空间天文观测红外望远镜的光学系统

技术领域

本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种适用于空间天文观测低温 红外望远镜光学系统。

背景技术

随着红外探测器技术、低温光学技术以及空间制冷技术的发展，对天文观 测红外望远镜的灵敏度要求越来越高，以探测从太阳系中的彗星到宇宙边缘的 星系所发出的微弱红外信号。

空间红外天文观测望远镜可实现全天区巡天探测，探测冷暗天体目标，发 现新的行星系、褐矮星和恒星。主要用途是研究星际介质的物理和化学演化过 程，宇宙中有机分子的起源，褐矮星和系外行星系统的演化过程等。

低温红外光学系统的研制成功使得宇宙空间红外研究成为可能，天文红外 望远镜随之问世。目前光学镜头口径仅仅为300mm，而天文观测红外望远镜的 主镜一般在400mm以上有的甚至在2m以上，口径的增加将为低温镜头的加 工和光学镜头低温支撑结构的设计带来较大的难度，目前国内对于400mm以 上的较大口径低温光学技术还未开展相关研究；为了探测太阳系外甚至银河系 外的远距离的恒星或者行星，需使光学系统工作温度降到几十K甚至几K，如 此低的温度要求整个光学系统被压缩在一个低温制冷罐中进行工作。目前深低 温光学技术的研究工作才刚刚开始，为了有效的抑制系统的杂散辐射和实现不 同谱段的分光，天文望远镜的结构需要被经过多次的光路压缩，使得光路尽可 能紧凑，又不影响成像质量，最终形成复杂的二次成像系统，如此复杂的结构 形式给光学设计带来较大困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宽谱段、多 通道、可在深低温环境下工作的红外天文观测红外望远镜光学系统。

本发明的技术解决方案是：空间天文观测红外望远镜的光学系统，包括反 射式无焦主光学系统、单轴扫描镜以及后续成像光学系统，

反射式无焦主光学系统包括主镜、位于主镜一侧的次镜，以及位于主镜另 一侧的折转镜和三镜，其中主镜和次镜的中心同轴并作为反射式无焦主光学系 统的主光轴，主镜上设有一个偏心通光孔，光线依次经主镜、次镜反射后由偏 心通光孔入射至折转镜上并依次由折转镜、三镜反射至单轴扫描镜；

单轴扫描镜同时位于反射式无焦主光学系统的出瞳处以及后续成像光学系 统的入瞳处，单轴扫描镜通过一维线性扫描保证空间天文观测红外望远镜的光 学系统的瞄准线不变；单轴扫描镜将反射式无焦主光学系统的入射光线反射至 后续成像光学系统；

后续成像光学系统包括离轴反射式系统、分色片和焦平面，所述的离轴反 射式系统接收单轴扫描镜反射来的光线并对反射式无焦主光学系统的像差进行 校正，离轴反射式系统的出射光线通过一个或者多个分色片分成两个或者以上 的光谱通道分别成像至相应的焦平面上。

所述的后续成像光学系统中的离轴反射式系统至少包括两片曲面反射镜， 曲面反射镜的面型为球面或者非球面。

所述的三镜和单轴扫描镜之间还设置有多块曲面反射镜，曲面反射镜的面 型为球面或者非球面。

所述的单轴扫描镜的面型为平面。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明反射式无焦主光学系统由一个同轴两镜反射式系统和一个离轴 三镜反射式光学系统组成，形成了五镜反射式无焦主光学系统，离轴三反式光 学系统的设计补偿了同轴两镜反射式系统产生的畸变，该设计形式可有效地控 制该无焦系统在大视场范围内的畸变；

(2)本发明由于采用了五镜反射式无焦主光学系统，在压缩口径的同时， 有效地压缩了光路的体积，可有效控制系统在出瞳处的波像差，通过主、次镜 产生的中间像面处可以放置视场光阑以消除杂散光，通过控制光瞳像差可限制 单轴扫描镜的口径；

(3)本发明光学系统中采用了单轴扫描镜，当三轴稳定式平台以一定速率 旋转时，单轴扫描镜可以在每一次曝光时固定望远镜的瞄准线，以修正瞄准线 由于平台运动造成的偏移，以方便进行地面的数据处理；

(4)本发明光学系统为低温红外空间望远镜，光学系统入瞳位于主镜上， 通过三个组成部分的合理配合，对该光学系统光路进行了有效的折转和压缩， 使得整个光学系统可放入一个相当于主镜口径大小的真空罐内以实现低温成 像；由于采用了模块式的结构形式，每个模块可以独立地装调和检测，并且为 单轴扫描镜的机械结构提供了足够的空间。后续成像光学通道共用相同的视场， 一次分色片和二次分色片将光路分为3个独立成像通道，3个成像焦平面都位 于低温制冷罐的后面部分，方便了机械结构设计和电子线路的排布。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构图；

图2为本发明光学系统的反射式无焦主光学系统的结构图；

图3为本发明光学系统的后续成像光学系统的结构图。

具体实施方式

本发明光学系统主要由无焦光束压缩主光学系统和后续成像光学系统构 成，且可工作于几K到几十K、口径不大于1米的圆柱形低温制冷罐中，本发 明光学系统为低温光学系统。

如图1所示，本发明光学系统由反射式无焦主光学系统1、单轴扫描镜2、 后续成像光学系统3共同组成。其中反射式无焦主光学系统1为一个入瞳直径 为720mm，光束压缩比为7，视场角为0.8°×0.8°的无焦望远系统。根据无焦 望远系统成像原理，该系统为中间成像系统，以方便在该中间像面处放置视场 光阑来消除杂散光。单轴扫描镜2位于反射式无焦主光学系统1和后续成像光 学系统3之间，该单轴扫描镜2可以使得光学系统完成在0.8°×1.6°的观测视场 成像。后续成像光学系统3为一个视场角为5.6°×5.6°，相对孔径为1/3的三通 道成像光学系统，三个通道的中心波长分别为3.1μm、4.5μm和10μm。

如图2所示，反射式无焦主光学系统1包括主镜4、次镜5、折转镜6、三 镜7，为了压缩光路的需要，可以增加四镜8、五镜9以及更多的反射镜(数 量根据设计指标的难易程度来定)，其中主镜4、次镜5、三镜7、四镜8以及 五镜9等反射镜的表面面型均采用二次非球面或者其它非球面面型，折转镜6 的表面面型采用平面。单轴扫描镜2位于反射式无焦主光学系统1的出瞳处， 同时位于后续成像光学系统3的入瞳处。每一个焦平面都同时对0.8°×0.8°的物 方视场进行成像，当飞行器以一定的速度运行以匹配空间天文观测低温红外望 远镜的轨道速度时，单轴扫描镜2会在积分时间内以相等的速度摆动回来以固 定主光轴的对准方向，焦平面对应视场会在积分时间内从观测场的一端扫描到 另一端。

如图3所示，后续成像光学系统模块3包括折转镜10、一次反射镜11、 二次反射镜12、三次反射镜13、四次反射镜14、五次反射镜15、一次分色片 16、二次分色片17、短波焦平面18、中波焦平面19以及长波焦平面20。其 中一次反射镜11、二次反射镜12、三次反射镜13、四次反射镜14以及五次 反射镜15的表面面型采用二次非球面或者其它非球面面型，这几片反射镜组 成了一个离轴反射式光学系统。在设计时，该反射式光学系统可以考虑由高于 2片的反射镜组成(不限于此处的五片反射镜，具体数量根据设计指标的难易 程度来定)，以校正反射式无焦主光学系统模块带来的像差，并压缩光路体积； 一次分色片16和二次分色片17将整个光学系统分成三个通道成像；焦平面18 为短波红外通道成像表面，焦平面19为中波红外通道成像表面，焦平面20为 长波红外通道成像表面。

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。