大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统的制作方法
【专利摘要】本专利公开了一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，包括前向像移补偿镜、离轴三反无焦望远镜、第二折转镜、横向像移补偿镜、第三折转镜、分色片、通道一成像镜组、通道一像面、通道二成像镜组和通道二像面。整个光路以光轴为对称轴近似呈轴对称排布可有效减小航空相机摆扫时的转动惯量，无焦望远镜采用离轴三反的设计可避免中心遮挡保证相机的空间分辨率，望远镜具有实的入瞳和出瞳可以放置二维像移补偿镜。本专利具有大视场大相对口径、光路转动惯量小、结构紧凑、加工装调技术成熟等优点，可用于无人机和飞机吊舱等平台的高分辨率面阵摆扫航空光学相机中。
【专利说明】
大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统
技术领域：
[0001] 本专利属于航空光电成像技术领域，涉及一种应用于无人机、飞机吊舱等各种航 空平台的高分辨率航空光学相机，特别指一种具有二维像移补偿功能的机载大视场面阵摆 扫双通道成像仪的光学系统。
【背景技术】：
[0002] 现代航空光电成像技术的发展，要求航空相机具备在高空高速飞行的情况下获取 大视场高分辨率图像的能力。传统的大视场航空相机通常采用旋转摆镜或棱镜扫描的方 式，不仅扫描速率慢，而且体积庞大，无法适应现代无人机和机载光电吊舱等新式航空平台 的安装要求。同时高速运动中的航空相机在成像过程中由于像元曝光时间内平台处于运动 状态，会产生像移导致图像模糊，空间分辨率严重下降，这些都是在新一代航空相机光学系 统设计中需要考虑的因素。
[0003] 美国的Andrew J.Partynski和Stephen R.Beran等人在专利US 6,694B2和US 6， 374,047中公布的一种双波段侦察相机采用了面阵摆扫的设计方案，不过该相机光学系统 仅具有一维像移补偿功能，且由于采用卡塞格林系统导致光学调制传递函数(MTF)降低，同 时相机的相对口径都小于1:4;Raytheon公司的DB-110侦察相机同样采用了面阵摆扫方案， 光学系统同样为卡塞格林系统，相对口径小于1:5，而较小的相对口径和光学系统存在中心 遮拦都会造成相机系统对辐射信号的收集能力减弱和空间分辨率的下降。
【发明内容】
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[0004] 针对现有同类光学系统的不足和新一代航空相机研制的实际需求，本专利提出了 一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，该光学系统不仅可实现双通道复合 探测，且能在保证光学系统调制传递函数水平的情况下具备二维像移补偿功能，同时近似 轴对称的光路排布能有效降低摆扫的转动惯量，在满足整机摆扫的大视场高速扫描要求的 同时适应无人机、飞机吊舱等大部分新式航空平台的安装需求。
[0005] 本专利采取的技术方案是：一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系 统，由前向像移补偿镜2、离轴三反无焦望远镜3、第二折转镜4、横向像移补偿镜5、第三折转 镜6、分色片7、通道一成像镜组8、通道一像面9、通道二成像镜组10和通道二像面11等部分 组成。整个相机光学系统的光路以光轴3-5为对称轴呈近似轴对称分布，在有效减小航空相 机摆扫时的转动惯量的同时适应无人机和飞机吊舱等航空平台的安装需求;光学系统的望 远镜采用离轴三反无焦望远镜的形式，不仅具有较大的成像视场和相对口径，而且避免了 中心遮拦而使得光学系统调制传递函数能保持在较高的水平，同时后续通道模块均为平行 光入射，便于整个相机光学系统的模块化设计与集成;无焦望远镜具有实的入瞳和出瞳以 便于放置前向像移补偿镜2和横向像移补偿镜5,满足相机对于二维像移补偿的技术需求； 采用反射式望远镜的设计方案消除了色差的影响从而能够满足双光谱通道的复合探测需 求；
[0006] 所述光学系统光路以离轴主镜光轴3-5为对称轴呈近似轴对称分布，该对称轴也 作为整机摆扫时的转轴;离轴三反无焦望远镜3中较小的次镜3-2、第一折转镜3-3和望远镜 后的第二折转镜4位于光轴3-5的下侧，较大的三镜3-4位于光轴3-5的上侧，且前向像移补 偿镜2、离轴三反无焦望远镜3和第二折转镜4相对光轴3-5左右对称，通道一成像镜组8和通 道二成像镜组10分别位于光轴3-5左右两侧且安装面与光轴3-5成一定角度使得光路相对 光轴3-5上下分布；
[0007] 离轴三反无焦望远镜3采用具有中间像面的离轴三反无焦形式，其入瞳位于离轴 主镜3-1前方，出瞳位于第二折转镜4与分色片7之间，在入瞳和出瞳位置处分别放置前向像 移补偿镜2和横向像移补偿镜5，离轴三反无焦望远镜3的出瞳同时作为通道一成像镜组8和 通道二成像镜组10的入瞳，通道一成像镜组8和通道二成像镜组10的出瞳可位于最后一个 光学面与像面之间以适应红外探测通道100%冷屏效率的要求；
[0008] 通道一成像镜组8和通道二成像镜组10前续光路共用，地面目标辐射信号1先后经 过前向像移补偿镜2和离轴三反无焦望远镜3后，出射的平行光束依次经第二折转镜4、横向 像移补偿镜5和第三折转镜6,由分色片7进行光谱分光，分光后的两个光谱通道分别由通道 一成像镜组8和通道二成像镜组10成像在通道一像面9和通道二像面11上；
[0009] 前向像移补偿镜2、离轴三反无焦望远镜3、第二折转镜4、横向像移补偿镜5和第三 折转镜6等共用光路中的元件均为反射型光学器件，表面镀有宽谱段的金属反射膜，可适应 不同光谱探测通道应用；
[0010] 所述的通道一成像镜组8和通道二成像镜组10可以为可见光成像镜组、中波红外 成像镜组和长波红外成像镜组。当为中波红外成像镜组或长波红外成像镜组时，镜组的出 瞳在最后一个光学面与像面之间以适应红外探测通道100%冷屏效率的要求；
[0011] 所述的离轴三反无焦望远镜3具有实的入瞳和出瞳，次镜3-2、第一折转镜3-3位于 光轴3-5下侧，三镜3-4位于光轴3-5上侧，主镜3-1和三镜3-4分别为二次曲面反射镜，次镜 3-2为高次非球面反射镜。主镜3-1、次镜3-2和三镜3-4的材料均可以为铝合金、碳化硅、微 晶玻璃或熔石英；
[0012] 所述前向像移补偿镜2位于无焦望远镜的入瞳位置，相对相机飞行方向成45°角；
[0013] 所述横向像移补偿镜5位于无焦望远镜的出瞳位置，相对相机摆扫方向成45°角；
[0014] 所述的离轴三反无焦望远镜3由主镜3-1、次镜3-2、第一折转镜3-3和三镜3-4组 成，主镜3-1和三镜3-4为二次曲面反射镜，次镜3-2为高次非球面反射镜，主镜3-1、次镜3-2 和三镜3-4的材料均可以为铝合金、碳化硅、微晶玻璃或熔石英，并配合相应的机械结构材 料以尽量减小望远镜的热变形对光学像质的影响。
[0015] 所述通道一成像镜组8和通道二成像镜组10前续光路共用，共用光路中的元件均 为反射型光学器件，表面镀有宽谱段的金属反射膜；
[0016] 本专利的优点在于：系统具有大视场大相对口径、光路转动惯量小、结构紧凑、加 工装调技术成熟等优点，可用于无人机和飞机吊舱等平台的高分辨率面阵摆扫航空光学相 机中。
[0017] 将离轴三反望远镜引入到机载摆扫型航空光学相机设备中，使得整个光路以光轴 为对称轴近似呈轴对称分布，适应以该对称轴为整机摆扫转轴时有效减小转动惯量的构型 设计，同时确保光学系统具有较高的调制传递函数水平。所采用的离轴三反望远镜的加工 装调技术目前都比较成熟，望远镜实入瞳和实出瞳的设计既可满足设置二维像移补偿镜的 要求，同时望远镜的出瞳又作为后续光路的入瞳以适应双通道红外成像100%冷屏效率的 光学设计要求，并且望远镜的无焦设计能够使整个相机系统实现模块化的装配集成。该光 学系统适合于采用整机摆扫扫描方案的航空光学相机以及对光学包络要求严格的无人机、 机载吊舱等航空平台上安装的光学仪器的应用。
【附图说明】：
[0018]图1(a)是实施例航空相机光学系统等轴测图。
[0019]图1(b)是实施例航空相机光学系统正视图。
[0020] 图1(c)是实施例航空相机光学系统俯视图。
[0021] 图2是实施例中的离轴三反无焦望远镜正视图。
[0022] 图3是实施例中的中波红外成像光路侧视图。
[0023] 图4是实施例中的中波红外成像光路的调制传递函数曲线图。
[0024] 图5是实施例中的长波红外成像光路侧视图。
[0025] 图6是实施例中的长波红外成像光路的调制传递函数曲线图。
【具体实施方式】：
[0026] 下面结合附图和实施例对本专利的技术方案做进一步说明：
[0027] 如图1所示，本实施例所述的为一个具有二维像移补偿功能的机载大视场面阵摆 扫红外双通道成像仪光学系统，包括前向像移补偿镜、离轴三反无焦望远镜、第二折转镜、 横向像移补偿镜、第三折转镜、中波/长波分色片、中波红外通道成像镜组、中波红外像面、 长波红外通道成像镜组和长波红外像面。地面目标红外辐射信号先后经过前向像移补偿镜 和离轴三反无焦望远镜后，出射的平行光束依次经第二折转镜、横向像移补偿镜和第三折 转镜，由中波/长波分色片进行光谱分光，分光后的中波红外信号被分色片反射后由中波红 外成像镜组成像在中波红外探测器上，长波红外信号透过分色片后由长波红外成像镜组成 像在长波红外探测器上。
[0028]图2为本实施例中离轴三反无焦望远镜光路图，望远镜视场角为4° X 1.6°，口径为 120mm。其中主镜为椭球面，次镜为8次非球面，三镜为双曲面。望远镜出瞳距三镜为440mm， 有足够的空间安装像移补偿镜和折转镜。下表1为实施例中的离轴三反参数表。
[0029]表 1
[0031] 图3为本实施例中的中波红外成像光路。中波红外成像通道光谱范围3um~5um，焦 距为300mm，相对口径1:2.3，成像视场为2° X 1.6°。中波红外成像镜组由6片透镜组成，材料 为硅和锗，成像镜组的入瞳与无焦望远镜的出瞳重合，出瞳位于中波红外探测器的冷屏位 置，实现100%冷屏效率。中波红外成像镜组中加入了一块折转镜以使光路结构更加紧凑。 图4给出了中波红外成像光路的调制传递函数曲线，在空间频率301p/mm处各视场的调制传 递函数值大于〇. 55，接近衍射极限。表2为实施例中的中波红外镜组参数表。
[0032] 表 2
L 〇〇34j 图5为本买施例中的长汲红外成像元峪。长汲红外成像通道元瑨范围8um~12um， 焦距为300mm，相对口径1:2.3,成像视场为2° XI.6°。长波红外成像镜组由6片透镜组成，材 料为锗和AMTIRl，成像镜组的入瞳与无焦望远镜的出瞳重合，出瞳位于长波红外探测器的 冷屏位置，实现100%冷屏效率。图6给出了长波红外成像光路的调制传递函数曲线，在空间 频率201p/mm处各视场的调制传递函数值大于0.38,接近衍射极限。表3为实施例中的长波 红外镜组参数表。
[0035]本实施例中的分色片可反射3um~5um中波红外福射、透射8um~12um长波红外福 射，倾斜角度为42.5°。
[0036]本实施例中的光学系统光路包络为(i>320mmX700mm，可安装在具有狭长空间的无 人机载荷舱和飞机光电吊舱内，并以入射光轴为转轴进行整机摆扫实现50°以上的扫描视 场角。
[0037]表 3
【主权项】
1. 一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，包括前向像移补偿镜(2)、离 轴三反无焦望远镜(3)、第二折转镜(4)、横向像移补偿镜(5)、第三折转镜(6)、分色片(7)、 通道一成像镜组(8)、通道一像面(9)、通道二成像镜组（10)和通道二像面（11)，其特征在 于： 所述的光学系统光路以离轴主镜光轴(3-5)为对称轴呈近似轴对称分布，离轴三反无 焦望远镜(3)中的次镜(3-2)、第一折转镜(3-3)和望远镜后的第二折转镜(4)位于光轴(3- 5)的下侧，离轴三反无焦望远镜(3)中三镜(3-4)位于光轴(3-5)的上侧，且前向像移补偿镜 (2)、离轴三反无焦望远镜(3)和第二折转镜(4)相对光轴(3-5)左右对称，通道一成像镜组 (8)和通道二成像镜组(10)分别位于光轴(3-5)左右两侧且安装面与光轴(3-5)成一定角度 使得光路相对光轴(3-5)上下分布； 所述的离轴三反无焦望远镜（3)采用具有中间像面的离轴三反无焦形式，其入瞳位于 离轴主镜(3-1)前方，出瞳位于第二折转镜(4)与分色片(7)之间，在入瞳和出瞳位置处分别 放置前向像移补偿镜(2)和横向像移补偿镜(5)，离轴三反无焦望远镜(3)的出瞳同时作为 通道一成像镜组(8)和通道二成像镜组（10)的入瞳，通道一成像镜组(8)和通道二成像镜组 (10)的出瞳位于最后一个光学面与像面之间以适应红外探测通道100%冷屏效率的要求； 所述的通道一成像镜组(8)和通道二成像镜组（10)前续光路共用，地面目标辐射信号 (1)先后经过前向像移补偿镜(2)和离轴三反无焦望远镜(3)后，出射的平行光束依次经第 二折转镜(4)、横向像移补偿镜(5)和第三折转镜(6)，由分色片(7)进行光谱分光，分光后的 两个光谱通道分别由通道一成像镜组(8)和通道二成像镜组（10)成像在通道一像面(9)和 通道二像面(11)上。2. 根据权利要求1所述的一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，其特 征在于:所述的前向像移补偿镜(2)、离轴三反无焦望远镜(3)、第二折转镜(4)、横向像移补 偿镜(5)和第三折转镜(6)均为反射型光学器件，表面镀有宽谱段的金属反射膜。3. 根据权利要求1所述的一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，其特 征在于:所述的通道一成像镜组(8)和通道二成像镜组（10)为可见光成像镜组、中波红外成 像镜组或长波红外成像镜组；当为中波红外成像镜组或长波红外成像镜组时，镜组的出瞳 在最后一个光学面与像面之间以适应红外探测通道100%冷屏效率的要求。4. 根据权利要求1所述的一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，其特 征在于:所述的离轴三反无焦望远镜(3)具有实的入瞳和出瞳，主镜(3-1)和三镜(3-4)为二 次曲面反射镜，次镜(3-2)为高次非球面反射镜;主镜(3-1 )、次镜(3-2)和三镜(3-4)的材料 为铝合金、碳化硅、微晶玻璃或熔石英。5. 根据权利要求1所述的一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，其特 征在于:所述的前向像移补偿镜（2)位于离轴三反无焦望远镜(3)的入瞳位置，相对相机飞 行方向成45°角。6. 根据权利要求1所述的一种大视场摆扫二维像移补偿双通道成像仪光学系统，其特 征在于:所述的横向像移补偿镜(5)位于离轴三反无焦望远镜(3)的出瞳位置，相对相机摆 扫方向成45°角。
【文档编号】G02B17/08GK205539710SQ201620030233
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月13日
【发明人】况耀武, 舒嵘, 何志平, 亓洪兴, 侯佳
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所