一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统的制作方法

本发明涉及光学设计领域，具体涉及一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统。

背景技术：

1、空间光学相机搭载在卫星平台上，能够从空间多维的视角实现对地观测。可见光卫星图像利用物体的反射和辐射获得丰富的目标细节，虽然具有分辨率高、颜色纹理特征清晰的优点，但是易受天气干扰，在背景复杂、有云雾遮挡的情况下，会出现目标的错检、漏检；相对于可见光图像，短波红外和近红外波段图像的穿透能力较强，能够穿越云层和雾气；中波红外可以应用于下层云雾、火灾等环境监测。因此将可见、短波近红外、中波红外三波段结合的光学系统可以发挥不同波段的优势，可以全天候实现不同应用需求的探测。

2、多波段共口径光学系统可以实现多个波段要求的同时，减小相机尺寸和重量，便于轻小型化。目前的多波段共口径光学系统的研究有很多种；

3、现有专利文件1：公开号cn112180578，名称为一种可见-中波红外双波段共孔径光学系统，该系统是可见和中波红外共口径的光学系统，该系统的光学口径为350mm，包括主镜、分光元件、可见光分系统和中波红外分系统，可见光和红外分系统的镜片数量分别为17片和8片，该系统虽然可以获得较高的成像质量，但是该系统的镜片数量较多不便于系统的轻小型化，并且只有双波段，应用范围受限。

4、现有专利文件2：公开号cn108152973，名称为一种可见光与中波红外共口径复合光学系统，该系统也是可见光与中波双波段的共口径复合光学系统，该专利的入瞳直径仅有3.75mm，光学口径小，并且该双波段光学系中的可见光通道与中波红外通道同样透镜较多，双波段的波长范围较小。

5、现有专利文件3：公开号cn113900242，名称为一种多波段共光路光学系统，该系统是近红外、短波红外和中波红外的共口径系统，该光学系统共用主镜、次镜和透镜组，然后利用分光板将光线分成三个通道分别成像在三个不同像面。该专利虽然是三波段的系统，但是它的共用的透镜组中有三个镜片，其余每个通道分别为7片、4片和5片，多片透镜不利于整个系统的轻小型化，并且加工时间久、尺寸重量大、成本较高，并且该相机的光学口径同样较小。

6、综上所述，多波段共口径光学系统由于其自身存在的技术缺陷难以满足现实需求，随着空间相机需求的提高，传统空间相机在低照度条件下无法实现有效探测，只有加大相机光学口径才能实现长焦距和强集光能力。因此大口径、多波段、轻小型化的空间相机成为目前发展方向。

技术实现思路

1、本发明为解决现有共口径光学系统存在尺寸重量大、波段范围受限以及光学口径无法满足使用需求等问题，提供一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统。

2、一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，该系统包括主镜，次镜，平面反射镜和三镜；该系统还包括第一分束镜，红外透镜组，探测器冷光阑，中波红外探测器，第二分束镜，可见光探测器和短波近红外探测器；

3、所述主镜，次镜，平面反射镜和三镜为所述光学系统的可见光、短波近红外和中波红外三个通道的共光路部分；

4、所述第一分束镜与水平方向的倾角为4°，中波红外通道中红外透镜组的各镜片均设定6.5mm的偏心，使共光路部分与各通道互不干扰；

5、光束经主镜、次镜、平面反射镜和三镜反射后进入第一分束镜；

6、经第一分束镜透射的光束经红外透镜组，探测器冷光阑后经中波红外探测器接收；

7、经第一分束镜反射的光束进入第二分束镜，经所述第二分束镜透射的光束由可见光探测器接收，经所述第二分束镜反射的光束由短波近红外探测器接收。

8、本发明的有益效果：

9、1.本发明所述的光学系统中，设定第一分束镜存在一定角度，它与水平方向的倾角为4°，并且中波红外通道的所有镜片存在6.5mm的偏心，这可以保证共光路部分与各个通道不存在干扰的情况下，更好的校正光学系统的像差。

10、2.本发明所述的光学系统中，可见光通道和短波近红外通道都只有三片非球面和平面反射镜组成，结构简单。中波红外通道的透镜组中的玻璃材料只有硅和锗两种材料，这两种材料在中波3～5μm波段有较高的透过率，材料价格便宜使用广泛。中波红外通道中，设计的光学系统出瞳在探测器冷光阑上，可以实现100％匹配，提高光学系统的成像质量。

11、3.本发明所述的光学系统可以同时实现可见光、短波近红外和中波红外三个波段的成像，可以全天候实现不同应用需求的探测。

12、4.本发明所述的光学系统采用大口径、轻小型化设计。大口径设计，光学口径为600mm，获得更强集光能力，探测效果更好。该光学系统的光学长度短，镜片数量少，便于轻小型化。

13、5.本发明所述的光学系统的成像质量高。光学系统的成像质量取决于光学系统的传递特性，因此对于空间相机来说，光学传递函数mtf是评价成像质量好坏的重要指标。图5、图6和图7分别为光学系统可见光波段、短波近红外波段和中波红外的光学传递函数图，图中最上方的黑色曲线为衍射极限，可以看出不同视场下的光学传函都接近衍射极限，因此该系统可以获得高成像质量。

技术特征：

1.一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，该系统包括主镜(1)，次镜(2)，平面反射镜(3)和三镜(4)；其特征是：该系统还包括第一分束镜(5)，红外透镜组，探测器冷光阑(13)，中波红外探测器(14)，第二分束镜(15)，可见光探测器(16)和短波近红外探测器(17)；

2.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：可见光波长为0.4～0.7μm、短波近红外波长为0.7～1.7μm，中波红外波长为3～5μm。

3.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：所述主镜(1)，次镜(2)和三镜(4)均为非球面；

4.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：所述平面反射镜(3)倾斜45°，实现折叠光路使中波红外通道与可见和短波近红外通道对称的分别分布在上下两个方向。

5.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：第一分束镜(5)的材料为硅，在表面镀分光膜，使中波红外光透射，使可见光和短波近红外光均反射。

6.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：第二分束镜(15)的材料为h-k9l，在表面镀分光膜，使可见光透射，短波近红外光反射。

7.根据权利要求1所述的一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，其特征在于：红外透镜组中的各镜片的材料由硅和锗组成。

技术总结
一种大口径、三波段的轻小型空间相机光学系统，涉及光学设计领域，解决现有共口径光学系统存在尺寸重量大、波段范围受限以及光学口径无法满足使用需求等问题，该系统包括主镜，次镜，平面反射镜和三镜；该系统还包括第一分束镜，红外透镜组，探测器冷光阑，中波红外探测器，第二分束镜，可见光探测器和短波近红外探测器；主镜，次镜，平面反射镜和三镜为所述光学系统的可见光、短波近红外和中波红外三个通道的共光路部分；本发明的光学口径为600mm，获得更强集光能力，探测效果更好。可以同时实现可见光、短波近红外和中波红外三个波段的成像，可以全天候实现不同应用需求的探测。

技术研发人员：谷韵婷,吴雨生,张刘,时信华,赵珮淞
受保护的技术使用者：苏州吉天星舟空间技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11