CN109212750A - 一种长焦距无热化星敏感器光学系统 - Google Patents

一种长焦距无热化星敏感器光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长焦距无热化星敏感器光学系统，包括：孔径光阑、前透镜组、中透镜组、后透镜组和像平面，前透镜组包括第一透镜，孔径光阑位于第一透镜的前表面上，中透镜组包括第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，后透镜组包括第七透镜和第八透镜，所述第一透镜、第三透镜、第六透镜和第八透镜的材质均为重火石玻璃，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的材质均为重冕玻璃，所述第七透镜的材质为冕牌玻璃；本发明采用常规玻璃材料实现不同温度下的像差平衡与设计，解决了长焦距光学系统容易受到温度变化产生热离焦像质下降的问题，成像质量良好，满足空间环境温度使用要求，降低了对星敏感器光学系统温度控制的要求。

Description

一种长焦距无热化星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及一种星敏感器光学系统，特别涉及一种长焦距无热化星敏感器光学系统。
背景技术
在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，测量精度可以达到亚秒级。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出。
星敏感器光学系统作为星敏感器的核心装置，是星敏感器实现高信噪比恒星光谱能量收集、高精度恒星质心位置探测的关键部件。星敏感器光学系统所探测对象是能量弱、光谱分布宽的恒星，属于点目标探测。同时为了实现亚像元细分，提高恒星位置测量精度，需要将星光能量弥散到2×2像元～5×5像元，以供后续电子学进行细分处理，达到亚像元的质心测量精度。
星敏感器光学系统的主要参数包括焦距、视场、相对孔径、成像光谱以及工作温度范围等。星敏感器光学系统的焦距与单星测量精度成反比，焦距越长，测量精度越高。当前主流星敏感器光学系统的焦距一般不超过50mm，多数集中在20mm～30mm范围，其探测视场比较大，单星测量精度不高，恒星探测能力比较有限。为追求更高的恒星探测精度，采用更长焦距的光学系统是非常有效的手段。在同样的相对孔径下，长焦距光学系统的恒星探测能力与焦距的平方成正比。长焦距星敏感器光学系统可以提升探测精度和提高探测能力，但二级光谱的校正难度大幅增加。更为严重的问题是空间应用环境下温度变化范围较大，幅度一般达到60°以上。长焦距光学系统受光学玻璃线膨胀、折射率温度变化以及结构件热膨胀的影响，温度发生变化后最佳像面将会偏离探测器件所处的光敏面，从而引起像质的劣化，光学弥散斑变大，探测能力急剧下降，探测精度同样会受到严重的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：长焦距光学系统在空间应用环境大范围温度变化引起的成像质量下降。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种长焦距无热化星敏感器光学系统，包括：孔径光阑、前透镜组、中透镜组、后透镜组和像平面，其特征在于：所述前透镜组的光焦度φA与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：0.95≤φA/φ≤1.25；
所述中透镜组的光焦度φB与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：-1.15≤φB/φ≤-1.05；
后透镜组的光焦度φC与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：2.05≤φC/φ≤2.55；
所述前透镜组包括第一透镜，所述孔径光阑位于第一透镜的前表面上；
所述中透镜组包括第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述后透镜组包括第七透镜和第八透镜，所述第一透镜、第三透镜、第六透镜和第八透镜的材质均为重火石玻璃，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的材质均为重冕玻璃，所述第七透镜的材质为冕牌玻璃；所述孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和像平面沿着进光入射方向同轴依次排列。
进一步，所述第一透镜、第二透镜、第四透镜和第五透镜的光焦度均为正，所述第三透镜和第六透镜的光焦度为负，第七透镜的光焦度为负，第八透镜的光焦度为正。
进一步，所述第一透镜的前表面曲率半径为56.141mm，后表面曲率半径为150.411mm，中心厚度为7.35mm，透镜通光口径为φ62.5mm；
第二透镜的前表面曲率半径为-356.026mm，后表面曲率半径为-66.737mm，中心厚度为6.06mm，透镜通光口径为φ40.4mm；
第三透镜的前表面曲率半径为-62.828mm，后表面曲率半径为30.742mm，中心厚度为7.79mm，透镜通光口径为φ37.6mm；
第四透镜的前表面曲率半径为32.120mm，后表面曲率半径为-190.096mm，中心厚度为6.98mm，透镜通光口径为φ35.2mm；
第五透镜的表面曲率半径为32.900mm，后表面曲率半径为-89.314mm，中心厚度为7.22mm，透镜通光口径为φ34.1mm；
第六透镜的表面曲率半径为-81.247mm，后表面曲率半径为40.711mm，中心厚度为2.23mm，透镜通光口径为φ31.8mm；
第七透镜的表面曲率半径为28.985mm，后表面曲率半径为14.228mm，中心厚度为2.25mm，透镜通光口径为φ21.4mm；
第八透镜的前表面曲率半径为15.283mm，后表面曲率半径为40.201mm，中心厚度为13.36mm，透镜通光口径为φ20.4mm。
进一步，第一透镜与第二透镜的距离为33.74mm；第二透镜与第三透镜的距离为1.12mm；第三透镜与第四透镜的距离为1.18mm；第四透镜与第五透镜的距离为0.11mm；第五透镜与第六透镜的距离为1.12mm；第六透镜与第七透镜的距离为44.57mm；第七透镜与第八透镜的距离为1.35mm；第八透镜与像平面的距离为13.96mm。
本发明的有益效果是：本发明采用常规玻璃材料实现不同温度下的像差平衡与设计，解决了长焦距光学系统容易受到温度变化产生热离焦像质下降的问题，成像质量良好，满足空间环境温度使用要求，降低了系统对星敏感器光学系统温度控制的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的光学系统的组成结构示意图；
图2是本发明光学系统在+20℃下的光学传递函数曲线；
图3是本发明光学系统在-20℃下的光学传递函数曲线；
图4是本发明光学系统在+60℃下的光学传递函数曲线。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，一种长焦距无热化星敏感器光学系统，包括：孔径光阑9、前透镜组、中透镜组、后透镜组和像平面10，所述前透镜组的光焦度φA与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.95≤φA/φ≤1.25；
所述中透镜组的光焦度φB与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
-1.15≤φB/φ≤-1.05；
后透镜组的光焦度φC与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
2.05≤φC/φ≤2.55；
为了方便描述，以透镜的入光面为前表面，透镜的出光面为后表面。
所述前透镜组包括第一透镜1，所述孔径光阑9位于第一透镜1的前表面上，所述中透镜组包括第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6，所述后透镜组包括第七透镜7和第八透镜8，所述第一透镜1、第三透镜3、第六透镜6和第八透镜8的材质均为重火石玻璃，所述第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5的材质均为重冕玻璃，所述第七透镜7的材质为冕牌玻璃；所述孔径光阑9、第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8和像平面10沿着进光入射方向同轴依次排列。
本发明光学系统采用复杂化的三片式光学系统结构型式，光焦度为正，负，正分配；由于孔径光阑9前移到前透镜组，系统失对称变化较大，故对中透镜组进行较大的复杂化设计和像差控制；工作时，前透镜组对恒星光信号进行会聚，承担了主要光焦度的分配；中透镜组的第二透镜2，第三透镜3以及第四透镜4要校正宽谱段成像引起的色差，特别是长焦距下二级光谱的校正；第五透镜5以及第六透镜6属于双分离透镜，对色差及二级光谱进行了进一步的校正；后透镜组的第七透镜7与第八透镜8校正剩余的像差，并采用了厚透镜缩短光学系统的长度。恒星光信号经过上述透镜的透射后，在像平面10上成像。
为了获得较好的无热化效果，本光学系统在玻璃材料选择时，既注重了色差校正对玻璃的选用要求，同时考虑了玻璃材料线膨胀系数与温度折射率系数的参数对热性能的影响，兼顾两种需求进行玻璃材料的选用和像质设计。
本发明采用常规玻璃材料实现不同温度下的像差平衡与设计，解决了长焦距光学系统容易受到温度变化产生热离焦像质下降的问题，成像质量良好，满足空间环境温度使用要求，降低了系统对星敏感器光学系统温度控制的要求。
本发明的光阑在第一透镜1的第一面，有效降低了光学系统各元件的尺寸，有利于光学系统小型化。
进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜1、第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5的光焦度均为正，所述第三透镜3和第六透镜6的光焦度为负，第七透镜7的光焦度为负，第八透镜8的光焦度为正。
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8均为球面透镜。
本发明光学系统光焦度分配合理，结构匀称，所有透镜均为球面透镜，加工制造及装配公差比较宽松，降低了加工难度以及装调难度，有利于提高星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
为了方便描述，将透镜的入光面成为前表面，透镜的出光面成为后表面。
所述第一透镜1、第二透镜2、第七透镜7和第八透镜8为弯月形透镜，第三透镜3、第六透镜6为双凹形透镜，第四透镜4、第五透镜5为双凸形透镜。
进一步作为优选的实施方式，第一透镜1的前表面曲率半径为56.141mm，后表面曲率半径为150.411mm，中心厚度为7.35mm，透镜通光口径为φ62.5mm；
第二透镜2的前表面曲率半径为-356.026mm，后表面曲率半径为-66.737mm，中心厚度为6.06mm，透镜通光口径为φ40.4mm；
第三透镜3的前表面曲率半径为-62.828mm，后表面曲率半径为30.742mm，中心厚度为7.79mm，透镜通光口径为φ37.6mm；
第四透镜4的前表面曲率半径为32.120mm，后表面曲率半径为-190.096mm，中心厚度为6.98mm，透镜通光口径为φ35.2mm；
第五透镜5的表面曲率半径为32.900mm，后表面曲率半径为-89.314mm，中心厚度为7.22mm，透镜通光口径为φ34.1mm；
第六透镜6的表面曲率半径为-81.247mm，后表面曲率半径为40.711mm，中心厚度为2.23mm，透镜通光口径为φ31.8mm；
第七透镜7的表面曲率半径为28.985mm，后表面曲率半径为14.228mm，中心厚度为2.25mm，透镜通光口径为φ21.4mm；
第八透镜8的前表面曲率半径为15.283mm，后表面曲率半径为40.201mm，中心厚度为13.36mm，透镜通光口径为φ20.4mm。
进一步作为优选的实施方式，第一透镜1与第二透镜2的距离为33.74mm；第二透镜2与第三透镜3的距离为1.12mm；第三透镜3与第四透镜4的距离为1.18mm；第四透镜4与第五透镜5的距离为0.11mm；第五透镜5与第六透镜6的距离为1.12mm；第六透镜6与第七透镜7的距离为44.57mm；第七透镜7与第八透镜8的距离为1.35mm；第八透镜8与像平面10的距离为13.96mm。
本光学系统的具体参数为：
焦距100mm；相对孔径F/1.6；视场角3.6°；光谱范围为450nm～800nm；在50lp/mm时，全视场平均传函＞0.5；实现工作温度范围为-20℃～+60℃；光学系统的总长(光学系统的第一面到最后一面)为136.04mm；后工作距离为13.96mm。
图2～图4为本发明光学系统在不同温度下的光学传递函数曲线，可以看出，在-20℃～+60℃范围内，像面无明显离焦，在同一成像面位置，全视场光学系统传递函数平均值均优于0.5@50lp/mm，保证了在不同的环境温度下均可以实现恒星光信号的高精度探测。其中0.5@50lp/mm表示在50lp/mm时，数值为0.5。
本发明光学系统在保证宽光谱探测的同时，实现了长焦距大相对孔径的设计，提高了恒星位置测量精度以及探测能量的收集，同时解决了长焦距光学系统容易受到温度变化产生热离焦像质下降的问题。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种长焦距无热化星敏感器光学系统，包括：孔径光阑、前透镜组、中透镜组、后透镜组和像平面，其特征在于：所述前透镜组的光焦度φA与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
0.95≤φA/φ≤1.25；
所述中透镜组的光焦度φB与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
-1.15≤φB/φ≤-1.05；
后透镜组的光焦度φC与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：
2.05≤φC/φ≤2.55
所述前透镜组包括第一透镜，所述孔径光阑位于第一透镜的前表面上；
所述中透镜组包括第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述后透镜组包括第七透镜和第八透镜，所述第一透镜、第三透镜、第六透镜和第八透镜的材质均为重火石玻璃，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的材质均为重冕玻璃，所述第七透镜的材质为冕牌玻璃；所述孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和像平面沿着进光入射方向同轴依次排列。
2.根据权利要求1所述的一种长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第四透镜和第五透镜的光焦度均为正，所述第三透镜和第六透镜的光焦度为负，第七透镜的光焦度为负，第八透镜的光焦度为正。
3.根据权利要求2所述的一种长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜的前表面曲率半径为56.141mm，后表面曲率半径为150.411mm，中心厚度为7.35mm，透镜通光口径为φ62.5mm；
第二透镜的前表面曲率半径为-356.026mm，后表面曲率半径为-66.737mm，中心厚度为6.06mm，透镜通光口径为φ40.4mm；
第三透镜的前表面曲率半径为-62.828mm，后表面曲率半径为30.742mm，中心厚度为7.79mm，透镜通光口径为φ37.6mm；
第四透镜的前表面曲率半径为32.120mm，后表面曲率半径为-190.096mm，中心厚度为6.98mm，透镜通光口径为φ35.2mm；
第五透镜的表面曲率半径为32.900mm，后表面曲率半径为-89.314mm，中心厚度为7.22mm，透镜通光口径为φ34.1mm；
第六透镜的表面曲率半径为-81.247mm，后表面曲率半径为40.711mm，中心厚度为2.23mm，透镜通光口径为φ31.8mm；
第七透镜的表面曲率半径为28.985mm，后表面曲率半径为14.228mm，中心厚度为2.25mm，透镜通光口径为φ21.4mm；
第八透镜的前表面曲率半径为15.283mm，后表面曲率半径为40.201mm，中心厚度为13.36mm，透镜通光口径为φ20.4mm。
4.根据权利要求3所述的一种长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于：第一透镜与第二透镜的距离为33.74mm；第二透镜与第三透镜的距离为1.12mm；第三透镜与第四透镜的距离为1.18mm；第四透镜与第五透镜的距离为0.11mm；第五透镜与第六透镜的距离为1.12mm；第六透镜与第七透镜的距离为44.57mm；第七透镜与第八透镜的距离为1.35mm；第八透镜与像平面的距离为13.96mm。
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