一种超低自身热辐射长波红外光学系统

本发明属于红外光学，涉及一种超低自身热辐射长波红外光学系统。

背景技术：

1、红外光学探测系统作为天基探测系统的重要组成部分，相比于可见光探测系统主要具有两方面的优点，一是红外光学系统通过获取红外目标的辐射特性，探测获取目标几何或材料信息，具有被动隐蔽性，而可见光目标是利用自身表面对自然光的反射，获取目标反射光信息，容易被监视的目标发现，隐蔽性差。二是当可见光监视的目标处于太阳照射的背影区，可见光探测无法继续监视；而红外探测则可以继续跟踪监视以免目标丢失，可实现全天候监视。

2、随着探测器的研制技术的发展，如积分时间提高和自身暗电流的减小等，限制红外探测系统高灵敏度的因素就主要是背景热辐射和光机系统，尤其长波波段范围内，光机系统(光学元件、镜筒、支撑筋等)向外的辐射量到达探测面上杂散辐射往往比弱信号目标的辐射量大几个量级，是不容忽视的。然而随着空间探测技术的发展，红外成像系统在空天攻防、天文观测和对地遥感等领域获得了广泛的应用。大气层外空间环境与大气层内环境存在着巨大差异，主要体现在空间环境的背景温度极低，背景辐射能量极弱。因此，在深空探测背景下，空间背景辐射极小，光学系统就成为了探测器主要的背景辐射。

3、光学系统的会导致探测目标的信噪比降低、图像的对比度变差，使得整个图像的层次减少，图像动态范围缩短，整体灰度分布不均，严重的情况下，被探测目标信号被淹没，无法识别目标信号，或者探测到假信号，可能丢失探测的目标，降低探测效率，甚至导致整个探测系统失效。

4、因此，降低光学系统水平，即降低红外光学系统自身热辐射，对提高系统信噪比、增大探测距离都起着至关重要的作用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超低自身热辐射长波红外光学系统，解决了天基红外光学探测系统信噪比低、图像对比度差、系统探测距离短的技术问题。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种超低自身热辐射长波红外光学系统，该系统包括从光线传播方向依次设置的：孔径光阑、主镜、次镜、视场光阑、三镜、四镜、窗口玻璃和像面；所述主镜、次镜、三镜和四镜形成离轴四返光学镜组；入射光经过所述孔径光阑后，经由所述离轴四返光学镜组反射，透过所述窗口玻璃后成像，在像面处接收长波红外光学系统辐射能；所述视场光阑位于所述次镜和三镜之间。

4、优选的，还包括探测器遮光罩；所述探测器遮光罩内部设置三片挡光环，挡光环的通光大小根据系统视场、f数和后工作距离决定，遮光罩的材料为铝，内表面喷吸收率为99％的消光漆；经由所述离轴四返光学镜组反射的光透过所述窗口玻璃后在所述探测器遮光罩内成像。

5、优选的，所述主镜、次镜、视场光阑、三镜和四镜的材料为铝，所述窗口玻璃的材料为锗。

6、优选的，所述主镜为阶数8次的非球面，次镜为阶数10次的非球面，三镜为阶数8次的非球面，四镜为阶数10次的非球面。

7、优选的，所述孔径光阑、主镜、次镜、视场光阑、三镜、四镜、窗口玻璃和像面的具体参数为：

8、 第面 半径mm 口径mm 间距mm 面属性 孔径光阑 1 ∞ 280 875.652 主镜 2 -2798.126 330 -825.652 反射 次镜 3 -370.959 50 100.000 反射 视场光阑 4 ∞ 99.118 透射 三镜 5 555.733 70 -301.590 反射 四镜 6 566.921 320 839.460 反射 窗口前表面 7 ∞ 40 2.500 透射 窗口后表面 8 ∞ 40 60.000 透射 像面 9 ∞  

9、所述的四个反射面非球面系数如下：

10、2面

11、k 0.6707995524274，

12、a 3.072262725891e-012，

13、b 9.255911584931e-018，

14、c -3.333816204491e-023；

15、3面

16、k 6.96947154962414，

17、a 1.89707230532036e-008，

18、b 2.63825587402921e-011，

19、c -3.317642285064e-015，

20、d 2.276398004164e-019；

21、5面

22、k -3.17968924741，

23、a 1.274319233744e-008，

24、b 1.973727422323e-013，

25、c -8.497100764667e-018；

26、6面

27、k -0.9634926244527，

28、a 6.256303291412e-010，

29、b 1.280997854323e-015，

30、c -1.965312209617e-022，

31、d 1.182048406539e-026；

32、各面自身顶点相对于孔径光阑中心坐标位置关系如下：

33、 第面 xsc ysc zsc asc bsc csc 孔径光阑 1 0 0 0 0 0 0 主镜 2 0 -205.971 875.653 0.000 0 0 次镜 3 0 -246.764 50.000 -26.711 0 0 视场光阑 4 0 -205.971 150.000 0.000 0 0 三镜 5 0 -266.171 249.118 -79.524 0 0 四镜 6 0 156.118 410.366 -112.396 0 0 窗口前表面 7 0 -327.225 35.871 -91.440 0 0 窗口后表面 8 0 -325.729 23.456 -91.440 0 0 像面 9 0 -391.063 234.881 -91.440 0 0

34、优选的，系统入瞳直径280mm，视场角1.2度，焦距840mm，波长为8.0um～12um，畸变小于1％，全视场点列图均方根直径小于25um。

35、优选的，所述主镜、次镜、三镜和四镜表面镀金膜和介质保护膜，在8.0um～12um波段镜面平均反射率>99.7％。

36、优选的，所述视场光阑前表面喷吸收为97％的消光漆，后表面镀反射率>98.5％的金膜。

37、优选的，固定所述孔径光阑、主镜、次镜、视场光阑、三镜、四镜、窗口玻璃、探测器遮光罩和像面的结构件材料均为铝。

38、本发明的有益效果是：

39、1、本系统为离轴系统，中心无遮拦，相对于同轴系统更有利于红外辐射能量的收集。

40、2、成像质量优良，在系统参数为入瞳直径280mm、视场角1.2度、焦距840mm、波长为8.0um～12um且采用离轴四反结构情况下，畸变小于0.1％，点列图均方根直径小于25um。

41、3、孔径光阑、主镜、次镜、视场光阑、三镜、四镜、探测器遮光罩和固定的结构件材料均为铝，系统为被动无热，在-50℃～70℃宽温范围内均可保证成像质量优良。

42、4、通过采用离轴四反结构、控制四片反射率反射率、加入视场光阑以及视场光阑前后表面不同的处理工艺、放置探测器遮光罩等措施，大大降低了光学系统自身热辐射水平，系统自身热辐射低至161k，对提高系统信噪比、增大探测距离都起着至关重要的作用。