CN110609382A - 一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，包括反射镜组、透镜组和像面，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述主反射镜和次反射镜的反射面相对，所述主反射镜朝向入光光源的前表面上设有孔径光阑；所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为弯月形正光焦度透镜；所述透镜组位于所述主反射镜的下方；本发明采用孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能，同时实现轻小型设计。

Description

一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及电子元器件的定位和检测技术领域，更具体地说涉及一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统。
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甚至更高。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，因而在高精度自主导航领域获得了广泛应用。
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。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、成像光谱以及单星测量精度等。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，探测视场比较大，探测光谱范围一般不超过300nm，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，采用长焦距光学系统是有效的手段。随着高分辨率对地立体测绘相机、空间天文观测望远镜以及空间导引武器系统等领域技术的发展，对亚秒级甚至更高精度的星敏感器提出了需求，满足应用系统的高精度对地定位、长时间稳像观测或者长航时飞行姿态的自主导航等关键性能。核心技术是采用长焦距星敏感器光学系统提高单像元分辨率，然后采用细分算法进一步提高质心分辨率精度。当星敏感器光学系统的焦距接近或达到米级时，纯透射光学系统不仅系统尺寸长，且难以校正宽光谱下的二级光谱像差，无法实现宽光谱的恒星光信号收集，无论从体量还是性能上都不能满足空间平台的应用需求。
进一步研究发现，采用同轴折反射式光学系统虽然可以有效解决上述设计矛盾，实现高像质及轻小型化的设计；但由于次反射镜的遮挡引起中心遮拦，中心艾里斑衍射能量往次峰转移，导致能量集中度性能下降。在相对孔径一致的前提下，即使光学系统达到衍射极限像质，有遮拦的光学系统也无法达到与无遮拦光学系统相同的恒星光信号聚集能力，从而造成星敏感器光学系统性能的下降。
发明内容
本发明型要解决的技术问题是：现有的星敏感器光学系统的中心遮拦引起能量集中度下降。
本发明提供一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，采用孔径离轴的折反射式结构型式，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，包括反射镜组、透镜组和像面，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述主反射镜和次反射镜的反射面相对，所述主反射镜朝向入光光源的前表面上设有孔径光阑；所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为弯月形正光焦度透镜；所述透镜组位于所述主反射镜的下方；
入射光束射向主反射镜后被发射到次反射镜，光束在次反射镜上再次发生反射，次反射镜的反射光依次通过第一透镜和第二透镜后在像面成像；
所述孔径光阑的中心与所述光学系统的光轴的距离为离轴量h，光学系统的入瞳口径为D，所述光学系统的半视场角为ω，沿所述光学系统的光轴方向所述主反射镜与次反射镜的距离为L1，所述次反射镜的上边缘光线与所述光学系统的光轴的高度差为hA2，则h、D、ω、L1和hA2满足：
5mm≤h-[D/2+L1*tan(ω)+hA2]≤35mm。
本发明的有益效果：本发明采用孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能，同时实现轻小型设计。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主反射镜为凹面反射镜，且面型为抛物面，所述次反射镜为凸面反射镜，且面型为双曲面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述次反射镜的二次项系数K满足：
-4.7≤K≤-2.1。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜和第二透镜的面型均为球面面型。
作为上述技术方案的进一步改进，所述反射镜的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
为了降低光学系统的加工与制造成本，获得高性价比的设计方案，光学系统的主反射镜采用抛物面面型，次反射镜采用二次双曲面面型，检具制造及检测光路的搭建复杂度较低。
在工作时，恒星光信号通过主反射镜及次反射镜进行光信号的聚集，反射镜组承担了光学系统的主要光焦度。由于主反射镜为抛物面面型，产生的球差较小，视场引起的彗差通过次反射镜进行平衡。后组双分离透镜的组合光焦度接近于零，避免产生大量的色差，并校正了残余的像散、场曲以及畸变像差。
本发明光学系统光焦度分配合理，主反射镜采用抛物面面型，次反射镜采用双曲面面型，避免了采用高次非球面面型引起的加工及检测时检具制造及搭建检测光路的复杂性，降低加工难度以及装调难度，有利于提高长焦距星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的总长为L，所述光学系统的焦距为f，则满足：
L/f≤0.32。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主反射镜的曲率半径为-597.5mm，通光口径为所述次反射镜的曲率半径为-255.9mm，通光口径为所述第一透镜的前表面曲率半径为54.3mm，后表面曲率半径为35.6mm，中心厚度为15mm，通光口径为所述第二透镜的前表面曲率半径为-771.6mm，后表面曲率半径为-75.2mm，中心厚度为8mm，通光口径为
本发明光学系统采用基于孔径离轴的折反射式光学系统结构型式，避免了采用纯透射式光学系统在长焦距设计情况下难以校正宽光谱色差特别是二级光谱的难题，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果；也避免了同轴折反射式光学系统产生中心遮拦的问题，提高了能量集中度性能。
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是本实施例光学系统的结构示意图；
图2是无遮拦光学系统与有遮拦光学系统能量集中度比较；
图3是本实施例光学系统的光学传递函数曲线；
图4是本实施例光学系统的能量集中度曲线。
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1，一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，包括反射镜组、透镜组和像面，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜200，所述透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜300和第二透镜，所述主反射镜100和次反射镜200的反射面相对，所述主反射镜100朝向入光光源的前表面上设有孔径光阑；所述第一透镜300为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为弯月形正光焦度透镜；所述透镜组位于所述主反射镜100的下方；
入射光束射向主反射镜100后被发射到次反射镜200，光束在次反射镜200上再次发生反射，次反射镜200的反射光依次通过第一透镜300和第二透镜后在像面成像；
所述孔径光阑500的中心与所述光学系统的光轴的距离为离轴量h，光学系统的入瞳口径为D，所述光学系统的半视场角为ω，沿所述光学系统的光轴方向所述主反射镜100与次反射镜200的距离为L1，所述次反射镜200的上边缘光线与所述光学系统的光轴的高度差为hA2，则h、D、ω、L1和hA2满足：
5mm≤h-[D/2+L1*tan(ω)+hA2]≤35mm。
参考图1，图中的O为所述光学系统的光轴。
为避免遮挡光线，合理选择与设计光学系统的孔径离轴量是关键，在保证光学系统紧凑设计的前提下，一方面尽量降低光线在次反射镜200上的高度，另一方面，孔径光阑500的中心与光轴的距离即离轴量应确保光线到达主反射镜100前的路径不会与次反射镜200发生交叠；此外，也不应将透镜组与次反射镜200的间隔设计过大，否则会造成光学像差校正难度大，光学系统垂直于光轴方向的体量也会变大。
本发明采用孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能，同时实现轻小型设计。
进一步作为优选的实施方式，所述主反射镜100为凹面反射镜，且面型为抛物面，所述次反射镜200为凸面反射镜，且面型为双曲面。
进一步作为优选的实施方式，所述次反射镜200的二次项系数K满足：
-4.7≤K≤-2.1。
进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜300和第二透镜的面型均为球面面型。
进一步作为优选的实施方式，所述反射镜的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
进一步作为优选的实施方式，所述透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
为了降低光学系统的加工与制造成本，获得高性价比的设计方案，光学系统的主反射镜100采用抛物面面型，次反射镜采用二次双曲面面型，检具制造及检测光路的搭建复杂度较低。
在工作时，恒星光信号通过主反射镜100及次反射镜200进行光信号的聚集，反射镜组承担了光学系统的主要光焦度。由于主反射镜100为抛物面面型，产生的球差较小，视场引起的彗差通过次反射镜200进行平衡。后组双分离透镜的组合光焦度接近于零，避免产生大量的色差，并校正了残余的像散、场曲以及畸变像差。
本发明光学系统光焦度分配合理，主反射镜100采用抛物面面型，次反射镜200采用双曲面面型，避免了采用高次非球面面型引起的加工及检测时检具制造及搭建检测光路的复杂性，降低加工难度以及装调难度，有利于提高长焦距星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
进一步作为优选的实施方式，所述光学系统的总长为L，所述光学系统的焦距为f，则满足：
L/f≤0.32。
所述光学系统的总长为次反射镜200的前表面到像面的距离。
进一步作为优选的实施方式，所述主反射镜100的曲率半径为-597.5mm，通光口径为所述次反射镜200的曲率半径为-255.9mm，通光口径为所述第一透镜300的前表面曲率半径为54.3mm，后表面曲率半径为35.6mm，中心厚度为15mm，通光口径为所述第二透镜的前表面曲率半径为-771.6mm，后表面曲率半径为-75.2mm，中心厚度为8mm，通光口径为
本发明光学系统采用基于孔径离轴的折反射式光学系统结构型式，避免了采用纯透射式光学系统在长焦距设计情况下难以校正宽光谱色差特别是二级光谱的难题，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果；也避免了同轴折反射式光学系统产生中心遮拦的问题，提高了能量集中度性能。
所述主反射镜100的前表面与次反射镜200的后表面的距离为215mm；次反射镜200的后表面到第一透镜300的前表面的距离为170.1mm；第一透镜300的后表面到第二透镜的前表面的距离为4.3mm，第二透镜的后表面到像面的距离为48.9mm。
本实施例的光学系统的具体参数为：
焦距800mm；入瞳口径为视场角1.7°；光谱范围为550nm～1100nm；接近衍射极限像质，全视场平均传函MTF优于0.37@50lp/mm；光学系统的总长(所述次反射镜200的前表面到像面的距离)为246.3mm，总长与焦距的比值为0.31。
本发明光学系统在匹配像素尺寸为5.5μm的cmos探测器时，单像元分辨率精度达到1.38″。
本发明实现焦距接近米级的星敏感器光学系统设计，光学元件数量少，且空间布局紧凑，光学系统焦距达到800mm，光谱范围550nm～1100nm，探测精度高，解决长焦距星敏感器光学系统在设计上无法同时实现轻小型与高精度的难题。
参考图2，图2表征了在相对孔径一致、光学系统像质达到衍射极限时，有中心遮拦光学系统以及无中心遮拦光学系统的能量集中度曲线对比结果。相对孔径取F/10.6，遮拦比(在入瞳位置处，遮挡的光斑面积与入瞳面积的比值)取典型值16％时，P1为无遮拦能量集中度曲线，P2为有遮拦能量集中度曲线。可以看出，有遮拦情况下，直径范围内能量集中度达到73.5％；无遮拦情况下，直径范围内能量集中度达到86.5％，能量集中度性能相比有遮拦情况下提高17.7％以上。
参考图3，图3表征了本发明实例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在50lp/mm时达到0.37以上，成像质量优异。
参考图4，图4表征了本发明实例中光学系统的能量集中度曲线分布，除边缘视场外，在范围内能量集中度达到80％以上，恒星光信号获得较好的聚集。
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 (8)

1.一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于，包括反射镜组、透镜组和像面，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述主反射镜和次反射镜的反射面相对，所述主反射镜朝向入光光源的前表面上设有孔径光阑；所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为弯月形正光焦度透镜；所述透镜组位于所述主反射镜的下方；
入射光束射向主反射镜后被发射到次反射镜，光束在次反射镜上再次发生反射，次反射镜的反射光依次通过第一透镜和第二透镜后在像面成像；
所述孔径光阑的中心与所述光学系统的光轴的距离为离轴量h，光学系统的入瞳口径为D，所述光学系统的半视场角为ω，沿所述光学系统的光轴方向所述主反射镜与次反射镜的距离为L1，所述次反射镜的上边缘光线与所述光学系统的光轴的高度差为hA2，则h、D、ω、L1和hA2满足：
5mm≤h-[D/2+L1*tan(ω)+hA2]≤35mm。
2.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述主反射镜为凹面反射镜，且面型为抛物面，所述次反射镜为凸面反射镜，且面型为双曲面。
3.根据权利要求2所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述次反射镜的二次项系数K满足：
-4.7≤K≤-2.1。
4.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的面型均为球面面型。
5.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述反射镜的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
6.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则满足：
7.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述光学系统的总长为L，所述光学系统的焦距为f，则满足：
L/f≤0.32。
8.根据权利要求1所述的一种高精度小型化长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述主反射镜的曲率半径为-597.5mm，通光口径为所述次反射镜的曲率半径为-255.9mm，通光口径为所述第一透镜的前表面曲率半径为54.3mm，后表面曲率半径为35.6mm，中心厚度为15mm，通光口径为所述第二透镜的前表面曲率半径为-771.6mm，后表面曲率半径为-75.2mm，中心厚度为8mm，通光口径为
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