CN101995643B - 一种长寿命重心定位能量探测光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命重心定位能量探测光学系统，以解决传统光学系统难以在恶劣电磁环境下长期稳定、精密工作的问题。该光学系统包括沿入射光方向依次设置于同一光路上的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜，上述六个透镜均采用耐辐照透镜，其中采用熔融石英材料制得的耐辐照透镜；并设计确定六个透镜的焦距、曲率半径和折射率。本发明尤其适用于不同空间轨道长寿命卫星应用，可达到10年以上，甚至能满足25年寿命需求、有利于系统像差的校正、具有较小的弥散斑和色偏差、对环境温度具有很好的适应性，具有比较高的透过率。

Description

一种长寿命重心定位能量探测光学系统

技术领域

本发明涉及一种长寿命重心定位能量探测光学系统，主要应用于不同空间轨道长寿命卫星、反应堆、热室及各种强放射性辐射的场合。

背景技术

目前，在航空航天领域，尤其是在高轨道卫星姿态控制方面，需要星敏感器来负责对探测器飞行路线偏差进行修正，对探测器姿态进行测量，对太阳能电池帆板和有效载荷进行指向控制，从而保证整个飞行期间的轨道稳定，并保证一定的飞行姿态。对于中高轨道的卫星，特别需要有一种能适合中高轨道10年以上，甚至能满足25年寿命需求的星敏感器光学系统，由于工作环境的苛刻要求，使得对该光学系统的精度、质量、工作寿命等要求很高，设计的技术难度相当大，并且国内尚无此类光学系统。同时由于高轨道苛刻的空间环境，普通的光学系统在经受空间粒子的长期累积辐照作用后，整个系统的透过率会快速衰减甚至不透光，使得卫星控制系统无法探测到有效的恒星目标而导致整星控制系统失效，无法为卫星系统提供长期稳定的飞行姿态控制。

实际上，此类产品还常常应用于应用于不同空间轨道长寿命卫星、反应堆、热室及各种强放射性辐射的场合；但这些现有的重心定位能量探测光学系统，要么结构复杂，至少7片镜片以上，光学玻璃品种超过三种以上；要么无法满足10年以上使用寿命。

发明内容

本发明旨在提供一种长寿命重心定位能量探测光学系统，以解决传统光学系统难以在恶劣电磁环境下长期稳定、精密工作的问题。

本发明的技术方案如下：

该光学系统包括沿入射光方向依次设置于同一光路上的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜，上述六个透镜均采用耐辐照透镜；上述六个透镜的焦距分别为：

3f′＜f₁′＜5f′，f′＜f₂′＜1.5f′，-f′＜f₃′＜-0.5f′，f′＜f₄′＜1.5f′，

1.2f′＜f₅′＜2f′，-1.5f′＜f₆′＜-f′；

其中f1′、f2′、f3′、f4′、f5′以及f6′分别为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜的焦距，所述f′为该光学系统整体焦距。

为效果更佳，上述六个透镜的折射率和透镜前后两个面的曲率半径分别是：

对于第一正透镜，

1.4＜n₁＜1.6    0.2f₁′＜R₁＜0.4f₁′    -f₁′＜R₂＜-0.5f₁′

对于第二正透镜，

1.55＜n₂＜1.7    0.5f₂′＜R₃＜f₂′      -f₂′＜R₄＜-0.5f₂′

对于第一负透镜，

1.65＜n₃＜1.8    f₃′＜R₅＜1.5f₃′      R₆＞-1.2f₃′

对于第三正透镜，

1.55＜n₄＜1.7    2f₄′＜R₇＜3f₄′       -f₄′＜R₈＜-0.5f₄′

对于第四正透镜，

1.55＜n₅＜1.7    0.3f₅′＜R₉＜0.5f₅′   f₅′＜R₁₀＜1.5f₅′

对于第二负透镜，

1.65＜n₆＜1.8    0.5f₆′＜R₁₁＜f₆′     R₁₂＜3f₆′

以上R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12依次为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜十二个面的曲率半径，n1、n2、n3、n4、n5、n6分别为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜的折射率。透镜的参数调整往往也涉及到透镜厚度。

上述第一正透镜为熔融石英材料制得的耐辐照透镜，优选JGS1熔融石英材料；其余透镜为耐辐照光学玻璃。

本发明具有以下优点：

1、超长寿命。本发明通过合理的光学设计以及光学玻璃的选择，使光学系统尤其适应空间环境长期高辐照剂量的累积辐照，可满足10年以上甚至25年使用寿命要求，可适合不同轨道不同寿命应用。

2、镜片数量少，结构紧凑。考虑到经济性和快速生产，镜片全部采用球面镜。除第一片必须用熔融石英材料外，其余镜片品种仅用了2种不同材料，比如正透镜均选择ZK509，负透镜均选择ZF504。

3、弥散斑和色偏差设计尺寸较小，能量比较集中，对环境温度具有很好的适应性，有利于整机调试。

4、具有滤光功能。对于空间摄像，往往对光谱范围提出要求，本发明尤其满足0.45～0.85μm谱段内要求透过率高，此范围外的透过率尽量的低。

5、应用本发明的光学系统结构，易于实现全视场无渐晕设计，且光学系统结构无胶合面。

附图说明

图1为本发明所提供的光学系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的光学系统点列图；

图3为本发明所提供的光学系统的几何包围圆曲线；

图4为本发明所提供的光学系统的场曲及相对畸变曲线。

具体实施方式

参见图1，本实施例为一种能适应不同轨道不同寿命需求的星敏感器光学系统，该系统包括第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、光阑4、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7。第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、光阑4、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7依次设置于同一光路8上。

为了更好的实现超长寿命，第一镜采用耐辐照性能特别好的JGS1熔融石英材料，其余镜片均采用耐辐照光学玻璃，这样光学系统可以在高能辐射(如γ射线、x射线及宇宙射线)作用下，具有一定抗辐射稳定性，整个光学系统不易着色或变暗。

为了捕获到更多暗的恒星目标，需要有大的通光孔径可提供更多的能量及信息，故在设计时采用全视场无渐晕设计。

为了避免镜头受紫外线照射而引起光学系统胶合面脱落或引起光敏胶性能逆变影响透过率，没有使用胶合面。

本发明在具体工作时，参考以下参数对第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7进行配置，使其达到更好效果：

对于第一正透镜1：

3f′＜f₁′＜5f′      1.4＜n₁＜1.6

0.2f₁′＜R₁＜0.4f₁′  -f₁′＜R₂＜-0.5f₁′

对于第二正透镜2：

f′＜f₂′＜1.5f′     1.55＜n₂＜1.7

0.5f₂′＜R₃＜f₂′     -f₂′＜R₄＜-0.5f₂′

对于第一负透镜3：

-f′＜f₃′＜-0.5f′   1.65＜n₃＜1.8

f₃′＜R₅＜1.5f₃′     R₆＞-1.2f₃′

对于第三正透镜5：

f′＜f₄′＜1.5f′     1.55＜n₄＜1.7

2f₄′＜R₇＜3f₄′      -f₄′＜R₈＜-0.5f₄′

对于第四正透镜6：

1.2f′＜f₅′＜2f′    1.55＜n₅＜1.7

0.3f₅′＜R₉＜0.5f₅′  f₅′＜R₁₀＜1.5f₅′

对于第二负透镜7：

-1.5f′＜f₆′＜-f′   1.65＜n₆＜1.8

0.5f₆′＜R₁₁＜f₆′    R₁₂＜3f₆′

在上述各个透镜的参数关系中，其中f1′、f2′、f3′、f4′、f5′以及f6′分别为第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7的焦距，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11以及R12分别为第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7十二个面的曲率半径，n1、n2、n3、n4、n5以及n6分别为第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、第三正透镜5、第四正透镜6以及第二负透镜7的折射率。

本实施例所提供的光学系统的系统焦距约49.7mm，视场角大于14.14°，入瞳口径大于42mm，全视场无渐晕，无胶合面。在500～800nm范围内，在0.8视场内集中80％能量的弥散斑直径大于17.6μm小于37μm，全视场绝对畸变绝对值小于2.6μm(相对畸变小于0.042％)；在500～800nm范围外光学系统透过率小于5％。色偏差小于1.7μm。探测能力可达到+6等星。

本实施例所提供的光学系统适宜于不同空间轨道长寿命卫星应用，可达到10年以上，甚至能满足25年寿命需求、有利于系统像差的校正、具有较小的弥散斑和色偏差、对环境温度具有很好的适应性，具有比较高的透过率。

该发明也可在反应堆、热室及各种强放射性辐射的场合下应用。

Claims (4)

1.一种长寿命重心定位能量探测光学系统，其特征在于：该光学系统包括沿入射光方向依次设置于同一光路上的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑、第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜，上述六个透镜均采用耐辐照透镜；上述六个透镜的焦距分别为：

3f′＜f₁′＜5f′，f′＜f₂′＜1.5f′，-f′＜f₃′＜-0.5f′，f′＜f₄′＜1.5f′，

1.2f′＜f₅′＜2f′，-1.5f′＜f₆′＜-f′；

其中f₁′、f₂′、f₃′、f₄′、f₅′以及f₆′分别为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜的焦距，所述f′为该光学系统整体焦距。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：六个透镜的折射率和透镜前后两个面的曲率半径分别是：

对于第一正透镜，

1.4＜n₁＜1.6   0.2f₁′＜R₁＜0.4f₁′  -f₁′＜R₂＜-0.5f₁′

对于第二正透镜，

1.55＜n₂＜1.7  0.5f₂′＜R₃＜f₂′   -f₂′＜R₄＜-0.5f₂′

对于第一负透镜，

1.65＜n₃＜1.8   f₃′＜R₅＜1.5f₃′  R₆＞-1.2f₃′

对于第三正透镜，

1.55＜n₄＜1.7  2f₄′＜R₇＜3f₄′  -f₄′＜R₈＜-0.5f₄′

对于第四正透镜，

1.55＜n₅＜1.7  0.3f₅′＜R₉＜0.5f₅′  f′₅＜R₁₀＜1.5f₅′

对于第二负透镜，

1.65＜n₆＜1.8  0.5f₆′＜R₁₁＜f₆′  R₁₂＜3f₆′

所述R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜十二个面的曲率半径，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆分别为第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜以及第二负透镜的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述第一正透镜为熔融石英材料制得的耐辐照透镜，其余透镜为耐辐照光学玻璃。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述第一正透镜为JGS1熔融石英材料制得的耐辐照透镜。

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