CN111812827B - 一种应用于空间碎片广域探测的光学系统 - Google Patents

一种应用于空间碎片广域探测的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于空间碎片广域探测的光学系统。该系统包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和探测器；该系统其性能指标优良，不仅入瞳直径可达100mm以上，光谱范围450nm‑850nm，并且能够在28°*28°视场范围满足空间目标广域探测的使用要求。

Description

一种应用于空间碎片广域探测的光学系统
技术领域
本发明属于空间光学系统技术领域，具体涉及一种应用于空间碎片广域探测的光学系统。
背景技术
空间碎片是指环绕地球并在空间按照一定轨道运行的物体，如助推器、保护罩、卫星碎片、失效卫星等。空间碎片严重的威胁着在轨运行航天器的安全，它们和航天器的碰撞直接改变卫星表面性能，造成航天器表面损伤，导致航天器系统故障，对航天器的在轨常运行带来极大危害。同时近年来，人类的空间活动越来越频繁，空间碎片的数量越来越多，使得空间环境日益恶化。大视场空间碎片广域探测技术可以对空间碎片进行搜索、发现，为空间碎片规避和空间安全提供信息基础，保证航天器在轨运行安全。
大视场空间碎片广域探测系统不同于一般的光学系统，其光学设计要求主要有以下几个方面：
(1)光学系统孔径大；孔径大小直接关系到系统的探测能力，孔径越大，探测能力越强，弱小目标可以被探测；
(2)光学系统视场大；视场越大，系统的时效性越强，短时间内即可完成目标区域内的碎片探测；
(3)视场内弥散斑直径与探测器2*2或3*3像元接近；
(4)各个视场弥散斑大小分布均匀；
(5)系统光谱范围较宽，光谱宽度大于等于400nm；
由于光学系统视场、孔径、光谱范围增大直接影响光学系统的球差、慧差、畸变、场曲和垂轴色差，极大的增加了系统的设计难度。现有的光学系统存在视场大的入瞳直径较小，系统探测能力有限，反之入瞳直径大的视场角较小，系统时效性较低，同时光谱范围较窄，均无法不能满足大视场空间目标广域探测的需求。
发明内容
为了解决背景技术中现有光学系统存在的视场大而入瞳直径较小，或者入瞳直径大而视场角较小，并且光谱范围较窄的技术问题，本发明目的提供了一种应用于空间碎片广域探测的光学系统，其性能指标优良，入瞳直径可达100mm以上，光谱范围450nm-850nm，能够在28°*28°视场范围满足空间目标广域探测的使用要求。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：
本发明提供了一种应用于空间碎片广域探测的光学系统，包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和探测器；
第二负透镜、第三负透镜的前表面均为高次非球面；
第一负透镜前、后表面的曲率半径分别为：115.5mm～119.2mm和89.4mm～93mm，厚度为15mm～19mm；
第一正透镜的材料折射率为1.422～1.555，第一正透镜前、后表面的曲率半径分别为：89.5mm～93.4mm和345mm～348.3mm，厚度为27mm～31mm；第一正透镜前表面与第一负透镜后表面的距离为3mm～4.5mm；
第二负透镜的材料折射率为1.65～1.72，第二负透镜前、后表面的曲率半径分别为：-284.65mm～-286.3mm和391.88mm～392.45mm，厚度为9.8mm～11mm；第二负透镜前表面与第一正透镜后表面的距离为22.4mm～23.8mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面的距离为21.4mm～22.85mm；
第二正透镜的材料折射率为1.43～1.474，第二正透镜前、后表面的曲率半径分别为：103.2mm～105.4mm和-400mm～-407mm，厚度为27mm～29mm；第二正透镜前表面与孔径光阑的距离为3mm～5.1mm；
第三正透镜的材料折射率为1.41～1.55，第三正透镜前、后表面的曲率半径分别为：110.2mm～111.4mm和-155mm～-158mm，厚度为30mm～33.1mm；第三正透镜前表面与第二正透镜后表面的距离为9.5mm～11mm；
第三负透镜的材料折射率为1.75～1.81，第三负透镜前、后表面的曲率半径分别为：-130mm～-133mm和-307mm～-309mm，厚度为14.95mm～16mm；第三负透镜前表面与第三正透镜后表面的距离为5.9mm～7mm；
第四负透镜的材料折射率为1.51～1.58，第四负透镜前后表面的曲率半径分别为：-63mm～-63.85mm和平面，厚度为5.95mm～7mm；第四负透镜前表面与第三负透镜后表面的距离为78mm～79mm；第四负透镜后表面到像面的距离为5.5mm；
探测器的光谱权重随入射光的波长变化而变化。
进一步地，上述第一负透镜的材料为SILICA。
进一步地，上述探测器的光谱权重与入射光的波长之间的关系为：
波长450 500 550 600 650 700 750 850
权重78 90 94 94 91 84 74 58
进一步地，上述探测器的保护窗口材料为K9，厚度为0.95mm，探测器的保护窗口到感光面距离为0.85mm。
进一步地，上述第二负透镜的高次非球面为凹面，其具体表达式如下：
Figure GDA0002978622560000041
其中K＝0，A＝-6.336e-008，B＝4.595e-012，C＝-8.852e-016
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数。
进一步地，上述第三负透镜的的高次非球面为凹面，主要用来校正系统球差，其具体表达式如下：
Figure GDA0002978622560000042
其中K＝-1.404，A＝-2.559e-007，B＝1.731e-012，C＝2.44e-015
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数。
上述各透镜中前表面为即正对光路的表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的光学系统中各个透镜光焦度采用‘负-正-负-正-正-负-负’的组合可以校正系统场曲，使系统像面为接近平面，第七透镜采用‘凹平’负透镜主要为进一步校正系统场曲；其中第一透镜采用负光焦度可以增加系统视场；另外考虑到该光学系统处于空间应用环境，各个透镜均采用分离镜的方式，避免了使用胶合透镜来校正系统色差，以及采用胶合透镜在复杂空间环境下容易脱胶、变性和变色的问题。
同时，由于本光学系统各个透镜的光焦度组合方式，以及各个透镜的参数设计，从而确保了光学系统的入瞳直径可达100mm到110mm，光谱范围为450nm-850nm，并且第二负透镜、第三负透镜的前表面均为高次非球面，采用两个非球面主要为校正系统球差，可以实现28°*28°视场范围80％弥散圆直径系统弥散斑小于20μm。
2、本发明中第一负透镜材料采用SIILCA进行抗辐射，去掉了在光学系统中增加防辐射平板窗口，减少系统光学元件数，使得结构更加紧凑。
3、本发明中第二负透镜、第三负透镜的高次非球面均在凹面上，相比于凸面高次非球面，凹面高次非球面的检测光路较容易实现，加工加测难度较小。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图。
图2为本发明光学系统能量集中度曲线及80％能量圆直径。
图3为本发明光学系统弥散斑全视场显示。
附图标记如下：
1-第一负透镜、2-第一正透镜、3-第二负透镜、4-孔径光阑、5-第二正透镜、6-第三正透镜、7-第三负透镜、8-第四负透镜、9-探测器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种应用于空间碎片广域探测的光学系统的具体结构，如图1所示，包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的第一负透镜1、第一正透镜2、第二负透镜3、孔径光阑4、第二正透镜5、第三正透镜6、第三负透镜7、第四负透镜8和探测器9；
下面对本实施例光学系统中各个光学器件的具体参数进行详细说明：
第一负透镜1的材料为SILICA，其可以作为系统的防辐射窗口同时也可校正系统像差，第一负透镜1前、后表面的曲率半径分别为：115.5mm～119.2mm和89.4mm～93mm，厚度为15mm～19mm；
第一正透镜2的材料折射率为1.422～1.555，第一正透镜2前、后表面的曲率半径分别为：89.5mm～93.4mm和345mm～348.3mm，厚度为27mm～31mm；第一正透镜2前表面与第一负透镜1后表面的距离为3mm～4.5mm；
第二负透镜3的材料折射率为1.65～1.72，第二负透镜3前、后表面的曲率半径分别为：-284.65mm～-286.3mm和391.88mm～392.45mm，厚度为9.8mm～11mm；第二负透镜3前表面与第一正透镜2后表面的距离为22.4mm～23.8mm；第二负透镜3前表面为高次非球面，且高次非球面为凹面，其表达式如下：
Figure GDA0002978622560000071
其中K＝0，A＝-6.336e-008，B＝4.595e-012，C＝-8.852e-016
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数；
孔径光阑4与第二负透镜3后表面的距离为21.4mm～22.85mm；
第二正透镜5的材料折射率为1.43～1.474，第二正透镜5前、后表面的曲率半径分别为：103.2mm～105.4mm和-400mm～-407mm，厚度为27mm～29mm；第二正透镜5前表面与孔径光阑的距离为3mm～5.1mm；
第三正透镜6的材料折射率为1.41～1.55，第三正透镜6前、后表面的曲率半径分别为：110.2mm～111.4mm和-155mm～-158mm，厚度为30mm～33.1mm；第三正透镜6前表面与第二正透镜5后表面的距离为9.5mm～11mm；
第三负透镜7的材料折射率为1.75～1.81，第三负透镜7前、后表面的曲率半径分别为：-130mm～-133mm和-307mm～-309mm，厚度为14.95mm～16mm；第三负透镜7前表面与第三正透镜6后表面的距离为5.9mm～7mm；第三负透镜7前表面为高次非球面，且高次非球面为凹面，其表达式如下：
Figure GDA0002978622560000081
其中K＝-1.404，A＝-2.559e-007，B＝1.731e-012，C＝2.44e-015
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数；
第四负透镜8的材料折射率为1.51～1.58，第四负透镜8前后表面的曲率半径分别为：-63mm～-63.85mm和平面，厚度为5.95mm～7mm；第四负透镜8前表面与第三负透镜7后表面的距离为78mm～79mm；第四负透镜8后表面到像面的距离为5.5mm；
由于应用于空间碎片广域探测的光学系统要求入瞳直径为100mm，光谱范围450nm-850nm，视场角为28°*28°，设计时需考虑到探测器窗口对系统像质的影响，将其输入到设计软件，同时不同探测器9的光谱响应不同，本实施例中探测器9光谱权重如下表所示：
Figure GDA0002978622560000082
探测器9的保护窗口材料为K9，厚度为0.95mm，探测器的保护窗口到感光面距离为0.85mm。
图2为本发明光学系统能量集中度曲线及80％能量圆直径(图2中的上半部分为光学系统能量集中度曲线，下半部分为上半部分中各个视场80％能量圆直径具体数值)，由图2上可以看出全视场内系统80％能量圆直径均小于20微米，图2下表明各视场系统80％能量圆直径位于13μm～16.5μm区间。
图3为本发明光学系统弥散斑全视场显示，由该图可以看出本光学系统的全视场弥散斑大小均衡，像质优良。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：
由沿光传播方向依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和探测器组成；
第二负透镜、第三负透镜的前表面均为高次非球面；
第一负透镜前、后表面的曲率半径分别为：115.5mm～119.2mm和89.4mm～93mm，厚度为15mm～19mm；
第一正透镜的材料折射率为1.422～1.555，第一正透镜前、后表面的曲率半径分别为：89.5mm～93.4mm和345mm～348.3mm，厚度为27mm～31mm；第一正透镜前表面与第一负透镜后表面的距离为3mm～4.5mm；
第二负透镜的材料折射率为1.65～1.72，第二负透镜前、后表面的曲率半径分别为：-284.65mm～-286.3mm和391.88mm～392.45mm，厚度为9.8mm～11mm；第二负透镜前表面与第一正透镜后表面的距离为22.4mm～23.8mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面的距离为21.4mm～22.85mm；
第二正透镜的材料折射率为1.43～1.474，第二正透镜前、后表面的曲率半径分别为：103.2mm～105.4mm和-400mm～-407mm，厚度为27mm～29mm；第二正透镜前表面与孔径光阑的距离为3mm～5.1mm；
第三正透镜的材料折射率为1.41～1.55，第三正透镜前、后表面的曲率半径分别为：110.2mm～111.4mm和-155mm～-158mm，厚度为30mm～33.1mm；第三正透镜前表面与第二正透镜后表面的距离为9.5mm～11mm；
第三负透镜的材料折射率为1.75～1.81，第三负透镜前、后表面的曲率半径分别为：-130mm～-133mm和-307mm～-309mm，厚度为14.95mm～16mm；第三负透镜前表面与第三正透镜后表面的距离为5.9mm～7mm；
第四负透镜的材料折射率为1.51～1.58，第四负透镜前后表面的曲率半径分别为：-63mm～-63.85mm和平面，厚度为5.95mm～7mm；第四负透镜前表面与第三负透镜后表面的距离为78mm～79mm；第四负透镜后表面到像面的距离为5.5mm；
探测器的光谱权重随入射光的波长变化而变化。
2.根据权利要求1所述的应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：所述第一负透镜的材料为SILICA。
3.根据权利要求1所述的应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：所述探测器的光谱权重与入射光的波长之间的关系为：当波长分别为450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、850nm时，光谱权重分别为78、90、94、94、91、84、74、58。
4.根据权利要求1所述的应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：所述探测器的保护窗口材料为K9，厚度为0.95mm，探测器的保护窗口到感光面距离为0.85mm。
5.根据权利要求1所述的应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：所述第二负透镜的高次非球面为凹面，其具体表达式如下：
Figure FDA0002978622550000031
其中K＝0，A＝-6.336e-008，B＝4.595e-012，C＝-8.852e-016
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数。
6.根据权利要求1所述的应用于空间碎片广域探测的光学系统，其特征在于：所述第三负透镜的高次非球面为凹面，其具体表达式如下：
Figure FDA0002978622550000032
其中K＝-1.404，A＝-2.559e-007，B＝1.731e-012，C＝2.44e-015
上式中，z为不同口径下非球面矢高；c为非球面曲率；r为非球面的口径；A、B、C为高次非球面高次项的系数。
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