CN110703415B - 一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统 - Google Patents
一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，属于光学系统技术领域。本发明解决了现有的星敏感器光学系统在实现无热化设计的同时，没有考虑到温度对焦距的敏感性影响的问题。第一透镜、第二透镜、第四透镜及第五透镜的光焦度均为正，第三透镜和第六透镜的光焦度均为负，孔径光阑位于第三透镜与第四透镜之间，第一至第六透镜及像平面沿光线入射的方向同光轴依次排列，第一透镜的材质为SILICA，第二透镜的材质为D‑LAF50，第三透镜的材质为H‑ZF7LA，第四透镜的材质为D‑ZPK1A，第五透镜的材质为H‑ZLAF69，第六透镜的材质为H‑ZF7LA，机械结构材料为钛合金。采用不同材料的正负透镜和机械结构材料相互匹配，在实现光学系统的光学被动式无热化设计的同时，降低了焦距随温度变化的敏感性。
Description
技术领域
本发明涉及一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，属于空间光学系统技术领域。
背景技术
星敏感器以星空为工作对象，将天球中的恒星成像在星敏感器光学系统的焦平面上，再经过星点的质心提取、星图匹配和姿态解算等步骤后，可直接获得航天飞行器的三轴姿态信息。在已知的惯性导航设备中，星敏感器是测量精度最高的姿态测量仪器之一，其测量精度可达亚角秒量级。根据星敏感器的需求，星敏感器光学系统应具有大相对孔径、大视场、低畸变以及轻小型的特点。
星敏感器安装在卫星窗外，受轨道外热流影响较大，其工作的空间环境温度范围大约在-30℃～+60℃。温度发生变化时，光学系统易受光学玻璃材料的线膨胀、折射率温度变化以及机械结构件热膨胀的影响，温度发生变化后光学系统的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，探测精度会受到严重的影响。与此同时，光学系统的焦距也会随着温度的变化而变化，这将引起星敏感器标定后的主距发生变化，从而导致星敏感器姿态解算精度的下降，严重时需要进行重新标定以保证姿态的解算精度。然而，传统的无热化设计方法并没有考虑温度对焦距的影响。
星敏感器的姿态解算精度主要受恒星的探测星等、星点的质心提取精度和星敏感器的焦距随温度变化三个因素的影响。申请号为201821651454.5的实用新型专利公开了一种长焦距无热化星敏感器光学系统，能保证该星敏系统在-20℃～+60℃范围内，成像的弥散斑80％的能量集中在3×3像元内，以保证恒星的探测星等和质心的提取精度。但是，影响星敏感器姿态解算精度的另外一个重要因素，即星敏感器的焦距随温度变化，并没有得以解决。
发明内容
本发明是为了解决现有的星敏感器光学系统在实现无热化设计的同时，没有考虑到温度对焦距的敏感性影响的问题，进而提供了一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，它包括机械结构、透镜组、孔径光阑及像平面，所述透镜组包括第一至第六透镜，其中所述第一透镜、第二透镜、第四透镜及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均为负，孔径光阑位于第三透镜与第四透镜之间，第一至第六透镜及像平面沿光线入射的方向同光轴依次排列，所述第一透镜的材质为SILICA，所述第二透镜的材质为D-LAF50，所述第三透镜的材质为H-ZF7LA，所述第四透镜的材质为D-ZPK1A，所述第五透镜的材质为H-ZLAF69，所述第六透镜的材质为H-ZF7LA，所述机械结构材料为钛合金。
进一步地，整个光学系统的焦距为f，第一至第六透镜的焦距分别对应为f1～f6，每个透镜的焦距与整个光学系统的焦距对应满足如下条件：
0.20<f/f1<0.39；
0.71<f/f2<0.95；
-1.07<f/f3<-0.83；
0.90<f/f4<1.25；
0.63<f/f5<0.91；
-2.35<f/f6<-1.15。
进一步地，第一透镜的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，其中所述第一截止膜的截止波段为350nmm～500nm，所述第二截止膜的截止波段为900nmm～1000nm。
进一步地，第一透镜前表面的曲率半径为52.167mm，后表面为平面，中心厚度为6.187mm，透镜通光口径为Φ40.5mm；
第二透镜前表面的曲率半径为33.397mm，后表面为平面，中心厚度为6.916mm，透镜通光口径为Φ33.4mm；
第三透镜前表面的曲率半径为-103.024mm，后表面的曲率半径为43.727mm，中心厚度为2.524mm，透镜通光口径为Φ29.6mm；
第四透镜前表面的曲率半径为30.248mm，后表面的曲率半径为-73.588mm，中心厚度为7.0mm，透镜通光口径为Φ26.1mm；
第五透镜前表面的曲率半径为33.616mm，后表面的曲率半径为167.209mm，中心厚度为5.743mm，透镜通光口径为Φ19.1mm；
第六透镜前表面的曲率半径为-27.980mm，后表面的曲率半径为51.419mm，中心厚度为2.760mm，透镜通光口径为Φ15.0mm。
进一步地，第一透镜的中心与第二透镜的中心距离为3.890mm；第二透镜的中心与第三透镜的中心距离为1.810mm；第三透镜的中心与孔径光阑的中心距离为2.658mm；孔径光阑的中心与第四透镜的中心距离为13.828mm；第四透镜的中心与第五透镜的中心距离为4.782mm；第五透镜的中心与第六透镜的中心距离为1.901mm；第六透镜的中心与像平面的中心距离为4.0mm。
进一步地，第一至第六透镜均为球面透镜。
进一步地，光学系统的焦距f与光学系统的入瞳口径D的比值满足如下条件：
1.05≤f/D≤1.2。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请采用不同材料的正负透镜和机械结构材料相互匹配的方法，在实现光学系统的光学被动式无热化设计的同时，降低了焦距随温度变化的敏感性，满足空间环境温度的使用要求，降低了对星敏感器光学系统温度控制的要求。本申请具有宽光谱、大相对孔径、低畸变的特点，同时满足体积小重量轻的优点。
附图说明
图1为本申请的结构示意图(机械结构未示出)；
图2为本申请光学系统在+20℃下的能量集中度曲线图；
图3为本申请光学系统在-30℃下的能量集中度曲线图；
图4为本申请光学系统在+60℃下的能量集中度曲线图；
图5为本申请光学系统在-30℃～+60℃下的焦距改变量随温度变化的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，它包括机械结构、透镜组、孔径光阑1及像平面2，所述透镜组包括第一至第六透镜，其中所述第一透镜3、第二透镜4、第四透镜6及第五透镜7的光焦度均为正，所述第三透镜5和第六透镜8的光焦度均为负，孔径光阑1位于第三透镜5与第四透镜6之间，第一至第六透镜8及像平面2沿光线入射的方向同光轴依次排列，所述第一透镜3的材质为SILICA，所述第二透镜4的材质为D-LAF50，所述第三透镜5的材质为H-ZF7LA，所述第四透镜6的材质为D-ZPK1A，所述第五透镜7的材质为H-ZLAF69，所述第六透镜8的材质为H-ZF7LA，所述机械结构材料为钛合金。
所述机械结构包括镜座及镜筒，
第一透镜3的材质为SILICA，使得第一透镜3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，有利于减小星敏感器光学系统的体积和重量。
本申请针对传统无热化设计理论的不足，建立既满足无热化设计要求又降低温度对焦距的敏感性的数学模型，即：
其中，
为光学系统总光焦度，
为第i透镜的光焦度，hi为第一近轴光线在第i透镜上的入射高度，υi为第i透镜的阿贝数，fi为第i个透镜的焦距，αgi为透镜材料的线膨胀系数，Bgi为透镜材料的折射率温度系数，ni为第i个透镜的折射率，n0为环境介质的折射率，αhi为第i机械结构材料的热膨胀系数，Li为第i机械结构件的长度，λ为中心波长，F为光学系统的F数。
根据该公式，得到将不同材料的正负透镜和机械结构材料相互匹配的方法。
本光学系统的具体参数示例如下：
焦距37.6mm；相对孔径F/1.1；全视场角180；光谱范围为500nm～900nm；在半径为17μm的圆内能量集中度>80％；全视场的最大畸变<0.05％；全视场的最大色差<2.5μm；工作温度范围为-30℃～+60℃；光学系统的总长(光学系统的第一面到像平面)为64mm；后工作距离为4.0mm。
图2～图4为本申请的光学系统在不同温度下的能量集中度曲线图，可以看出，在-30℃～+60℃范围内，像面无明显离焦，在同一成像面位置，全视场光学系统的能量集中度基本保持不变，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。
图5为本发明光学系统在不同温度下的焦距变化曲线图，可以看出，在-30℃～+60℃范围内，焦距的最大变化量<2.5μm，保证了星敏感器在该温度范围内的高精度姿态输出。
本申请采用不同材料的正负透镜和机械结构材料相互匹配的方法，在实现光学系统的光学被动式无热化设计的同时，降低了焦距随温度变化的敏感性，满足空间环境温度的使用要求，降低了对星敏感器光学系统温度控制的要求。本申请具有宽光谱、大相对孔径、低畸变的特点，同时满足体积小重量轻的优点。
整个光学系统的焦距为f，第一至第六透镜8的焦距分别对应为f1～f6，每个透镜的焦距与整个光学系统的焦距对应满足如下条件：
0.20<f/f1<0.39；
0.71<f/f2<0.95；
-1.07<f/f3<-0.83；
0.90<f/f4<1.25；
0.63<f/f5<0.91；
-2.35<f/f6<-1.15。
第一透镜3的后表面镀有第一截止膜，第二透镜4的后表面镀有第二截止膜，其中所述第一截止膜的截止波段为350nmm～500nm，所述第二截止膜的截止波段为900nmm～1000nm。为了便于描述，以每个透镜的入光面为前表面，每个透镜的出光面为后表面。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
第一透镜3前表面的曲率半径为52.167mm，后表面为平面，中心厚度为6.187mm，透镜通光口径为Φ40.5mm；
第二透镜4前表面的曲率半径为33.397mm，后表面为平面，中心厚度为6.916mm，透镜通光口径为Φ33.4mm；
第三透镜5前表面的曲率半径为-103.024mm，后表面的曲率半径为43.727mm，中心厚度为2.524mm，透镜通光口径为Φ29.6mm；
第四透镜6前表面的曲率半径为30.248mm，后表面的曲率半径为-73.588mm，中心厚度为7.0mm，透镜通光口径为Φ26.1mm；
第五透镜7前表面的曲率半径为33.616mm，后表面的曲率半径为167.209mm，中心厚度为5.743mm，透镜通光口径为Φ19.1mm；
第六透镜8前表面的曲率半径为-27.980mm，后表面的曲率半径为51.419mm，中心厚度为2.760mm，透镜通光口径为Φ15.0mm。
第一透镜3的中心与第二透镜4的中心距离为3.890mm；第二透镜4的中心与第三透镜5的中心距离为1.810mm；第三透镜5的中心与孔径光阑1的中心距离为2.658mm；孔径光阑1的中心与第四透镜6的中心距离为13.828mm；第四透镜6的中心与第五透镜7的中心距离为4.782mm；第五透镜7的中心与第六透镜8的中心距离为1.901mm；第六透镜8的中心与像平面2的中心距离为4.0mm。
第一至第六透镜8均为球面透镜。如此设计，降低了加工和装调的难度，有利于保证星敏感光学系统的可制造性与装配良率，同时降低研制成本。
光学系统的焦距f与光学系统的入瞳口径D的比值满足如下条件：1.05≤f/D≤1.2。
Claims (7)
1.一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，它包括机械结构、透镜组、孔径光阑(1)及像平面(2)，其特征在于：所述透镜组由第一至第六透镜组成，其中所述第一透镜(3)、第二透镜(4)、第四透镜(6)及第五透镜(7)的光焦度均为正，所述第三透镜(5)和第六透镜(8)的光焦度均为负，孔径光阑(1)位于第三透镜(5)与第四透镜(6)之间，第一至第六透镜(8)及像平面(2)沿光线入射的方向同光轴依次排列，所述第一透镜(3)的材质为SILICA，所述第二透镜(4)的材质为D-LAF50，所述第三透镜(5)的材质为H-ZF7LA，所述第四透镜(6)的材质为D-ZPK1A，所述第五透镜(7)的材质为H-ZLAF69，所述第六透镜(8)的材质为H-ZF7LA，所述机械结构材料为钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：整个光学系统的焦距为f，第一至第六透镜(8)的焦距分别对应为f1～f6，每个透镜的焦距与整个光学系统的焦距对应满足如下条件：
0.20<f/f1<0.39；
0.71<f/f2<0.95；
-1.07<f/f3<-0.83；
0.90<f/f4<1.25；
0.63<f/f5<0.91；
-2.35<f/f6<-1.15。
3.根据权利要求1或2所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：第一透镜(3)的后表面镀有第一截止膜，第二透镜(4)的后表面镀有第二截止膜，其中所述第一截止膜的截止波段为350nmm～500nm，所述第二截止膜的截止波段为900nmm～1000nm。
4.根据权利要求3所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：第一透镜(3)前表面的曲率半径为52.167mm，后表面为平面，中心厚度为6.187mm，透镜通光口径为Φ40.5mm；
第二透镜(4)前表面的曲率半径为33.397mm，后表面为平面，中心厚度为6.916mm，透镜通光口径为Φ33.4mm；
第三透镜(5)前表面的曲率半径为-103.024mm，后表面的曲率半径为43.727mm，中心厚度为2.524mm，透镜通光口径为Φ29.6mm；
第四透镜(6)前表面的曲率半径为30.248mm，后表面的曲率半径为-73.588mm，中心厚度为7.0mm，透镜通光口径为Φ26.1mm；
第五透镜(7)前表面的曲率半径为33.616mm，后表面的曲率半径为167.209mm，中心厚度为5.743mm，透镜通光口径为Φ19.1mm；
第六透镜(8)前表面的曲率半径为-27.980mm，后表面的曲率半径为51.419mm，中心厚度为2.760mm，透镜通光口径为Φ15.0mm。
5.根据权利要求4所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：第一透镜(3)的中心与第二透镜(4)的中心距离为3.890mm；第二透镜(4)的中心与第三透镜(5)的中心距离为1.810mm；第三透镜(5)的中心与孔径光阑(1)的中心距离为2.658mm；孔径光阑(1)的中心与第四透镜(6)的中心距离为13.828mm；第四透镜(6)的中心与第五透镜(7)的中心距离为4.782mm；第五透镜(7)的中心与第六透镜(8)的中心距离为1.901mm；第六透镜(8)的中心与像平面(2)的中心距离为4.0mm。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：第一至第六透镜(8)均为球面透镜。
7.根据权利要求6所述的一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统，其特征在于：光学系统的焦距f与光学系统的入瞳口径D的比值满足如下条件：1.05≤f/D≤1.2。
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