CN105676430A - 一种星敏感器光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间光学成像系统，公开了一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。本发明正负透镜相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀。

Description

一种星敏感器光学成像系统

技术领域

本发明涉及一种空间光学成像系统，尤其涉及一种适合航天空间环境高低轨道长期应用的、工程化的、轻小型化的星敏感器光学成像系统。

背景技术

光学敏感器技术利用对星空成像，利用恒星的间距和方位信息不变形作为参考系进行飞行器姿态导航定位的惯性姿态敏感器。由于具有测量精度高、长时间使用无漂移的优点，从二十世纪五十年代研制成功以来获得了极大的发展。而光学敏感器光学技术尤以星敏感器光学系统的技术发展为先导。

国内已刊登的2004年《光子学报》中“轻小型星敏感器光学系统设计”提出的焦距为22.7mm，相对孔径1∶1.4，视场角为17.1°×17.1°(方视场)的光学系统，该系统入瞳直径较小，仅为16.2mm；申请号为200610170214.9的申请文件公布了星敏感光学系统结构采用7片式近远心的结构形式，焦距为49mm，相对孔径为1∶1.2，视场角为14.14°×14.14°(圆视场)的光学系统。该系统成像质量较好，但可用视场角较小；中国专利ZL201120363264.5，名称为《基于APS探测器的星敏感器光学系统》采用了8片球面镜片，并且考虑了光学系统的长寿命设计；上述公布的设计实例均采用球面透镜的折射式系统结构，并且元件片数较多。

近年来，随着技术的发展和进步，星敏感器光学系统的发展也向质量、体积、使用寿命等方面提出了更高的要求。非球面技术应用到星敏感器系统的需求日益加大，目前使用的非球面主要有椭球面、双曲面、抛物面等，相对于传统的球面透镜，非球面有着变化的曲率半径，不能像球面透镜那样采用样板进行加工和检测，加工及检测难度急剧提高。现今非球面主要为塑料模压和玻璃模压，精度较低，主要用于成像质量要求较低的批量照明系统和投影系统。塑料材质使用温度范围较窄，而玻璃模压种类较少。德国Jcna公司较早开展了星敏感器镜头的非球面化，并将其应用到实际产品当中，取得了较好的效果。其开发的ASTRO-15星敏感光学系统采用两片高次非球面透镜进行球差校正，采用胶合镜进行色差校正。而该系统的后工作距非常短，不到2mm。国内的星敏感器光学系统杜绝使用胶合镜避免光胶在空间环境下变质脱落，而不到2mm的后工作距也给探测器组件的装配带来了较大的难度。

发明内容

本发明提供一种星敏感器光学成像系统，该光学成像系统通过特有的五片式结构，以及正负透镜的相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀，解决了星敏感器光学成像系统普遍存在的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种星敏感器光学成像系统，其特殊之处在于：该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；

所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；

所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。

上述光阑固定在第一镜片上。

上述第一镜片与第三镜片的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式

其中，r²＝x²+y²，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为非球面圆锥系数。

上述第一镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₁′＜1.2f′，1.4＜n₁＜1.6，0.5f₁′＜R₁＜f₁′，-1.5f₁′＜R₂＜-2f₁′，-1＜κ＜0；

第二镜片的光学特性为：

-2.0f′＜f₂′＜-1.5f′，1.6＜n₂＜1.8，1.0f₂′＜R₃＜0.5f₂′，-8f₂′＜R₄＜-8.5f₂′；

第三镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₃′＜1.5f′，1.4＜n₃＜1.6，0.5f₃′＜R₅＜1.0f₃′，-1.5f₃′＜R₆＜-1.0f₃′，-1＜κ＜0；

第四镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₄′＜1.5f′，1.6＜n₄＜1.8，0.5f₄′＜R₇＜1.0f₄′，-16f₄′＜R₈＜-14f₄′；

第五镜片的光学特性为：

-1.0f′＜f₅′＜-0.5f′，1.6＜n₅＜1.8，1.0f₅′＜R₉＜0.5f₅′，R₁₀＜-5f₅′；

其中f′为该光学系统的焦距，f₁′f₂′f₃′f₄′f′₅分别为五个透镜的焦距，R₁、R₂、R₃……R₁₀分别为五个透镜十个面的曲率半径，n₁、n₂、n₃……n₅分别为五个透镜的折射率，κ为非球面圆锥系数。

上述光阑与第一镜片的距离-5mm＜d₁＜-3mm，第一镜片与第二镜片的距离1mm＜d₂＜4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm＜d₃＜9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm＜d₄＜8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm＜d₅＜5mm。

上述第一镜片与第三镜片采用熔融石英材料JGS1；第二镜片与第五镜片采用重火石玻璃材料ZF4；第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9。

上述第二镜片采用ZF404或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用透射分离式分非球面结构，光阑前置，系统入瞳位于光阑，五个镜片中的正负透镜分离，有利于校正场曲；

2、光阑固定在第一镜片上可以减少外形尺寸，进而减小镜头总质量，获得更大的入瞳直径；

3、性能优异：第一镜片与第三镜片采用非球面设计，并且正负透镜交替组合的五片式结构，使得光学系统相对孔径1∶1.2，入瞳直径36mm，视场角φ20°的范围内成像质量优良。

4、寿命长：采用该星敏感器光学系统成像结构，第一镜和第三镜采用耐辐照性能优异的熔融石英玻璃，第二镜片可采用ZF404或者ZF504，第五镜片可采用ZF404或者ZF504，第四镜片可采用ZK509或者ZK409等耐辐照玻璃材料替换原有普通光学玻璃材料，便可满足空间环境高低轨道10年使用寿命以上要求。

5、轻小型化：整个系统结构中采用镜片数量少，且镜片所采用的玻璃材料折射率较高，所以镜片相对较薄，使得整个系统轻量化，体积小。

6、采用高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，做到各视场弥散直径大小均匀。

附图说明

图1为本发明星敏感器光学系统结构示意图；

其中附图1标记为：1-第一镜片，2-第二镜片，3-第三镜片，4-第四镜片，5-第五镜片，6-光阑，7-探测器保护窗口；

图2为采用本发明不同视场弥散斑的能量分布图；

图3为采用本发明的畸变分布曲线图；

图4为本发明寿命前期和寿命后期透过率的分布曲线图。

具体实施方式

如图1所示：一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑6、五个镜片和一个探测器保护窗口7构成，第一至第五镜片依次排列，其中，第一镜片1、第三镜片3和第四镜片4均为正透镜，第二镜片2与第五镜片5为负透镜；光阑6设置在第一镜片1之前，探测器保护窗口7设置在第五镜片5之后，其中，第一镜片1和第三镜片3均为非球面正透镜，第二镜片2和第五镜片5为球面负透镜，第四镜片4为球面正透镜。

图1给出了本发明的结构示意图，包括一个光阑6和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4和第五镜片5；光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，且光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴，其中，第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜；使用本发明时，可将探测器保护窗口置于第五镜片之后，探测器之前。

本发明采用透射分离式分非球面结构，光阑前置，系统入瞳位于光阑；五个镜片中的正负透镜分离，有利于校正场曲。

光阑固定在第一镜片上，可以减少外形尺寸，进而减小镜头总质量，获得更大的入瞳直径。

第一镜片1与第三镜片3的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式其中r²＝x²+y²，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为非球面圆锥系数。

二次以上的高次非球面虽然具有更好的校正像差的能力，但是其加工和检测更难以控制，理想和实际应用之间的差异较大，风险较大，因此，本发明选用较为成熟的二次曲面。

第一镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₁′＜1.2f′，1.4＜n₁＜1.6，0.5f₁′＜R₁＜f₁′，-1.5f₁′＜R₂＜-2f₁′，-1＜κ＜0；

第二镜片的光学特性为：

-2.0f′＜f₂′＜-1.5f′，1.6＜n₂＜1.8，1.0f₂′＜R₃＜0.5f₂′，-8f₂′＜R₄＜-8.5f₂′；

第三镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₃′＜1.5f′，1.4＜n₃＜1.6，0.5f₃′＜R₅＜1.0f₃′，-1.5f₃′＜R₆＜-1.0f₃′，-1＜κ＜0；

第四镜片的光学特性为：

1.0f′＜f₄′＜1.5f′，1.6＜n₄＜1.8，0.5f₄′＜R₇＜1.0f₄′，-16f₄′＜R₈＜-14f₄′；

第五镜片的光学特性为：

-1.0f′＜f₅′＜-0.5f′，1.6＜n₅＜1.8，1.0f₅′＜R₉＜0.5f₅′，R₁₀＜-5f₅′；

其中f′为该光学系统的焦距，如图1，第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片自左向右依次排列，每个透镜均包括了两个面，分别为左面和右面；f₁′f₂′f₃′f₄′f′₅分别为五个透镜的焦距；R₁、R₂分别为第一镜片左面和右面的曲率半径，R₃、R₄分别为第二镜片左面和右面的曲率半径，R₅、R₆分别为第三镜片左面和右面的曲率半径，R₇、R₈分别为第四镜片左面和右面的曲率半径，R₉、R₁₀分别为第五镜片左面和右面的曲率半径；n₁、n₂、n₃……n₅分别为五个透镜的材料折射率，κ为非球面圆锥系数。

光学系统光阑与第一镜片的距离-5mm＜d₁＜-3mm，第一镜片与第二镜片的距离1mm＜d₂＜4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm＜d₃＜9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm＜d₄＜8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm＜d₅＜5mm。

本发明第一镜片和第三镜片光学镜片设计为非球面，材料采用熔融石英材料，具有密度小、抗辐照、抗腐蚀、热膨胀系数小优点。第二镜片、第四镜片和第五镜片采用普通玻璃，也可采用抗辐照光学玻璃替换完成对系统的长寿命升级。

本发明没有采用非常规色散玻璃材料，第一镜片和第三镜片采用JGS1熔融石英材料，利于后期非球面加工和抗辐照设计。如果考虑使用材料的成熟度，第二镜片与第五镜片采用重火石玻璃材料ZF4；第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9。ZF4和ZK9具有折射率高的、物理化学性能良好且吸收小的特点，如果考虑长寿命及耐辐照因素后，第二镜片采用ZF404或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409，即将ZF4更换成相同折射率、相同色散系数的耐辐照光学玻璃材料ZF504或者ZF404，将ZK9更换成相同折射率、相同色散系数的耐辐照光学玻璃ZK509或者ZK409，即可以对系统进行长寿命升级。

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式：

附图1为本发明所设计的轻小型长寿命光学镜头结构示意图，从图中可以看出，所设计的轻小型长寿命光学镜头有五个透镜，为三正二负，其光学系统排列次序为：光阑6、第一镜片1为非球面正透镜、第二镜片2为球面负透镜、第三镜片3为非球面正透镜、第四镜片4为球面正透镜、第五镜片5为球面负透镜、保护玻璃7，整个镜头无胶合镜、无渐晕。其中，表一为该光学系统中的各个透镜的焦距，曲率半径和折射率的列表。

表一光学系统元件焦距、折射率和曲率半径值

通过表一表述的本发明光学系统，可以实现焦距约43mm，通光口径36mm，视场角20°的光学镜头，其光学系统全视场内弥散斑大于10um，小于49um；其光学系统在全视场内的绝对畸变小于等于±3μm。

这种轻小型长寿命光学系统，通过更换第二镜、第四境和第五镜材料，能完成对光学系统长寿命的升级。

本发明还具有以下有益效果：

普通光学系统在高轨道8～15年以上工作时，穿透能力较强的空间粒子会很容易的穿透玻璃元件表面膜层到达光学材料内部，其主要表现在普通光学材料受辐照后会失去原有的透亮效果，发黑变色，致使光学系统失效。而长寿命光学系统可以有效的抵抗空间粒子辐照环境，所选用的材料对空间粒子辐照不太敏感，不会产生发黑变色现象。

本发明考虑了光学系统的抗高能粒子辐照、近地轨道的原子氧侵蚀及低能电子辐照特性。首先考虑整个光学系统采用球面，对球面进行优化设计，然后在优化的最后阶段选出哪个面对光学系统的性能影响最大，再将该面的圆锥曲线常数作为变量加入优化。

本发明采用高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，做到各视场弥散均匀。通过采用不同色散系数的玻璃配对使用校正色差。如表2所示，可以实现0.8归一化视场内，不同波长相对于0.62μm波长的弥散斑能量质心偏差绝对值＜4μm。

在校正畸变时，采用S型畸变校正法，对边缘视场和0.8视场内的畸变同时进行校正。

从表3和图4中均可看出该光学系统可以满足长寿命的使用要求，光学系统在不同轨道经受1E8Rad辐照剂量后光学系统透过率下降有限，不会影响系统探测信噪比。

表2不同波长弥散斑质量中心相对于0.62μm波长像高(能量质心)的偏差值y(μm)

表3长寿命光学系统寿命初期和寿命末期透过率值

镜片数据	470nm	500nm	600nm	700nm	750nm
						辐照前％	73.3	83.5	86.6	85.8	85.6
辐照后％	56.4	66.1	78.3	77.9	78.8

Claims (7)

1.一种星敏感器光学成像系统，其特征在于：该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；

所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；

所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。

2.根据权利要求1所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：

所述光阑固定在第一镜片上。

3.根据权利要求2所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：

所述第一镜片与第三镜片的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式

其中，r²＝x²+y²，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为非球面圆锥系数。

4.根据权利要求1至3任一所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第一镜片的光学特性为：

1.0f′＜f′₁＜1.2f′，1.4＜n₁＜1.6，0.5f′₁＜R₁＜f′₁，-1.5f′₁＜R₂＜-2f′₁，-1＜κ＜0；

第二镜片的光学特性为：

-2.0f′＜f′₂＜-1.5f′，1.6＜n₂＜1.8，1.0f′₂＜R₃＜0.5f′₂，-8f′₂＜R₄＜-8.5f′₂；

第三镜片的光学特性为：

1.0f′＜f′₃＜1.5f′，1.4＜n₃＜1.6，0.5f′₃＜R₅＜1.0f′₃，-1.5f′₃＜R₆＜-1.0f′₃，-1＜κ＜0；

第四镜片的光学特性为：

1.0f′＜f′₄＜1.5f′，1.6＜n₄＜1.8，0.5f′₄＜R₇＜1.0f′₄，-16f′₄＜R₈＜-14f′₄；

第五镜片的光学特性为：

-1.0f′＜f′₅＜-0.5f′，1.6＜n₅＜1.8，1.0f′₅＜R₉＜0.5f′₅，R₁₀＜-5f′₅；

其中f′为该光学系统的焦距，f′₁、f′₂、f′₃、f′₄、f′₅分别为五个透镜的焦距，R₁、R₂、R₃……R₁₀分别为五个透镜十个面的曲率半径，n₁、n₂、n₃……n₅分别为五个透镜的折射率，κ为非球面圆锥系数。

5.根据权利要求4所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述光阑与第一镜片的距离-5mm＜d₁＜-3mm，第一镜片与第二镜片的距离1mm＜d₂＜4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm＜d₃＜9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm＜d₄＜8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm＜d₅＜5mm。

6.根据权利要求5所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第一镜片与第三镜片采用熔融石英材料JGS1；第二镜片与第五镜片采用重火石玻璃材料ZF4；第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9。

7.根据权利要求5所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第二镜片采用ZF404或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409。