一种面阵静态红外地球敏感器光学系统的制作方法

本发明属于卫星飞船等空间飞行器姿轨控分系统红外地球敏感器技术领领域，涉及一种面阵静态红外地球敏感器光学系统，对地球14～16微米远红外辐射光学成像。

背景技术：

空间飞行器用面阵静态红外地球敏感器(红外地球敏感器，旧称为红外地平仪)的红外光学系统作用是对地球大气的远红外辐射光学成像，波长一般为14～16微米。由于辐射能量微弱，该光学系统需要具备大的相对孔径(小的F#)、少而薄的镜片以提高能量透过率；需要比较大的视场角以提高测量范围；需要抑制畸变，方便卫星使用。目前国内尚无面阵静态红外地球敏感器光学系统方面的专利授权，国内公开的文献如下：

(1)《广角f-θ静态红外地平仪镜头的光学设计》刘英，光学精密工程，第18卷第6期，2010年6月

(2)《静态红外地平仪的光学系统优化设计》吕银环，红外与激光工程，第35卷第5期，2006年l0月

(3)《长波红外地平仪的无热化光学系统设计与实现》吕银环，红外技术，第33卷第11期，2011年11月

文献1，利用f-θ镜头设计原理，选用非球面设计广角光学系统，全视场角为136度，F数为0.61，后工作距15mm；该镜头由4片镜构成，解决了广角镜头轴外像差平衡问题。文献1设计存在如下缺点：

(1)虽然光学系统的F#为0.61，但是系统的孔径光阑位于第三个透镜之后，而非第一个透镜前，系统的真实能量利用率过低，有效的F#仅为2.4，导致产品信噪比过低，无法满足要求；

(2)镜头由4片镜构成，导致光学透过率低；

(3)虽然产品设计的是f-θ光学结构，但是成像的目标是面物体而非点物体，导致图像畸变过大，无法提供卫星使用；

文献2中，光学系统选用透射式2片透镜结构，系统焦距为27.98mm,光学口径为30mm，F#＝0.9，像差满足要求，但为了提高探测器接受的能量，敏感波段放宽到13.5～16.5微米。文献2设计存在的缺点如下

(1)光学视场角21度，导致光学测量范围小,卫星使用受限；

(2)后工作距离过小(约7mm)，导致滤光片及探测器的安装受限，探测器的热控系统安装受限；

(3)该光学系统分辨率低，仅能供线阵态红外地球敏感器使用，无法供面阵静态红外地球敏感器使用。

文献3中，光学系统选用透射式3片透镜结构，采用3片非球面，系统焦距为13.75mm,光学口径为15.28mm，F#＝0.9，像差满足要求。文献3设计存在的缺点如下

(1)系统的孔径光阑位于第2个透镜之前，而非第一个透镜前，系统的真实能量利用率过低，有效的F#为1.6；

(2)系统畸变8.8％，需要单独进行图像校正；

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种面阵静态红外地球敏感器光学系统，光学系统设计保证有效F#不大于1.5，满足产品信噪比要求；采用3片镜实现；抑制畸变，全视场内畸变小于0.5％，满足卫星使用要求；系统视场角大于50度，方便卫星使用；光学系统后工作距离大于10mm，便于安装滤光片及探测器及热控系统。

本发明的技术解决方案是：一种面阵静态红外地球敏感器光学系统，包括第一正光焦度弯月镜、第二负光焦度弯月镜、第三正光焦度弯月镜和滤光片；孔径光阑位于弯月镜的有效通光边缘，用于控制视场和杂散光；地球远红外辐射依次经过第一正光焦度弯月镜、第二负光焦度弯月镜、第三正光焦度弯月镜汇聚，再经过滤光片滤波后，在探测器的像面处成像。

第一正光焦度弯月镜、第二负光焦度弯月镜、第三正光焦度弯月镜、滤光片均为锗单晶材料，第一正光焦度弯月镜、第二负光焦度弯月镜、第三正光焦度弯月镜表面镀有远红外增透膜。

第一正光焦度弯月镜的面r1、面r2均为非球面，并满足关系：

15mm<|R1|<22mm，

15mm<|R2|<22mm，

0.8<|R1/R2|<1.2，

其中，|R1|为面r1在顶点处的半径的绝对值，|R2|为面r2在顶点处的半径的绝对值，且第一正光焦度弯月镜的厚度d1满足：

3mm<d1<5mm。

第二负光焦度弯月镜的面r3为非球面，面r4为凸球面，并满足关系：

25mm<|R3|<35mm，

25mm<|R4|<35mm，

0.8<|R3/R4|<1.2，

其中，|R3|为面r3在顶点处的半径的绝对值，|R4|为面r4在顶点处的半径的绝对值，且第二负光焦度弯月镜的厚度d3满足：

4mm<d3<6mm。

第三正光焦度弯月镜的面r5为非球面，面r6为凸球面，并满足关系：

40mm<|R5|<50mm，

24mm<|R6|<32mm，

其中，|R5|为面r5在顶点处的半径的绝对值，|R6|为面r6在顶点处的半径的绝对值，且第三正光焦度弯月镜的厚度d5满足：

4mm<d5<6mm。

滤光片的面r7、面r8为平面，面r7、面r8上均镀有多层介质膜，构成带通滤光片。

第一正光焦度弯月镜与第二负光焦度弯月镜之间间距d2，第二负光焦度弯月镜与第三正光焦度弯月镜之间间距d4，并满足：

后工作距离d6满足：

d6>10mm。

系统焦距f，入瞳直径D，光学系统F#＝f/D，且F#<1.5。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)光学系统F#不大于1.5，满足产品信噪比要求；

(2)光学系统采用3片镜实现，镜片中的光学能量损失低；

(3)通过控制不同视场主光线像高的方式，抑制畸变，全视场内畸变小于0.5％，满足卫星使用要求；

(4)系统视场角50度，方便卫星使用；

(5)光学系统后工作距离大于10mm，便于安装滤光片及探测器及热控系统。

附图说明

图1为本发明光学系统结构图；

图2为本发明中参数标号图。

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统包括安装第一正光焦度弯月镜1，第二负光焦度弯月镜2，第三正光焦度弯月镜3，滤光片4。孔径光阑位于第一正光焦度弯月镜1的有效通光边缘，主要用于控制视场和杂散光。地球红外辐射经第一正光焦度弯月镜1，第二负光焦度弯月镜2，第三正光焦度弯月镜3汇聚，再经滤光片4滤光后，入射至探测器5成像。

第一正光焦度弯月镜1的面r1、面r2为非球面，第二负光焦度弯月镜2的面r3为非球面，第三正光焦度弯月镜3的面r6为非球面，用于校正轴外像差。

实施例

本例中，第一正光焦度弯月镜1的面r1为非球面，|R1|＝18，conic系数-0.7，四次项系数4.6E-6，六次项系数2E-8，面r2为非球面，|R2|＝18.5，conic系数0.7，四次项系数2.5E-5，六次项系数2E-8，满足关系：

15<|R1|<22

15<|R2|<22

0.8<|R1/R2|<1.2

其中，|R1|为面r1在顶点处的半径的绝对值，|R2|为面r2在顶点处的半径的绝对值。

第一正光焦度弯月镜1的厚度d1＝4，满足关系：

3<d1<5

本例中，第二负光焦度弯月镜2的面r3为非球面，|R3|＝28，conic系数6，四次项系数5E-6，面r4为凸球面，|R4|＝30，满足关系：

25<|R3|<35

25<|R4|<35

0.8<|R3/R4|<1.2

其中，|R3|为面r3在顶点处的半径的绝对值，|R4|为面r4半径的绝对值。

第二负光焦度弯月镜2的厚度d3＝5，满足关系：

4<d3<6

本例中，第三正光焦度弯月镜3的面r5为球面，|R5|＝30，r6为非球面，|R6|＝45，conic系数5，四次项系数6E-6，面r6为凸球面，|R6|＝28，并要求满足关系：

40<|R5|<50

24<|R6|<32

其中，|R5|为面r5在顶点处的半径的绝对值，|R6|为面r6半径的绝对值。

第三正光焦度弯月镜3的厚度d5＝5，满足关系：

4<d5<6

第一正光焦度弯月镜1与第二负光焦度弯月镜2之间间距d2＝7，第二负光焦度弯月镜2与第三正光焦度弯月镜3之间间距d4＝4.8，满足关系：

9<d2+d4<15

后工作距离d6＝12，满足关系：

d6>10

系统焦距f＝19.2，入瞳直径D＝2h＝19.2，光学系统F#＝f/D＝1，满足关系：

F#<1.5

本例光学系统总长48mm，光路最大直径46mm，全视场内畸变小于0.3％，系统视场50度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。