CN102707413A - 一种用于星跟踪器的长焦距光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于星跟踪器的长焦距光学系统。它由马克苏托夫-卡塞格林系统和一个全透镜补偿组构成，包括一块弯月镜、主反射镜、次反射镜和三个小透镜；采用同轴结构，结构简单,安装与调试容易，稳定性好。为减小长焦距系统的色差和二级光谱，系统光焦度主要由反射镜承担，由三块小透镜构成的补偿组承担很小的光焦度，通过选择合理的玻璃材料，补偿弯月镜的色差。本发明采用折反射式的光学结构、结构简单紧凑、适用波段宽、色差和二级光谱小、畸变小、远心度高、成像质量好。与纯反射式系统相比，本发明设计的星跟踪器光学系统，结构简单、系统长度短、稳定性好、便于携带；与纯透射式系统相比，结构紧凑、色差小、二级光谱小、成像性能优。

Description

一种用于星跟踪器的长焦距光学系统

技术领域

本发明涉及一种用于白天测星的长焦距星跟踪器光学系统，特别涉及一种采用同轴折反射结构的、工作于可见近红外波段的长焦距、小视场、大口径星跟踪器光学系统。

背景技术

星跟踪器是星相机的一种，是一种可为航空控制系统提供位置信息和姿态信息的天文导航设备，是保证飞机、航天器等正常飞行的重要部件。随着航空技术的发展，对飞行器导航精度的要求越来越高，星跟踪器向着长焦距和微型化要求方向发展。

参见附图1，星跟踪器一般包括光学成像系统、探测器、机械运动装置、星像信号处理软件、电路和驱动机构等。其工作方式有两种模式：初始姿态捕获模式和跟踪模式，在大多数时间内，星跟踪器都工作于跟踪模式，对一颗导航星进行跟踪，测出星体的高度角和方位角，完成导航解算。

星跟踪器的性能与其光学系统质量密切相关。为适用于白天测星，根据2MASS星库中的数据和分析计算可知，工作波段最好在可见近红外波段，另外，为实现高精度跟踪，要求系统焦距长。即要求系统同时具有宽工作波段和长焦距性能，这两者会分别导致色差和二级光谱严重。若采用纯反射式系统，它虽具有无色差的优点，但存在中心遮拦，会损失光通量，并且，在焦距较长的情况下，微型化难度大。折射式光学系统比较容易实现高成像质量的要求，但仍存在长焦距情况下，系统筒长较长，且二级光谱严重。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种体积小、结构简单紧凑、适用波段宽、成像性能优、稳定性好的用于星跟踪器的长焦距光学系统。

本发明所采用的技术方案是：提供一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，它为折反射光学系统；沿光线入射方向，依次为弯月形球面负透镜、非球面主反射镜、非球面次反射镜、第一补偿球面负透镜、第二补偿球面负透镜和补偿球面正透镜，它们安装于同一个镜筒内；它们的焦距相对长焦距光学系统焦距的归一化值分别对应为≤f’₁、f’₂、f’₃、f’₄₁、f’₄₂和f’₄₃，满足条件-56≤f’₁≤-51、0.08≤f’₂≤0.09、-0.02≤f’₃≤-0.01、-0.01≤f’₄₁≤-0.009、-0.04≤f’₄₂≤-0.03和0.01≤f’₄₃≤0.02；所述的非球面主反射镜，其非球面系数包括四次方项e和六次方项e，满足条件2.2E-8≤e≤2.5E-8，3.9E-13≤e≤4.2E-13；所述的非球面主反射镜，其非球面系数包括四次方项e和六次方项e，满足条件7.3E-6≤e≤7.5E-6，-1.9E-9≤e≤-1.7E-9。

所述弯月形球面负透镜、第一补偿球面负透镜、第二补偿球面负透镜和补偿球面正透镜，它们所用材料的折射率依次对应为n₁、n₄₁、n₄₂、和n₄₃，满足条件1.35≤n₁≤1.55、1.25≤n₄₁≤1.45、1.33≤n₄₂≤1.53和1.37≤n₄₃≤1.65。

本发明所述的一种用于星跟踪器的长焦距光学系统的焦距f的值为998mm≤f≤1002mm；其镜筒长度L的值为79≤L≤81mm。光学系统满足像方远心成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明光学系统焦距998mm≤f≤1002mm，相应的筒长L不到焦距的十分之一，具有体积小、结构简单紧凑的特点。

2、采用本发明技术方案，光学系统满足像方远心成像，能有效提高探测精度。

3、采用同轴折反射结构，工作于可见近红外波段，具有长焦距、小视场、大口径的特点，适用波段宽、成像性能优、稳定性好。

附图说明

图1是星跟踪器跟踪模式时的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统的成像光路图；

图3是本发明实施例提供的全透镜补偿组的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统像面的光线追迹点列图；

图5是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统的能量集中度曲线；

图6是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统的场曲/像散曲线；

图7是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统的畸变曲线；

图8是本发明实施例提供的用于星跟踪器的长焦距光学系统的调制传递函数曲线。

图中：1、弯月形球面负透镜；2、主反射镜；3、次反射镜；4、全透镜补偿组；41、第一补偿球面负透镜；42、第二补偿球面负透镜；43、补偿球面正透镜；5、星跟踪器光学系统的像平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。

实施例1：

本实施例的技术方案是提供一种用于星跟踪器的长焦距微型星跟踪器光学系统，它的工作波段为0.6m～1.1m，系统F数为F/#=12.0，全视场角0.5度。

参见附图2，它是本实施例提供的用于白天测星的长焦距微型星跟踪器光学系统的成像光路图；该星跟踪器光学系统由两块反射镜和四块透镜组成，沿光线入射方向，依次为弯月形球面负透镜1，非球面的主反射镜2、非球面的次反射镜3，全透镜补偿组4，星跟踪器光学系统的像平面5位于焦平面探测器的光敏面上。

由图2可以看出，系统光栏位于次反射镜上，系统光焦度基本有两个反射镜承担，弯月形球面负透镜1可以用来补偿反射镜的球差和彗差；参见附图3，它为全透镜补偿组4的结构示意图，沿光线入射方向，依次为第一补偿球面负透镜41、第二补偿球面负透镜42和补偿球面正透镜43。全透镜补偿组4用于补偿反射镜产生的剩余像差、以及弯月镜产生的球差。同时，补偿组起到减小系统长度的作用，整个系统长度仅80mm，约为系统焦距8%。系统满足像方远心成像光路。

系统的焦距为1000mm，利用Zemax光学设计软件，对应各光学元件的优化设计结果如下：沿光线入射方向，弯月形球面负透镜1前后表面的曲率半径分别为120.25mm和117.34mm，厚度为6.00mm，折射率为1.42；非球面主反射镜2的曲率半径为-175.64mm，非球面系数四次方项e和六次方项e分别为2.39E-8和3.95E-13；非球面次反射镜3的曲率半径为-36.25mm，非球面系数四次方项e和六次方项e分别为7.45E-6和-1.8E-9；第一补偿球面负透镜41前后表面的曲率半径分别为-12.61mm和6.53mm，厚度为1.77mm，折射率为1.43；第二补偿球面负透镜42前后表面的曲率半径分别为-28.33mm和35.69mm，厚度为1.60mm，折射率为1.43；补偿球面正透镜43前后表面的曲率半径分别为17.22mm和-13.11mm，厚度为2.74mm，折射率为1.46；弯月形球面负透镜1与主反射镜2的间距为65.5mm；主反射镜2与次反射镜3的间距为-73.5mm；次反射镜3与第一补偿球面负透镜41的间距为59.5mm；第一补偿球面负透镜41与第二补偿球面负透镜42的间距为2.40mm；第二补偿球面负透镜42与补偿球面正透镜43的间距为5.65mm。

为克服传统星跟踪器白天测星困难的难题，克服反射式系统存在中心遮拦，损失光通量，且长焦距情况下微型化难度大，和透射式系统长焦距情况下色差与二级光谱严重的问题。本发明一方面根据2MSAA星表和大量统计数据，将系统工作波段设计在可见近红外波段；另一方面，采用同轴折反射式光学结构。保证系统在满足长焦距、大孔径、小体积的同时，获得良好的成像性能和实现像方远心。系统的另一个优点是具有紧凑的结构和好的稳定性，并且通过选择合适的玻璃组合，实现宽波段内消色差和长焦距校正二级光谱。

参见附图4，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即目标物经前置物镜后在其像平面上的情况。图中圆圈表示Airy斑，聚焦光斑圆度好，并且都很集中聚集在Airy斑中心，表明系统具有很好的聚焦性能。

参见附图5，它是本实施例所述的光学系统的能量集中度曲线，横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中数值，探测器像元大小为30μm×30μm，可见，系统在各视场处、单个探测器像元内的成像光束能量集中度都在80%以上。

参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的场曲/像散曲线，横坐标上对应的三组曲线分别代表三个波长的子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。每组曲线之间的距离表示对应纵坐标是某个视场处的像散值，可见最大像散值小于60m，远小于焦深，在像差容限范围内。横坐标上，每组曲线之间的间距即为位置色差，最大值小于55m，同样在像差允许范围内。

参见附图7，它是本实施例所述的光学系统的畸变曲线，横坐标是畸变数值，纵坐标表示视场。可见，最大值小于0.6%。

参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器乃奎斯特频率16lp/mm处，光学系统的传递函数值高于0.7。

实施例2

本实施例中，F数F/No.=12，工作波段为短波红外（0.6m～1.1m）全视场角0.5度，光学系统结构及成像光路参见附图2，其全透镜补偿组如附图3。

光学系统的其余参数如下：焦距1001mm，沿光线入射方向，弯月形球面负透镜1前后表面的曲率半径分别为122.15mm和118.01mm，厚度为5.80mm mm，折射率为1.42；非球面主反射镜2的曲率半径为-173.54mm，非球面系数四次方项e和六次方项e分别为2.45E-8和4.12E-13；非球面次反射镜3的曲率半径为-35.75mm，非球面系数四次方项e和六次方项e分别为7.46E-6和-1.9E-9；第一补偿球球面负透镜41前后表面的曲率半径分别为-13.01mm和5.83mm，厚度为1.64mm，折射率为1.43；第二补偿球球面负透镜42前后表面的曲率半径分别为-27.77mm和34.32mm，厚度为1.65mm，折射率为1.43；补偿球面正透镜43前后表面的曲率半径分别为18.02mm和-12.98mm，厚度为2.55mm，折射率为1.46；弯月形球面负透镜1与非球面主反射镜2的间距为63.9mm；非球面主反射镜2与非球面次反射镜3的间距为-74.2mm；非球面次反射镜3与第一补偿球球面负透镜41的间距为58.9mm；第一补偿球球面负透镜41与球面负透镜第二补偿球42的间距为2.35mm；第二补偿球球面负透镜42与补偿球面负透镜43的间距为5.48mm。

Claims (5)

1.一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，其特征在于：它为折反射光学系统；沿光线入射方向，依次为弯月形球面负透镜（1）、非球面主反射镜（2）、非球面次反射镜（3）、第一补偿球面负透镜（41）、第二补偿球面负透镜（42）和补偿球面正透镜（43），它们安装于同一个镜筒内；它们的焦距相对长焦距光学系统焦距的归一化值分别对应为≤f’₁、f’₂、f’₃、f’₄₁、f’₄₂和f’₄₃，满足条件-56≤f’₁≤-51、0.08≤f’₂≤0.09、-0.02≤f’₃≤-0.01、-0.01≤f’₄₁≤-0.009、-0.04≤f’₄₂≤-0.03和0.01≤f’₄₃≤0.02；所述的非球面主反射镜（2），其非球面系数包括四次方项e₂₄和六次方项e₂₆，满足条件2.2E-8≤e₂₄≤2.5E-8，3.9E-13≤e₂₆≤4.2E-13；所述的非球面主反射镜（3），其非球面系数包括四次方项e₃₄和六次方项e₃₆，满足条件7.3E-6≤e₃₄≤7.5E-6，-1.9E-9≤e₃₆≤-1.7E-9。

2.根据权利要求1所述的一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，其特征在于：所述弯月形球面负透镜（1）、第一补偿球面负透镜（41）、第二补偿球面负透镜（42）和补偿球面正透镜（43），它们所用材料的折射率依次对应为n₁、n₄₁、n₄₂、和n₄₃，满足条件1.35≤n₁≤1.55、1.25≤n₄₁≤1.45、1.33≤n₄₂≤1.53和1.37≤n₄₃≤1.65。

3.根据权利要求1所述的一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，其特征在于：光学系统的焦距f的为998mm≤f≤1002mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，其特征在于：光学系统的镜筒长度L，为79≤L≤81mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于星跟踪器的长焦距光学系统，其特征在于：它满足像方远心成像。

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