一種大視場擺掃二維像移補償雙通道成像儀光學系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于航空光電成像技術領域，涉及一種應用于無人機、飛機吊艙等各種航 空平臺的高分辨率航空光學相機，特別指一種具有二維像移補償功能的機載大視場面陣擺 掃雙通道成像儀的光學系統(tǒng)。
【背景技術】：
[0002] 現代航空光電成像技術的發(fā)展，要求航空相機具備在高空高速飛行的情況下獲取 大視場高分辨率圖像的能力。傳統(tǒng)的大視場航空相機通常采用旋轉擺鏡或棱鏡掃描的方 式，不僅掃描速率慢，而且體積龐大，無法適應現代無人機和機載光電吊艙等新式航空平臺 的安裝要求。同時高速運動中的航空相機在成像過程中由于像元曝光時間內平臺處于運動 狀態(tài)，會產生像移導致圖像模糊，空間分辨率嚴重下降，這些都是在新一代航空相機光學系 統(tǒng)設計中需要考慮的因素。
[0003] 美國的Andrew J.Partynski和Stephen R.Beran等人在專利US 6,694 B2和US 6， 374,047中公布的一種雙波段偵察相機采用了面陣擺掃的設計方案，不過該相機光學系統(tǒng) 僅具有一維像移補償功能，且由于采用卡塞格林系統(tǒng)導致光學調制傳遞函數(MTF)降低，同 時相機的相對口徑都小于1:4;Raytheon公司的DB-110偵察相機同樣采用了面陣擺掃方案， 光學系統(tǒng)同樣為卡塞格林系統(tǒng)，相對口徑小于1:5，而較小的相對口徑和光學系統(tǒng)存在中心 遮攔都會造成相機系統(tǒng)對輻射信號的收集能力減弱和空間分辨率的下降。
【發(fā)明內容】
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[0004] 針對現有同類光學系統(tǒng)的不足和新一代航空相機研制的實際需求，本發(fā)明提出了 一種大視場擺掃二維像移補償雙通道成像儀光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)不僅可實現雙通道復合 探測，且能在保證光學系統(tǒng)調制傳遞函數水平的情況下具備二維像移補償功能，同時近似 軸對稱的光路排布能有效降低擺掃的轉動慣量，在滿足整機擺掃的大視場高速掃描要求的 同時適應無人機、飛機吊艙等大部分新式航空平臺的安裝需求。
[0005] 本發(fā)明采取的技術方案是：一種大視場擺掃二維像移補償雙通道成像儀光學系 統(tǒng)，由前向像移補償鏡2、離軸三反無焦望遠鏡3、第二折轉鏡4、橫向像移補償鏡5、第三折轉 鏡6、分色片7、通道一成像鏡組8、通道一像面9、通道二成像鏡組10和通道二像面11等部分 組成。整個相機光學系統(tǒng)的光路以光軸3-5為對稱軸呈近似軸對稱分布，在有效減小航空相 機擺掃時的轉動慣量的同時適應無人機和飛機吊艙等航空平臺的安裝需求;光學系統(tǒng)的望 遠鏡采用離軸三反無焦望遠鏡的形式，不僅具有較大的成像視場和相對口徑，而且避免了 中心遮攔而使得光學系統(tǒng)調制傳遞函數能保持在較高的水平，同時后續(xù)通道模塊均為平行 光入射，便于整個相機光學系統(tǒng)的模塊化設計與集成;無焦望遠鏡具有實的入瞳和出瞳以 便于放置前向像移補償鏡2和橫向像移補償鏡5,滿足相機對于二維像移補償的技術需求； 采用反射式望遠鏡的設計方案消除了色差的影響從而能夠滿足雙光譜通道的復合探測需 求；
[0006] 所述光學系統(tǒng)光路以離軸主鏡光軸3-5為對稱軸呈近似軸對稱分布，該對稱軸也 作為整機擺掃時的轉軸;離軸三反無焦望遠鏡3中較小的次鏡3-2、第一折轉鏡3-3和望遠鏡 后的第二折轉鏡4位于光軸3-5的下側，較大的三鏡3-4位于光軸3-5的上側，且前向像移補 償鏡2、離軸三反無焦望遠鏡3和第二折轉鏡4相對光軸3-5左右對稱，通道一成像鏡組8和通 道二成像鏡組10分別位于光軸3-5左右兩側且安裝面與光軸3-5成一定角度使得光路相對 光軸3-5上下分布；
[0007] 離軸三反無焦望遠鏡3采用具有中間像面的離軸三反無焦形式，其入瞳位于離軸 主鏡3-1前方，出瞳位于第二折轉鏡4與分色片7之間，在入瞳和出瞳位置處分別放置前向像 移補償鏡2和橫向像移補償鏡5，離軸三反無焦望遠鏡3的出瞳同時作為通道一成像鏡組8和 通道二成像鏡組10的入瞳，通道一成像鏡組8和通道二成像鏡組10的出瞳可位于最后一個 光學面與像面之間以適應紅外探測通道100%冷屏效率的要求；
[0008] 通道一成像鏡組8和通道二成像鏡組10前續(xù)光路共用，地面目標輻射信號1先后經 過前向像移補償鏡2和離軸三反無焦望遠鏡3后，出射的平行光束依次經第二折轉鏡4、橫向 像移補償鏡5和第三折轉鏡6,由分色片7進行光譜分光，分光后的兩個光譜通道分別由通道 一成像鏡組8和通道二成像鏡組10成像在通道一像面9和通道二像面11上；
[0009] 前向像移補償鏡2、離軸三反無焦望遠鏡3、第二折轉鏡4、橫向像移補償鏡5和第三 折轉鏡6等共用光路中的元件均為反射型光學器件，表面鍍有寬譜段的金屬反射膜，可適應 不同光譜探測通道應用；
[0010] 所述的通道一成像鏡組8和通道二成像鏡組10可以為可見光成像鏡組、中波紅外 成像鏡組和長波紅外成像鏡組。當為中波紅外成像鏡組或長波紅外成像鏡組時，鏡組的出 瞳在最后一個光學面與像面之間以適應紅外探測通道100%冷屏效率的要求；
[0011] 所述的離軸三反無焦望遠鏡3具有實的入瞳和出瞳，次鏡3-2、第一折轉鏡3-3位于 光軸3-5下側，三鏡3-4位于光軸3-5上側，主鏡3-1和三鏡3-4分別為二次曲面，次鏡3-2為高 次非球面。主鏡3-1、次鏡3-2和三鏡3-4的材料均可以為鋁合金、碳化硅、微晶玻璃或熔石 英；
[0012] 所述前向像移補償鏡2位于無焦望遠鏡的入瞳位置，相對相機飛行方向成45°角；
[0013] 所述橫向像移補償鏡5位于無焦望遠鏡的出瞳位置，相對相機擺掃方向成45°角；
[0014] 所述的離軸三反無焦望遠鏡3由主鏡3-1、次鏡3-2、第一折轉鏡3-3和三鏡3-4組 成，主鏡3-1和三鏡3-4為二次曲面，次鏡3-2為高次非球面，主鏡3-1、次鏡3-2和三鏡3-4的 材料均可以為鋁合金、碳化硅、微晶玻璃或熔石英，并配合相應的機械結構材料以盡量減小 望遠鏡的熱變形對光學像質的影響
[0015] 所述通道一成像鏡組8和通道二成像鏡組10前續(xù)光路共用，共用光路中的元件均 為反射型光學器件，表面鍍有寬譜段的金屬反射膜；
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：系統(tǒng)具有大視場大相對口徑、光路轉動慣量小、結構緊湊、加 工裝調技術成熟等優(yōu)點，可用于無人機和飛機吊艙等平臺的高分辨率面陣擺掃航空光學相 機中。
[0017] 將離軸三反望遠鏡引入到機載擺掃型航空光學相機設備中，使得整個光路以光軸 為對稱軸近似呈軸對稱分布，適應以該對稱軸為整機擺掃轉軸時有效減小轉動慣量的構型 設計，同時確保光學系統(tǒng)具有較高的調制傳遞函數水平。所采用的離軸三反望遠鏡的加工 裝調技術目前都比較成熟，望遠鏡實入瞳和實出瞳的設計既可滿足設置二維像移補償鏡的 要求，同時望遠鏡的出瞳又作為后續(xù)光路的入瞳以適應雙通道紅外成像100%冷屏效率的 光學設計要求，并且望遠鏡的無焦設計能夠使整個相機系統(tǒng)實現模塊化的裝配集成。該光 學系統(tǒng)適合于采用整機擺掃掃描方案的航空光學相機以及對光學包絡要求嚴格的無人機、 機載吊艙等航空平臺上安裝的光學儀器的應用。
【附圖說明】：
[0018]圖1(a)是實施例航空相機光學系統(tǒng)等軸測圖。
[0019]圖1(b)是實施例航空相機光學系統(tǒng)正視圖。
[0020] 圖1(c)是實施例航空相機光學系統(tǒng)俯視圖。
[0021] 圖2是實施例中的離軸三反無焦望遠鏡正視圖。
[0022] 圖3是實施例中的中波紅外成像光路側視圖。
[0023] 圖4是實施例中的中波紅外成像光路的調制傳遞函數曲線圖。
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