CN109254383A - 一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，包括：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、第七透镜和像平面，所述孔径光阑位于第一透镜上；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和像平面沿光线入射的方向同光轴依次排列；本发明光学系统相同口径下的恒星探测光谱宽度是常规星敏感器光学系统的1.8倍；在需要的探测能力相同的前提下，可以降低本光学系统口径，降低星敏感器整机的重量和尺寸，适合应用在星敏感器领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统。
背景技术
星敏感器通过探测太空位置精确已知的恒星，通过位置及角度的检测识别，实现空间飞行器在空间惯性坐标系下的姿态角测量。在已知的姿态测量装置中，星敏感器具有探测精度高且姿态精度不随时间漂移的优点，获得了广泛的应用。星敏感器的发展趋势是大视场、轻小型化以及高精度等。
在研究高性能星敏感器光学系统技术方面，核心是追求在保证恒星探测需求(包括成像质量、弥散斑对称分布以及低畸变等)的基础上，最大限度的降低星敏感器光学系统的重量和体积，满足星敏感器的轻小型化需求。
在解决上述难题方面，现有技术主要包括：(1)采用非球面透镜，减少星敏感器光学系统的镜片数量，从而降低光学系统的重量和体积，但随之带来的加工、装调成本大幅上升，不符合经济性；(2)采用大相对孔径光学系统提高恒星探测能力，有利于降低光学系统的长度，但径向尺寸仍然较大，且光学系统以及星敏感器的重量与径向尺寸的平方成正比增加，难以进一步降低光学系统的重量和尺寸。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在保证恒星探测精度的同时降低星敏感器光学系统体积和重量。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，包括：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、第七透镜和像平面，所述孔径光阑位于第一透镜上；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和像平面沿光线入射的方向同光轴依次排列；
所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的组合为正光焦度，并满足下式：1.75φ≤φ123≤2.65φ；
所述第四透镜、第五透镜以及第六透镜的组合为负光焦度，并满足下式：3.55φ≤|φ456|≤4.25φ；
所述第七透镜的光焦度满足以下公式：1.55φ≤φ7≤2.25φ；
其中φ123为第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合光焦度，φ456为第四透镜、第五透镜和第六透镜的组合光焦度，φ7为第七透镜的光焦度，φ为光学系统整体光焦度。
进一步，所述第一透镜、第三透镜和第五透镜的光焦度均为正，所述第二透镜、第四透镜和第六透镜的光焦度均为负，所述第七透镜的光焦度为正。
进一步，所述第一透镜的材质为石英，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃或特种火石玻璃，所述第三透镜的材质为镧冕玻璃或重镧火石玻璃，所述第四透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜和第七透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第六透镜的材质为重火石玻璃。
进一步，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为球面透镜。
进一步，所述光学系统的入瞳直径φ12.85mm。
本发明光学系统相同口径下的恒星探测光谱宽度是常规星敏感器光学系统的1.8倍；在需要的探测能力相同的前提下，可以降低本光学系统口径，降低星敏感器整机的重量和尺寸。
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是本发明的组成结构示意图；
图2是本发明光的点列曲线图；
图3是本发明光学传递函数曲线图；
图4是本发明相对畸变曲线图。
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1，一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，包括：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和像平面8，所述孔径光阑9位于第一透镜1上；
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和像平面8沿光线入射的方向同光轴依次排列；
所述第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜3的组合为正光焦度，并满足下式：1.75φ≤φ123≤2.65φ；
所述第四透镜4、第五透镜5以及第六透镜6的组合为负光焦度，并满足下式：3.55φ≤|φ456|≤4.25φ；
所述第七透镜7的光焦度满足以下公式：1.55φ≤φ7≤2.25φ；
其中φ123为第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的组合光焦度，φ456为第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的组合光焦度，φ7为第七透镜7的光焦度，φ为光学系统整体光焦度。
本发明工作时，恒星点目标光信号通过孔径光阑9限制的第一透镜1，第一透镜1、第二透镜2以第三透镜3组成三分离的第一透镜组为正透镜组，对光线进行会聚，主要校正球差，彗差以及轴向色差，第二透镜2与第三透镜3相邻的两个面实现一定的像散校正能力；第四透镜4、第五透镜5以及第六透镜6组成三分离的第二透镜组为负透镜组，主要校正像散、畸变等；第七透镜7的光焦度为负，校正残余的畸变，并主要将主光线进行压低，实现像方远心的光路。七个透镜通过光焦度的合理分配，校正了场曲。系统架构的失对称变化校正了由于成像目标位于无穷远引入的垂轴像差。不同视场的恒星点目标光信号经过七个透镜的透射，以像方远心的方式成像到像平面8，主光线与光轴的夹角不超过0.5°，避免了探测器像平面8受力学振动或温度变化引起的位置变化导致的质心位置漂移，保证了高成像精度。
常规星敏感器光学系统工作谱段一般为300nm，通过实验得出数据，本发明的光学系统探测光谱宽度达到550nm，提高了1.8倍。在入瞳直径φ12.85mm探测口径下等同于入瞳直径φ17.24mm的常规星敏感器光学系统探测能力。在光学系统长度等同的条件下，光学系统的体积减小43.8％。在保证探测能力的前提下降低光学系统口径，也有利于星敏感器整机的杂散光抑制，进一步降低星敏感器整机的重量和尺寸。
本发明光学系统具有较好的色差及二级光谱校正能力，探测恒星光谱探测范围宽，配合探测器的响应曲线，相同口径下恒星探测能力比常规星敏感器光学系统提高1.8倍以上，满足了星敏感器光学系统轻小型化需求。
本发明光学系统的工作光谱范围为400nm～950nm，探测谱段带宽为550nm，系统焦距36mm，全视场25°，入瞳直径φ12.85mm。
作为优化，所述第一透镜1、第三透镜3和第五透镜5的光焦度均为正，所述第二透镜2、第四透镜4和第六透镜6的光焦度均为负，所述第七透镜7的光焦度为正。
第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3采用正、负、正的光焦度分配，透镜光焦度结构组合较好，对光线进行会聚，主要校正球差，彗差以及轴向色差，实现较好的像散校正能力。
作为优化，所述第一透镜1的材质为石英，所述第二透镜2的材质为镧火石玻璃或特种火石玻璃，所述第三透镜3的材质为镧冕玻璃或重镧火石玻璃，所述第四透镜4的材质为重火石玻璃，所述第五透镜5和第七透镜7的材质为重镧火石玻璃，所述第六透镜6的材质为重火石玻璃。
本发明光学系统孔径光阑9位于第一透镜上，且第一透镜的材质为石英材料，既具有像差校正能力，同时还具有防辐照的效果，节省了石英窗口，有利于星敏感器光学系统的体积和重量减小。本发明光学系统还可以适应探测器的全部响应光谱，节省了截止滤光片，进一步降低了星敏感器光学系统的成本及重量。
为了使得光学系统在工作范围内均获得优异的成像质量与质心稳定性，在光学系统避免采用H-FK61，CaF2等有利于校正色差及二级光谱，但温度性能差的特殊玻璃材料，采用不同温度不敏感性玻璃材料进行匹配设计，在-40℃～+60℃范围内能够满足了星敏感器高精度的探测需求。
作为优化，所述光学系统的入瞳直径φ12.85mm。
在本发明光学系统前设置挡光元件，使得入瞳直径达到φ12.85mm。
作为优化，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和第七透镜7均为球面透镜。
本发明所有透镜均为球面透镜，降低了加工难度以及装调难度，有利于星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
本实施例采用的各个透镜的参数如表1所示。其中，镜面S1为正面，镜面S2为反面，光线入射时，先经过透镜的镜面S1，再通过透镜的S2。
表1：各透镜的参数
参考图2，图2为不同视场的星点在像平面8的会聚情况，纵坐标为弥散斑位置，横坐标为弥散斑形状。各视场点斑形状对称分布，弥散斑尺寸近似为圆形，满足星敏感器进行亚像元质心细分的光斑分布需求。
参考图3，图3为在不同视场的弧矢与子午振幅传递函数曲线，表征了不同频率分布的函数经过光学系统后对比度的下降情况。在60lp/mm时，各视场的振幅传递函数值均大于0.5，本发明光学系统的成像质量符合设计要求。
参考图4，纵轴为视场，横轴为相对畸变值，全视场的相对畸变小于0.01％，小于1μm，说明畸变校正结果良好。
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 (5)
1.一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，其特征在于：包括：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、第七透镜和像平面，所述孔径光阑位于第一透镜上；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和像平面沿光线入射的方向同光轴依次排列；
所述第一透镜、第二透镜以及第三透镜的组合为正光焦度，并满足下式：1.75φ≤φ123≤2.65φ；
所述第四透镜、第五透镜以及第六透镜的组合为负光焦度，并满足下式：3.55φ≤|φ456|≤4.25φ；
所述第七透镜的光焦度满足以下公式：1.55φ≤φ7≤2.25φ；
其中φ123为第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合光焦度，φ456为第四透镜、第五透镜和第六透镜的组合光焦度，φ7为第七透镜的光焦度，φ为光学系统整体光焦度。
2.根据权利要求1所述的一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第三透镜和第五透镜的光焦度均为正，所述第二透镜、第四透镜和第六透镜的光焦度均为负，所述第七透镜的光焦度为正。
3.根据权利要求2所述的一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为石英，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃或特种火石玻璃，所述第三透镜的材质为镧冕玻璃或重镧火石玻璃，所述第四透镜的材质为重火石玻璃，所述第五透镜和第七透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第六透镜的材质为重火石玻璃。
4.根据权利要求3所述的一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为球面透镜。
5.根据权利要求1所述的一种宽谱段轻小型的星敏感器光学系统，其特征在于：所述光学系统的入瞳直径φ12.85mm。
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