CN103969795B - 空间目标成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间目标成像光学系统，属于空间成像技术领域。解决了现有技术中空间目标成像光学系统运动部件多、可靠性差、质量大、结构繁琐的技术问题。本发明的光学系统包括从左至右沿同一光轴依次设置的第一透镜、第一透镜组、光阑和第二透镜组，其中，第一透镜的左表面为球面，右表面为高次非球面，第一透镜的材料为熔融石英；高次非球面的非球面系数满足下列公式：其中：z是透镜在光轴方向上的矢高，c是顶点曲率，k是二次曲线常数，y是轴向距离，非球面系数D，E，F，G至少一个不为零。本发明的光学系统在保证大视场的前提下，具有大相对孔径，畸变值小，系统可靠性强，且体积小、质量轻。

Description

空间目标成像光学系统

技术领域

本发明提供一种空间目标成像光学系统，属于空间成像技术领域。

背景技术

小视场空间目标成像光学系统存在成像范围小的问题，所以需要扩大其目标成像范围。现有技术中，通常以加前置扫描镜的方式扩大目标成像范围，该系统虽然起到了扩大目标成像范围的作用，但由于增加了前置扫描镜，导致系统运动部件多，可靠性差。

此外，空间目标成像光学系统的工作环境恶劣，容易受到冲击和振动，造成光学系统内部光学元件发热，进而导致成像质量差。现有技术中，通常采用在光学系统前额外设置保护窗口进行被动热控来解决这一问题，但这种光学系统质量大、体积大，为工程应用带来不便。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中空间目标成像光学系统运动部件多、可靠性差、质量大、体积大的技术问题，提供一种空间目标成像光学系统。

本发明的空间目标成像光学系统包括从左至右沿同一光轴依次设置的第一透镜、第一透镜组、光阑和第二透镜组；

所述第一透镜的左表面为球面，右表面为高次非球面，第一透镜的材料为熔融石英；

所述高次非球面的非球面系数满足下列公式：

其中：z是透镜在光轴方向上的矢高，c是顶点曲率，k是二次曲线常数，y是轴向距离，非球面系数D，E，F，G至少一个不为零；

所述第一透镜组降低入射光线的出射角；

所述第二透镜组对第一透镜组的像差进行校正。

进一步的，所述第一透镜组为反摄远物镜结构。

进一步的，所述第一透镜组包括从左至右沿同一光轴设置的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第二透镜为平凹透镜，第二透镜的右表面为凹面；所述第三透镜和第四透镜均为弯月透镜，第三透镜和第四透镜的左表面为凹面；所述第五透镜和第六透镜均为正透镜。

进一步的，所述第二透镜组为倒置的显微物镜结构。

进一步的，所述第二透镜组包括从左至右沿同一光轴设置的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；所述第七透镜和第八透镜为双胶合透镜，第七透镜为负透镜，第八透镜为正透镜；所述第九透镜具有滤光片作用；所述第十透镜与第十一透镜为双胶合透镜，第十透镜为正透镜，第十一透镜为负透镜。

进一步的，所述第七透镜的材料为TF₃，第八透镜的材料为CaF₂。

进一步的，所述第十透镜的材料为CaF₂，第十一透镜的材料为TF₃。

进一步的，所述第九透镜的材料为熔融石英。

本发明的有益效果：

(1)本发明的空间目标成像光学系统采用的窗口透镜既起到保护窗口的作用，又具备像差校正的作用；

(2)本发明光学系统在保证大视场的前提下，无需外加前置扫描镜，减少了系统运动部件，提高了系统可靠性，且无需外加保护窗口，保证系统体积小、质量轻；

(3)本发明的系统具有大相对孔径，有效保障了系统的探测概率与信噪比，且系统畸变值小，有利于图像判读。

附图说明

图1为本发明实施例的空间目标成像光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的空间目标成像光学系统的像面照度曲线；

图3为本发明实施例的空间目标成像光学系统在400nm-800nm工作谱段的传递函数曲线；

图4为本发明实施例的空间目标成像光学系统的几何畸变曲线；

图1中：L1、第一透镜，L2、第二透镜，L3、第三透镜，L4、第四透镜，L5、第五透镜，L6、第六透镜，L7、第七透镜，L8、第八透镜，L9、第九透镜，L10、第十透镜，L11、第十一透镜。

具体实施方式

下面结合图1-4进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的空间目标成像光学系统包括从左至右沿同一光轴依次设置的第一透镜L1、第一透镜组、光阑和第二透镜组。其中，第一透镜L1既起到了保护窗口的作用，又起到了校正系统像差的作用，兼具保护窗口与像差校正能力，第一透镜的左表面S1为球面，右表面S2为高次非球面，第一透镜的材料为熔融石英；高次非球面的非球面系数满足下列公式：

其中：z是透镜在光轴方向上的矢高，c是透镜的曲率，k是二次常数，y是轴向距离，非球面系数D，E，F，G中至少一个不为零。第一透镜组能够降低入射光线的出射角，第一透镜组通常为反摄远物镜结构。第二透镜组对第一透镜组的像差进行校正，第二透镜组通常为倒置显微镜结构，第二透镜组物面为光学系统焦面，像面靠近光阑。

本发明空间目标成像光学系统的光路走向是：入射光线依次经第一透镜L1、第一透镜组、光阑和第二透镜组成像到像面上。

第一透镜组可以包括从左至右沿同一光轴依次设置的第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6；第二透镜L2为平凹透镜，第二透镜L2的右表面为凹面，第三透镜L3和第四透镜L4均为弯月透镜，第三透镜L3和第四透镜L4的左表面均为凹面；第五透镜L5和第六透镜L6均为正透镜。

第二透镜组可以包括从左至右沿同一光轴依次设置的第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11；第七透镜L7和第八透镜L8为双胶合透镜，第七透镜L7为负透镜，材料为TF₃，第八透镜L8为正透镜，材料为CaF₂；第九透镜L9为小光焦度透镜，材料为熔融石英，第九透镜L9具有滤光片作用，第十透镜L10与第十一透镜L11为双胶合透镜，第十透镜L11为透镜，材料为CaF₂，第十一透镜L11为负透镜，材料为TF₃；第七透镜L7和第八透镜L8具有对色差和二级光谱的校正作用，第十透镜L10和第十一透镜L11具有对色差和二级光谱的校正作用。

第一透镜组组成反摄远结构，将大入射角光线降低入射角后进入后续系统进行校正。第二透镜组联合形成消色差显微结构，完成对第一透镜组残余像差的校正。

实施例

表1为空间目标成像光学系统的结构参数

表1中，S1为第一透镜L1的左表面；S2为第一透镜L1的右表面；S3为第二透镜L2的左表面；S4为第二透镜L2的右表面；S5为第三透镜L3的左表面；S6为第三透镜L3的右表面；S7为第四透镜L4的左表面；S8为第四透镜L4的右表面；S9为第五透镜L5的左表面；S10为第五透镜L5的右表面；S11为第六透镜L6的左表面；S12为第六透镜L6的右表面；S13为第七透镜L7的左表面；S14为第七透镜L7的右表面，亦为第八透镜L8的左表面；S15为第八透镜L8的右表面；S16为第九透镜L9的左表面；S17为第九透镜L9的右表面；S18为第十透镜L10的左表面；S19为第十透镜L10的右表面，亦为第十一透镜L11的左表面；S20为第十一透镜L11的右表面。

表2第一透镜L1的右表面S2的非球面参数

面序号	K	D	E	F	G
						S2	-0.5050	0	-1.8681e-008	5.3431e-011	-1.9581e-013

本实施例的空间目标成像光学系统的像质接近衍射极限，全视场最低调制传递函数(MTF)＞0.78@50lp/mm。

本实施例的空间目标成像光学系统的焦距为8mm，相对孔径1:3.5。

图2为本实施例光学系统像面照度曲线，从图2可以看出，视场边缘照度可实现0.91，说明该系统像面照度好，在大视场广角系统中表现优秀。

图3为本实施例光学系统在400nm-800nm工作谱段的传递函数曲线，图中给出了0视场，0.5视场，0.7视场与1视场的子午与弧矢传递函数曲线；其中所选特征波长为400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，波长权重分别为3，4，5，4，3，图3表明在特征频率50lp/mm时，光学系统的最低传递函数为45°视场的子午传函，为0.78。从图3可以看出，系统有很好的成像质量，能够满足空间目标成像的需求。

图4为本实施例光学系统几何畸变曲线，从图4可以看出，光学系统最大畸变为-2％，中心视场区域畸变很小，系统表现优秀。

显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.空间目标成像光学系统，其特征在于，该空间目标成像光学系统为定焦光学系统，包括从左至右沿同一光轴依次设置的第一透镜、第一透镜组、光阑和第二透镜组；

所述第一透镜的左表面为球面，右表面为高次非球面，第一透镜的材料为熔融石英；

所述高次非球面的非球面系数满足下列公式：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+{\[1-(1+k)c^2{y}^2\]}^{1/2}}+{\mathrm{Dy}}^4+{\mathrm{Ey}}^6+{\mathrm{Fy}}^8+{\mathrm{Gy}}^{10}$

其中：z是透镜在光轴方向上的矢高，c是顶点曲率，k是二次曲线常数，y是轴向距离，非球面系数D，E，F，G至少一个不为零；

所述第一透镜组降低入射光线的出射角；

所述第二透镜组对第一透镜组进行像差校正。

2.根据权利要求1所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组为反摄远物镜结构。

3.根据权利要求2所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括从左至右沿同一光轴依次设置的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第二透镜为平凹透镜，第二透镜的右表面为凹面；

所述第三透镜和第四透镜均为弯月透镜，第三透镜和第四透镜的左表面为凹面；

所述第五透镜和第六透镜均为正透镜。

4.根据权利要求1所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜组为倒置的显微物镜结构。

5.根据权利要求4所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜组包括从左至右沿同一光轴依次设置的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；

所述第七透镜和第八透镜为双胶合透镜，第七透镜为负透镜，第八透镜为正透镜；所述第九透镜具有滤光片作用；所述第十透镜与第十一透镜为双胶合透镜，第十透镜为正透镜，第十一透镜为负透镜。

6.根据权利要求5所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第七透镜的材料为TF₃，第八透镜的材料为CaF₂。

7.根据权利要求5所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第十透镜的材料为CaF₂，第十一透镜的材料为TF₃。

8.根据权利要求5所述的空间目标成像光学系统，其特征在于，所述第九透镜的材料为熔融石英。