本發(fā)明屬于衛(wèi)星飛船等空間飛行器姿軌控分系統(tǒng)紅外地球敏感器技術(shù)領(lǐng)領(lǐng)域，涉及一種面陣靜態(tài)紅外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)，對地球14～16微米遠紅外輻射光學(xué)成像。

背景技術(shù)：

空間飛行器用面陣靜態(tài)紅外地球敏感器(紅外地球敏感器，舊稱為紅外地平儀)的紅外光學(xué)系統(tǒng)作用是對地球大氣的遠紅外輻射光學(xué)成像，波長一般為14～16微米。由于輻射能量微弱，該光學(xué)系統(tǒng)需要具備大的相對孔徑(小的F#)、少而薄的鏡片以提高能量透過率；需要比較大的視場角以提高測量范圍；需要抑制畸變，方便衛(wèi)星使用。目前國內(nèi)尚無面陣靜態(tài)紅外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)方面的專利授權(quán)，國內(nèi)公開的文獻如下：

(1)《廣角f-θ靜態(tài)紅外地平儀鏡頭的光學(xué)設(shè)計》劉英，光學(xué)精密工程，第18卷第6期，2010年6月

(2)《靜態(tài)紅外地平儀的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計》呂銀環(huán)，紅外與激光工程，第35卷第5期，2006年l0月

(3)《長波紅外地平儀的無熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》呂銀環(huán)，紅外技術(shù)，第33卷第11期，2011年11月

文獻1，利用f-θ鏡頭設(shè)計原理，選用非球面設(shè)計廣角光學(xué)系統(tǒng)，全視場角為136度，F(xiàn)數(shù)為0.61，后工作距15mm；該鏡頭由4片鏡構(gòu)成，解決了廣角鏡頭軸外像差平衡問題。文獻1設(shè)計存在如下缺點：

(1)雖然光學(xué)系統(tǒng)的F#為0.61，但是系統(tǒng)的孔徑光闌位于第三個透鏡之后，而非第一個透鏡前，系統(tǒng)的真實能量利用率過低，有效的F#僅為2.4，導(dǎo)致產(chǎn)品信噪比過低，無法滿足要求；

(2)鏡頭由4片鏡構(gòu)成，導(dǎo)致光學(xué)透過率低；

(3)雖然產(chǎn)品設(shè)計的是f-θ光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是成像的目標(biāo)是面物體而非點物體，導(dǎo)致圖像畸變過大，無法提供衛(wèi)星使用；

文獻2中，光學(xué)系統(tǒng)選用透射式2片透鏡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)焦距為27.98mm,光學(xué)口徑為30mm，F(xiàn)#＝0.9，像差滿足要求，但為了提高探測器接受的能量，敏感波段放寬到13.5～16.5微米。文獻2設(shè)計存在的缺點如下

(1)光學(xué)視場角21度，導(dǎo)致光學(xué)測量范圍小,衛(wèi)星使用受限；

(2)后工作距離過小(約7mm)，導(dǎo)致濾光片及探測器的安裝受限，探測器的熱控系統(tǒng)安裝受限；

(3)該光學(xué)系統(tǒng)分辨率低，僅能供線陣態(tài)紅外地球敏感器使用，無法供面陣靜態(tài)紅外地球敏感器使用。

文獻3中，光學(xué)系統(tǒng)選用透射式3片透鏡結(jié)構(gòu)，采用3片非球面，系統(tǒng)焦距為13.75mm,光學(xué)口徑為15.28mm，F(xiàn)#＝0.9，像差滿足要求。文獻3設(shè)計存在的缺點如下

(1)系統(tǒng)的孔徑光闌位于第2個透鏡之前，而非第一個透鏡前，系統(tǒng)的真實能量利用率過低，有效的F#為1.6；

(2)系統(tǒng)畸變8.8％，需要單獨進行圖像校正；

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種面陣靜態(tài)紅外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計保證有效F#不大于1.5，滿足產(chǎn)品信噪比要求；采用3片鏡實現(xiàn)；抑制畸變，全視場內(nèi)畸變小于0.5％，滿足衛(wèi)星使用要求；系統(tǒng)視場角大于50度，方便衛(wèi)星使用；光學(xué)系統(tǒng)后工作距離大于10mm，便于安裝濾光片及探測器及熱控系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種面陣靜態(tài)紅外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)，包括第一正光焦度彎月鏡、第二負光焦度彎月鏡、第三正光焦度彎月鏡和濾光片；孔徑光闌位于彎月鏡的有效通光邊緣，用于控制視場和雜散光；地球遠紅外輻射依次經(jīng)過第一正光焦度彎月鏡、第二負光焦度彎月鏡、第三正光焦度彎月鏡匯聚，再經(jīng)過濾光片濾波后，在探測器的像面處成像。

第一正光焦度彎月鏡、第二負光焦度彎月鏡、第三正光焦度彎月鏡、濾光片均為鍺單晶材料，第一正光焦度彎月鏡、第二負光焦度彎月鏡、第三正光焦度彎月鏡表面鍍有遠紅外增透膜。

第一正光焦度彎月鏡的面r1、面r2均為非球面，并滿足關(guān)系：

15mm<|R1|<22mm，

15mm<|R2|<22mm，

0.8<|R1/R2|<1.2，

其中，|R1|為面r1在頂點處的半徑的絕對值，|R2|為面r2在頂點處的半徑的絕對值，且第一正光焦度彎月鏡的厚度d1滿足：

3mm<d1<5mm。

第二負光焦度彎月鏡的面r3為非球面，面r4為凸球面，并滿足關(guān)系：

25mm<|R3|<35mm，

25mm<|R4|<35mm，

0.8<|R3/R4|<1.2，

其中，|R3|為面r3在頂點處的半徑的絕對值，|R4|為面r4在頂點處的半徑的絕對值，且第二負光焦度彎月鏡的厚度d3滿足：

4mm<d3<6mm。

第三正光焦度彎月鏡的面r5為非球面，面r6為凸球面，并滿足關(guān)系：

40mm<|R5|<50mm，

24mm<|R6|<32mm，

其中，|R5|為面r5在頂點處的半徑的絕對值，|R6|為面r6在頂點處的半徑的絕對值，且第三正光焦度彎月鏡的厚度d5滿足：

4mm<d5<6mm。

濾光片的面r7、面r8為平面，面r7、面r8上均鍍有多層介質(zhì)膜，構(gòu)成帶通濾光片。

第一正光焦度彎月鏡與第二負光焦度彎月鏡之間間距d2，第二負光焦度彎月鏡與第三正光焦度彎月鏡之間間距d4，并滿足：

后工作距離d6滿足：

d6>10mm。

系統(tǒng)焦距f，入瞳直徑D，光學(xué)系統(tǒng)F#＝f/D，且F#<1.5。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)光學(xué)系統(tǒng)F#不大于1.5，滿足產(chǎn)品信噪比要求；

(2)光學(xué)系統(tǒng)采用3片鏡實現(xiàn)，鏡片中的光學(xué)能量損失低；

(3)通過控制不同視場主光線像高的方式，抑制畸變，全視場內(nèi)畸變小于0.5％，滿足衛(wèi)星使用要求；

(4)系統(tǒng)視場角50度，方便衛(wèi)星使用；

(5)光學(xué)系統(tǒng)后工作距離大于10mm，便于安裝濾光片及探測器及熱控系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明中參數(shù)標(biāo)號圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)包括安裝第一正光焦度彎月鏡1，第二負光焦度彎月鏡2，第三正光焦度彎月鏡3，濾光片4?？讖焦怅@位于第一正光焦度彎月鏡1的有效通光邊緣，主要用于控制視場和雜散光。地球紅外輻射經(jīng)第一正光焦度彎月鏡1，第二負光焦度彎月鏡2，第三正光焦度彎月鏡3匯聚，再經(jīng)濾光片4濾光后，入射至探測器5成像。

第一正光焦度彎月鏡1的面r1、面r2為非球面，第二負光焦度彎月鏡2的面r3為非球面，第三正光焦度彎月鏡3的面r6為非球面，用于校正軸外像差。

實施例

本例中，第一正光焦度彎月鏡1的面r1為非球面，|R1|＝18，conic系數(shù)-0.7，四次項系數(shù)4.6E-6，六次項系數(shù)2E-8，面r2為非球面，|R2|＝18.5，conic系數(shù)0.7，四次項系數(shù)2.5E-5，六次項系數(shù)2E-8，滿足關(guān)系：

15<|R1|<22

15<|R2|<22

0.8<|R1/R2|<1.2

其中，|R1|為面r1在頂點處的半徑的絕對值，|R2|為面r2在頂點處的半徑的絕對值。

第一正光焦度彎月鏡1的厚度d1＝4，滿足關(guān)系：

3<d1<5

本例中，第二負光焦度彎月鏡2的面r3為非球面，|R3|＝28，conic系數(shù)6，四次項系數(shù)5E-6，面r4為凸球面，|R4|＝30，滿足關(guān)系：

25<|R3|<35

25<|R4|<35

0.8<|R3/R4|<1.2

其中，|R3|為面r3在頂點處的半徑的絕對值，|R4|為面r4半徑的絕對值。

第二負光焦度彎月鏡2的厚度d3＝5，滿足關(guān)系：

4<d3<6

本例中，第三正光焦度彎月鏡3的面r5為球面，|R5|＝30，r6為非球面，|R6|＝45，conic系數(shù)5，四次項系數(shù)6E-6，面r6為凸球面，|R6|＝28，并要求滿足關(guān)系：

40<|R5|<50

24<|R6|<32

其中，|R5|為面r5在頂點處的半徑的絕對值，|R6|為面r6半徑的絕對值。

第三正光焦度彎月鏡3的厚度d5＝5，滿足關(guān)系：

4<d5<6

第一正光焦度彎月鏡1與第二負光焦度彎月鏡2之間間距d2＝7，第二負光焦度彎月鏡2與第三正光焦度彎月鏡3之間間距d4＝4.8，滿足關(guān)系：

9<d2+d4<15

后工作距離d6＝12，滿足關(guān)系：

d6>10

系統(tǒng)焦距f＝19.2，入瞳直徑D＝2h＝19.2，光學(xué)系統(tǒng)F#＝f/D＝1，滿足關(guān)系：

F#<1.5

本例光學(xué)系統(tǒng)總長48mm，光路最大直徑46mm，全視場內(nèi)畸變小于0.3％，系統(tǒng)視場50度。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。