前段共用r-c反射系统，后端分光分别进行成像的方式，实现可见光中波红外一体化设计，能够在高分辨率成像的情况下，达到系统的小型化和轻量化。