CN109283658B - 一种高精度小型化星敏感器光学系统 - Google Patents

一种高精度小型化星敏感器光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度小型化星敏感器光学系统,包括:孔径光阑、透镜组和像平面,透镜组包括:七个透镜,孔径光阑位于第一透镜的正表面,第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正,第四、第五透镜的光焦度均为负,第一透镜由石英材料构成,且其后表面为镀有第一截止膜平面,第二透镜的后表面为镀有第二截止膜的平面,所述第一截止膜和第二截止膜用于截止预设的不同谱段内的光。本发明光学系统实现宽光谱探测,提高了恒星探测能量的收集,在两个透镜上引入平面镀制短波或长波截止膜,节省了光学系统元件,有利于光学系统小型化,且有利于抑制探测光谱外的杂光,避免了滤光片可能导致产生鬼像的情况。

Description

一种高精度小型化星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统,特别涉及一种高精度小型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。根据星敏感器的技术特点及应用平台,星敏感器光学系统应具有大相对孔径、大视场、低畸变以及轻小型化的特点,并且能够有效抑制外界杂光,避免恒星之外的假点目标出现。
在星敏感器光学系统实现大相对孔径及大视场的过程中,由于高阶像差的快速增大,轴向色差、垂轴色差以及二级光谱对光学系统的像质影响较大;探测光谱越宽,成像质量难以保证。而恒星光谱的强度分布近似于高斯分布,探测器的响应光谱曲线在不同波长的响应也会发生变化,峰值响应一般在可见光谱段。综合考虑以上因素,当星敏感器光学系统实现大相对孔径时,光谱设计范围达到300nm带宽即可认为是宽光谱探测。
为了避免探测谱段外的光信号入射到探测器靶面成为影响恒星探测的噪声信号,常规方法是在光学系统的后端加入一个薄的平行平板滤光片,镀长波及短波截止膜抑制探测谱段外的杂光。这种方式将会增加光学系统的元件,制造成本增加,且由于剩余反射率较高,存在在探测器像平面产生鬼像的风险。
发明内容
本发明提供一种高精度小型化星敏感器光学系统,在保证宽光谱探测的同时,抑制探测波段外的杂光,避免出现剩余反射引起的鬼像问题。
本发明解决其技术问题的解决方案是:一种高精度小型化星敏感器光学系统,包括:孔径光阑、透镜组和像平面,所述透镜组包括: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,所述孔径光阑位于第一透镜的前表面,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正,所述第四透镜和第五透镜的光焦度均为负,所述第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及像平面沿着进光入射方向同轴依次排列;
所述第一透镜的材质为石英,且其后表面为镀有第一截止膜平面,第二透镜的后表面为镀有第二截止膜的平面,所述第一截止膜和第二截止膜用于截止预设的不同谱段内的光。
进一步,所述光学系统的入瞳口径为φ21.5mm。
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,所述第二透镜的材质为H-ZK9A,所述第三透镜的材质为H-LAF6,所述第四透镜的材质为H-ZF7,所述第五透镜的材质为H-ZF52,所述第六透镜和第七透镜的材质均为H-ZLAF55A。
进一步,第一透镜前表面曲率半径为62.482mm,中心厚度为3.65mm,透镜通光口径为φ21.4mm;
第二透镜前表面曲率半径为40.682mm,中心厚度为4.23mm,透镜通光口径为φ22.4mm;
第三透镜前表面曲率半径为15.057mm,后表面曲率半径为38.448mm,中心厚度为5.88mm,透镜通光口径为φ21.6mm;
第四透镜前表面曲率半径为48.812mm,后表面曲率半径为11.094mm,中心厚度为1.28mm,透镜通光口径为φ18.6mm;
第五透镜前表面曲率半径为-30.157mm,后表面曲率半径为32.501mm,中心厚度为1.29mm,透镜通光口径为φ17.0mm;
第六透镜前表面曲率半径为-275.5mm,后表面曲率半径为-21.795mm,中心厚度为4.89mm,透镜通光口径为φ19.6mm;
第七透镜7前表面曲率半径为17.891mm,后表面曲率半径为70.886mm,中心厚度为10mm,透镜通光口径为φ21.6mm。
进一步,第一透镜与第二透镜的距离为0.1mm;第二透镜与第三透镜的距离为0.1mm;第三透镜与第四透镜的距离为1.35mm;第四透镜与第五透镜的距离为4.99mm;第五透镜与第六透镜的距离为2.17mm;第六透镜与第七透镜的距离为0.1mm;第七透镜与像平面的距离为7.5mm。
进一步,所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于0.2°。
本发明的有益效果是:本发明光学系统实现宽光谱探测,提高了恒星探测能量的收集,在两个透镜上引入平面镀制短波或长波截止膜,节省了光学系统元件,有利于光学系统小型化,且有利于抑制探测光谱外的杂光,避免了滤光片可能导致产生鬼像的情况。
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是本发明光学系统的点列曲线图;
图3是本发明光学系统的能量集中度曲线图。
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1,一种高精度小型化星敏感器光学系统,包括:孔径光阑8、透镜组和像平面9,所述透镜组包括: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,所述孔径光阑8位于第一透镜1的正表面,所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第六透镜6以及第七透镜7的光焦度均为正,所述第四透镜4和第五透镜5的光焦度均为负,所述第一透镜1、孔径光阑8、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以及像平面9沿着进光入射方向同轴依次排列;
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的材质为石英,且其后表面镀有截止波段350nm~500nm的第一截止膜,第二透镜2的后表面镀有截止波段800nm~1000nm的第二截止膜。
本发明工作时,第一透镜1对恒星光信号进行会聚,同时将其后表面设置为平面镀制短波截止膜。由于该透镜材料选择防辐射的石英,既可以起到防空间高能粒子辐照,保护后面透镜透过率等性能在长时间空间辐照下不下降的功能,同时可以镀制短波截止膜,将探测器在350nm~500nm之间的响应波段进行截止,不影响光学系统的成像质量;并且可以省掉光学系统与探测器之间的滤光片,避免平面之间的剩余反射产生的呈点状分布的鬼像。
第二透镜2会光信号进行进一步的会聚,且在第二面镀有800nm~1000nm的截止膜,抑制800nm~1000nm之间的非成像杂光。第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5以及第六透镜6采用正、负、负、正的光焦度分配,镜片构型的对称性较好,能够将视场像差进行较好的校正;第四透镜4与第五透镜5之间引入空气隙,产生一定的高阶像差,与初级像差进行互补抵消。第七透镜7采用厚透镜结构,有益于场曲的校正;同时将主光线拉平至像平面9,获得远心成像光路,减少光学系统与探测器之间距离或角度发生变化引起的测量误差。
本发明光学系统实现宽光谱探测,提高了恒星探测能量的收集,在两个透镜上引入平面镀制短波或长波截止膜,节省了光学系统元件,有利于光学系统小型化,且有利于抑制探测光谱外的杂光,避免了滤光片可能导致产生鬼像的情况。
本发明第一透镜1的材质为石英,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。孔径光阑8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。
作为优化,所述光学系统的入瞳口径为φ21.5mm。
可在光学系统前设置一个挡光元件,使入瞳口径为φ21.5mm。
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。
作为优化,所述第二透镜2的材质为H-ZK9A,所述第三透镜3的材质为H-LAF6,第四透镜4的材质为H-ZF7,第五透镜5的材质为H-ZF52,第六透镜6和第七透镜7的材质均为H-ZLAF55A。
本发明光学系统没有采用H-FK61,CaF2等热性能较差的特殊玻璃材料,具有良好的空间适应性,在-40℃~+60℃范围内离焦量不超过0.02mm,全视场的质心位置变化不超过2.5μm,满足星敏感器高精度的探测需求。
作为优化,所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于0.2°。
通过光学系统光瞳中心的光线为主光线。
作为优化,第一透镜1前表面曲率半径为62.482mm,后表面为平面,中心厚度为3.65mm,透镜通光口径为φ21.4mm;第二透镜2前表面曲率半径为40.682mm,后表面平面,中心厚度为4.23mm,透镜通光口径为φ22.4mm;第三透镜3前表面曲率半径为15.057mm,后表面曲率半径为38.448mm,中心厚度为5.88mm,透镜通光口径为φ21.6mm;第四透镜4前表面曲率半径为48.812mm,后表面曲率半径为11.094mm,中心厚度为1.28mm,透镜通光口径为φ18.6mm;第五透镜5前表面曲率半径为-30.157mm,后表面曲率半径为32.501mm,中心厚度为1.29mm,透镜通光口径为φ17.0mm;第六透镜6前表面曲率半径为-275.5mm,后表面曲率半径为-21.795mm,中心厚度为4.89mm,透镜通光口径为φ19.6mm;第七透镜7前表面曲率半径为17.891mm,后表面曲率半径为70.886mm,中心厚度为10mm,透镜通光口径为φ21.6mm。
作为优化,第一透镜1与第二透镜2的距离为0.1mm;第二透镜2与第三透镜3的距离为0.1mm;第三透镜3与第四透镜4的距离为1.35mm;第四透镜4与第五透镜5的距离为4.99mm;第五透镜5与第六透镜6的距离为2.17mm;第六透镜6与第七透镜7的距离为0.1mm;第七透镜7与像平面9的距离为7.5mm。
本光学系统的工作光谱范围为500nm~800nm,系统焦距为30mm,全视场28°,相对孔径为F/1.4。
参照图2,图2反映了不同视场的星点在像平面9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。
参照图3,图3反映了星敏感器光学系统的能量集中度分布,横坐标是直径,纵坐标是在对应直径尺寸下,光斑能量占比的百分数,其中图3中线条10代表探测视场0°,线条11代表探测视场4.0°,线条12代表探测视场7°,线条13代表探测视场9.8°,线条14代表探测视场14°。
图3中探测视场0°、探测视场4.0°、探测视场7°、探测视场9.8°、探测视场14°等5个视场的能量集中度分布,均在φ25μm内能量集中度超过85%的能量,满足应用需求。
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)

1.一种高精度小型化星敏感器光学系统,包括:孔径光阑、透镜组和像平面,其特征在于:所述透镜组包括: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,所述孔径光阑位于第一透镜的前表面,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正,所述第四透镜和第五透镜的光焦度均为负,所述第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及像平面沿着进光入射方向同轴依次排列;
所述第一透镜的材质为石英,且其后表面镀有第一截止膜,第二透镜的后表面镀有第二截止膜;
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;
第一透镜前表面曲率半径为62.482mm,中心厚度为3.65mm,透镜通光口径为φ21.4mm;
第二透镜前表面曲率半径为40.682mm,中心厚度为4.23mm,透镜通光口径为φ22.4mm;
第三透镜前表面曲率半径为15.057mm,后表面曲率半径为38.448mm,中心厚度为5.88mm,透镜通光口径为φ21.6mm;
第四透镜前表面曲率半径为48.812mm,后表面曲率半径为11.094mm,中心厚度为1.28mm,透镜通光口径为φ18.6mm;
第五透镜前表面曲率半径为-30.157mm,后表面曲率半径为32.501mm,中心厚度为1.29mm,透镜通光口径为φ17.0mm;
第六透镜前表面曲率半径为-275.5mm,后表面曲率半径为-21.795mm,中心厚度为4.89mm,透镜通光口径为φ19.6mm;
第七透镜7前表面曲率半径为17.891mm,后表面曲率半径为70.886mm,中心厚度为10mm,透镜通光口径为φ21.6mm;
第一透镜与第二透镜的距离为0.1mm;第二透镜与第三透镜的距离为0.1mm;第三透镜与第四透镜的距离为1.35mm;第四透镜与第五透镜的距离为4.99mm;第五透镜与第六透镜的距离为2.17mm;第六透镜与第七透镜的距离为0.1mm;第七透镜与像平面的距离为7.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种高精度小型化星敏感器光学系统,其特征在于:所述光学系统的入瞳口径为φ21.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种高精度小型化星敏感器光学系统,其特征在于:所述第二透镜的材质为H-ZK9A,所述第三透镜的材质为H-LAF6,所述第四透镜的材质为H-ZF7,所述第五透镜的材质为H-ZF52,所述第六透镜和第七透镜的材质均为H-ZLAF55A。
4.根据权利要求1所述的一种高精度小型化星敏感器光学系统,其特征在于:所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于0.2°。
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