CN105445933B - 一种高分辨率月边缘光学成像物镜 - Google Patents

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Abstract

一种高分辨率月边缘光学成像物镜，属于光学系统技术领域，为了解决现有技术存在的问题，该成像物镜，按光线入射顺序同轴设置等腰道威反射棱镜组、平面反射镜、成像透镜组、光阑、探测器保护玻璃和探测器，平面反射镜位于等腰道威反射棱镜组的前端，等腰道威反射棱镜组，其包括绕Z轴均匀周向分布八个等腰道威反射棱镜；入射光线经过等腰道威反射棱镜组的各个等腰道威反射棱镜下表面入射，在每个等腰道威反射棱镜上，入射光在一等腰面反射,在另一等腰面透射，再经平面反射镜反射，反射光再依次成像透镜组和探测器保护玻璃透射，被探测器接收；能适应环月卫星高精度定姿的要求。

Description

一种高分辨率月边缘光学成像物镜
技术领域
本发明涉及一种高分辨率月边缘光学成像物镜，属于光学系统技术领域。
背景技术
绕月飞行的卫星需要实时确定自身的俯仰和滚动姿态。传统使用星敏感器与陀螺联合的方式的定姿需要地面和卫星上的计算机提供精确轨道信息，卫星定姿精度对定轨精度的依赖性很大，单次定姿时间较长。同时，绕月近轨卫星上的星敏感器对月球成像时，光学系统需要100°～150°视场才能覆盖整个月球，对于单个透射式成像镜头来说保证较小的光学像差、较高的指向精度在设计和后期加工起来都比较困难，需要借助非球面透镜结构、特殊透镜材料等，导致光学系统零件及整机的制造、检测成本较高，太空环境下工作稳定性不确定。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提供一种高分辨率、高指向性的月边缘光学成像物镜，通过该成像物镜后续月边缘成像提取算法获取月心矢量，从而得到绕月飞行卫星的俯仰和滚动姿态。该光学系统对120°～150°的月球边缘环形区域成像，该光学系统对绕月卫星轨道高度不敏感，具有高分辨成像、高成像质量、高指向精度的特点，能适应飞船在月球反射光谱范围的高精度定姿、减少绕月飞行卫星定姿态时间，避免了每次卫星定姿时地面定轨及星上计算机进行精确轨道外推的复杂工作，同时也避免了传统大视场成像系统在对月边缘成像所需要的非球面及特殊材料等的缺陷。
一种高分辨率月边缘光学成像物镜，按光线入射顺序同轴设置等腰道威反射棱镜组1、平面反射镜2、成像透镜组3、光阑4、探测器保护玻璃5和探测器6，平面反射镜2位于等腰道威反射棱镜组1的前端，
等腰道威反射棱镜组1，其包括绕Z轴均匀周向分布的：第一第一等腰道威反射棱镜11，第二第二等腰道威反射棱镜12，第三等腰道威反射棱镜13，第四等腰道威反射棱镜14，第五等腰道威反射棱镜15，第六等腰道威反射棱镜16，第七等腰道威反射棱镜17，第八等腰道威反射棱镜18；
成像透镜组3，其依次包含第一负月牙型透镜31、第二负月牙型透镜32、双凹型透镜33、第三负月牙型透镜34、第一双凸型透镜35、第二双凸型透镜36、第四负月牙型透镜37、第三双凸型透镜38和第四负月牙型透镜39；
入射光线经过等腰道威反射棱镜组1的各个等腰道威反射棱镜下表面入射，在每个等腰道威反射棱镜上，入射光在一等腰面反射，在另一等腰面透射，再经平面反射镜2反射，反射光再依次经过第一负月牙型透镜31、第二负月牙型透镜32、双凹型透镜33、第三负月牙型透镜34、第一双凸型透镜35、光阑4、第二双凸型透镜36、第四负月牙型透镜37、第三双凸型透镜38、第四负月牙型透镜39和探测器保护玻璃5透射，被探测器6接收。
每个所述等腰道威反射棱镜的上表面距离光轴113mm，平面反射镜2后表面与第一负月牙型透镜31前表面之间的空气间隔是51.5mm，所述第一负月牙型透镜31后表面与第二负月牙型透镜32前表面的空气间隔是10.87mm，所述第二负月牙型透镜32后表面与双凹型透镜33前表面的空气间隔是9.04mm，所述双凹型透镜33后表面与第三负月牙型透镜34前表面的空气间隔是14.76mm，所述第三负月牙型透镜34后表面与第一双凸型透镜35前表面的空气间隔是2.270mm，所述第一双凸型透镜35后表面与光阑平面的空气间隔是33.35mm，所述中光阑平面与第二双凸型透镜36前表面的空气间隔是15.76mm，所述第二双凸型透镜36后表面与第四负月牙型透镜37前表面的空气间隔是0.5mm，所述第四负月牙型透镜37后表面与第三双凸型透镜38前表面的空气间隔是1.98mm，所述第三双凸型透镜38后表面与第四负月牙型透镜39前表面的空气间隔是2.30mm，所述第四负月牙型透镜39后表面与探测器保护玻璃5前表面的空气间隔为8.10mm，所述探测器保护玻璃5后表面与探测器6的空气间隔为1mm。
成像透镜组3中的各光学元件的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：
八块等腰道威反射棱镜均为肖特融石英材料，代号形式表述为DⅠ-45°。
本发明的有益效果是：
1)通过计算机辅助光学设计和优化，选用合适的反射棱镜降低了入射光线入射到透镜的矢高和角度，较好地减轻了透镜元件的像差校正压力，合理选择原件数量和结构，保证了影响月边缘成像光学系统定位指向精度，使镜头的MTF值在36lp/mm时接近衍射极限，全视场范围内大于0.70，探测器6离焦0.1mm时的全视场MTF值在36lp/mm时仍大于0.55。
2)85％弥散圆能量集中在13μm～14.4μm范围内，探测器6离焦0.1mm时85％弥散圆能量集中在17μm～19.7μm，能量集中度高，全波段内能量质心偏差小于7μm、垂轴色偏差小于3μm，光轴指向精度优于2″，能适应环月卫星高精度定姿的要求。
3)八个等腰道威反射棱镜绕光轴摆放，降低了面型检测的难度，并可实现分别装调，透镜原件均为球面面型，共轴摆放，便于加工和装调，所述和的透镜材料均为普通商用玻璃，降低了光学系统材料采购难度和制造成本。
4)工作波段全视场范围内相对畸变约为0.12％，相比于传统定姿用透射型星敏感器的方法具有更小的相对畸变。
附图说明
图1为本发明一种高分辨率月边缘光学成像物镜结构示意图。
图2为本发明所述等腰道威反射棱镜组结构示意图。
图3为本发明所述成像透镜组结构示意图。
图4为本发明一种高分辨率月边缘光学成像物镜能量分布曲线。
图5为本发明在探测器6离焦0.1mm时能量分布曲线。
图6为本发明一种高分辨率月边缘光学成像物镜光学系统垂轴色差曲线。
图7为本发明一种高分辨率月边缘光学成像物镜光学系统MTF曲线。
图8为本发明在探测器6离焦-0.1mm时光学系统的MTF曲线。
图9为本发明在探测器6离焦+0.1mm时光学系统的MTF曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种高分辨率月边缘光学成像物镜，按光线入射顺序同轴设置等腰道威反射棱镜组1、平面反射镜2、成像透镜组3、光阑4、探测器保护玻璃5和探测器6，平面反射镜2位于等腰道威反射棱镜组1的前端。
如图2所示，等腰道威反射棱镜组1，其包括绕Z轴均匀周向分布的：第一等腰道威反射棱镜11，第二等腰道威反射棱镜12，第三等腰道威反射棱镜13，第四等腰道威反射棱镜14，第五等腰道威反射棱镜15，第六等腰道威反射棱镜16，第七等腰道威反射棱镜17，第八等腰道威反射棱镜18。
如图3所示，成像透镜组3，其依次包含第一负月牙型透镜31、第二负月牙型透镜32、双凹型透镜33、第三负月牙型透镜34、第一双凸型透镜35、第二双凸型透镜36、第四负月牙型透镜37、第三双凸型透镜38和第四负月牙型透镜39。
入射光线经过等腰道威反射棱镜组1的各个等腰道威反射棱镜下表面入射,在每个等腰道威反射棱镜上，入射光在一等腰面反射,在另一等腰面透射,再经平面反射镜2反射，反射光再依次经过第一负月牙型透镜31、第二负月牙型透镜32、双凹型透镜33、第三负月牙型透镜34、第一双凸型透镜35、光阑4、第二双凸型透镜36、第四负月牙型透镜37、第三双凸型透镜38、第四负月牙型透镜39、探测器保护玻璃5透射，被探测器6接收。
各个所述等腰道威反射棱镜的上表面距离光轴113mm，平面反射镜2后表面与第一负月牙型透镜31前表面之间的空气间隔是51.5mm，所述第一负月牙型透镜31后表面与第二负月牙型透镜32前表面的空气间隔是10.87mm，所述第二负月牙型透镜32后表面与双凹型透镜33前表面的空气间隔是9.04mm，所述双凹型透镜33后表面与第三负月牙型透镜34前表面的空气间隔是14.76mm，所述第三负月牙型透镜34后表面与第一双凸型透镜35前表面的空气间隔是2.270mm，所述第一双凸型透镜35后表面与光阑平面的空气间隔是33.35mm，所述中光阑平面与第二双凸型透镜36前表面的空气间隔是15.76mm，所述第二双凸型透镜36后表面与第四负月牙型透镜37前表面的空气间隔是0.5mm，所述第四负月牙型透镜37后表面与第三双凸型透镜38前表面的空气间隔是1.98mm，所述第三双凸型透镜38后表面与第四负月牙型透镜39前表面的空气间隔是2.30mm，所述第四负月牙型透镜39后表面与探测器保护玻璃5前表面的空气间隔为8.10mm，所述探测器保护玻璃5后表面与探测器6的空气间隔为1mm。
成像透镜组3中的各光学元件的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：
八块等腰道威反射棱镜均为肖特融石英材料，代号形式表述为DⅠ-45°。
本发明一种高分辨率月边缘光学成像物镜达到了如下的光学指标：
焦距：f’＝12mm；相对孔径:F＝2；实用谱线范围：350nm～500nm；视场角：2W＝120°～150°(像方靶面为半径3.212mm～6.919mm的环形区域)畸变：<0.12％；能量质心偏差：<7μm；色偏差：<3μm；MTF:>0.7(36lp/mm)。
如图4所示，光学系统能量分布曲线，80％能量集中在15μm之内，各视场能量集中度较为统一。
如图5所示，光学系统探测器6离焦0.1mm时能量分布曲线，80％能量集中在18μm之内，各视场能量集中度较为统一。
如图6所示，光学系统垂轴色差曲线，短波与长波垂轴色差最大值小于3μm，短波与参考波垂轴色差最大值小于4μm。
如图7所示，光学系统MTF曲线，各视场调制传递函数均在0.7以上。
如图8所示，光系统探测器6离焦-0.1mm时的MTF曲线，各视场调制传递函数均在0.7以上。
如图9所示，光学系统探测器6离焦+0.1mm时的MTF曲线，各视场传递函数均在0.5以上，为后续的装调留有较大余量。

Claims (3)

1.一种高分辨率月边缘光学成像物镜，按光线入射顺序同轴设置等腰道威反射棱镜组(1)、平面反射镜(2)、成像透镜组(3)、光阑(4)、探测器保护玻璃(5)和探测器(6)，平面反射镜(2)位于等腰道威反射棱镜组(1)的前端，其特征是，
等腰道威反射棱镜组(1)，其包括绕Z轴均匀周向分布的：第一等腰道威反射棱镜(11)，第二等腰道威反射棱镜(12)，第三等腰道威反射棱镜(13)，第四等腰道威反射棱镜(14)，第五等腰道威反射棱镜(15)，第六等腰道威反射棱镜(16)，第七等腰道威反射棱镜(17)，第八等腰道威反射棱镜(18)；
成像透镜组(3)，其依次包含第一负月牙型透镜(31)、第二负月牙型透镜(32)、双凹型透镜(33)、第三负月牙型透镜(34)、第一双凸型透镜(35)、第二双凸型透镜(36)、第四负月牙型透镜(37)、第三双凸型透镜(38)和第四负月牙型透镜(39)；
入射光线经过等腰道威反射棱镜组(1)的各个等腰道威反射棱镜下表面入射，在各个等腰道威反射棱镜上，入射光在一等腰面反射,在另一等腰面透射,再经平面反射镜(2)反射，反射光再依次经过第一负月牙型透镜(31)、第二负月牙型透镜(32)、双凹型透镜(33)、第三负月牙型透镜(34)、第一双凸型透镜(35)、光阑(4)、第二双凸型透镜(36)、第四负月牙型透镜(37)、第三双凸型透镜(38)、第四负月牙型透镜(39)、探测器保护玻璃(5)透射，被探测器(6)接收。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率月边缘光学成像物镜，其特征是，等腰道威反射棱镜组(1)中每个等腰道威反射棱镜的上表面距离光轴113mm，平面反射镜(2)后表面与第一负月牙型透镜(31)前表面之间的空气间隔是51.5mm，所述第一负月牙型透镜(31)后表面与第二负月牙型透镜(32)前表面的空气间隔是10.87mm，所述第二负月牙型透镜(32)后表面与双凹型透镜(33)前表面的空气间隔是9.04mm，所述双凹型透镜(33)后表面与第三负月牙型透镜(34)前表面的空气间隔是14.76mm，所述第三负月牙型透镜(34)后表面与第一双凸型透镜(35)前表面的空气间隔是2.270mm，所述第一双凸型透镜(35)后表面与光阑平面的空气间隔是33.35mm，所述光阑平面与第二双凸型透镜(36)前表面的空气间隔是15.76mm，所述第二双凸型透镜(36)后表面与第四负月牙型透镜(37)前表面的空气间隔是0.5mm，所述第四负月牙型透镜(37)后表面与第三双凸型透镜(38)前表面的空气间隔是1.98mm，所述第三双凸型透镜(38)后表面与第四负月牙型透镜(39)前表面的空气间隔是2.30mm，所述第四负月牙型透镜(39)后表面与探测器保护玻璃(5)前表面的空气间隔为8.10mm，所述探测器保护玻璃(5)后表面与探测器(6)的空气间隔为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率月边缘光学成像物镜，其特征是，等腰道威反射棱镜组(1)中每个等腰道威反射棱镜均为肖特融石英材料，代号形式表述为DⅠ-45°。
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