CN112067020A - 一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，沿光线入射方向依次设有同轴排布的光阑、一次成像透镜组、中继成像透镜组、以及二次成像透镜组，最终光线射向像面；其中，所述一次成像透镜组包括透镜一和透镜二，所述中继成像透镜组包括透镜三和透镜四，所述二次成像透镜组包括透镜五、透镜六、透镜七和透镜八。本发明的光学系统的视场角不小于60°，针对星模拟器类光学系统属于超大视场光学系统，可直接单独对现有星敏感器姿态标定，避免视场拼接带来的测试误差和操作复杂，其入瞳距与焦距比为3，可与被测光电设备进行光瞳匹配，消除两光瞳失配带来的像差，以避免对像面标定精度的影响。

Description

一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统
技术领域
本发明涉及光学场镜仿真领域，具体涉及一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统。
背景技术
随着星光导航技术的日新月异，星敏感器的两个主要参数(视场和分辨率)要求越来越高。星模拟器作为星敏感器姿态标定的关键设备之一，也需要对自身指标进行更新。
星模拟器视场和分辨率都无法满足当前星敏技术的需求，目前常用方法以多个模拟器视场拼接为主，但是视场拼接带来的渐晕一直无法消除，这样就会导致星敏感器在测试中结果不可靠的问题，也失去了星模拟器自身的意义。光学系统是星模拟器的关键模块，对其分辨率和视场提高是首当其冲的工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的。
本发明提供了一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，沿光线入射方向依次设有同轴排布的光阑、一次成像透镜组、中继成像透镜组、以及二次成像透镜组，最终光线射向像面；
其中，所述一次成像透镜组包括透镜一和透镜二，所述中继成像透镜组包括透镜三和透镜四，所述二次成像透镜组包括透镜五、透镜六、透镜七和透镜八。
进一步地，所述光学系统的总焦距为f，所述一次成像透镜组的组合焦距为f1，所述中继成像透镜组的组合焦距为f2，所述二次成像透镜组的组合焦距为f3；且f与f1、f2、f3满足下列数学关系：
Figure BDA0002687070190000011
Figure BDA0002687070190000021
Figure BDA0002687070190000022
进一步地，该光学系统焦距为10mm，出瞳距为30mm，视场角为60°。
进一步地，所述透镜八与像面之间还设有分光棱镜。
进一步地，所述分光棱镜与像面之间还可设有自准直仪。
进一步地，所述分光棱镜与像面之间还设有干扰源。
本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点。
1、本发明的光学系统的视场角不小于60°，针对星模拟器类光学系统属于超大视场光学系统，可直接单独对现有星敏感器姿态标定，避免视场拼接带来的测试误差和操作复杂；
2、本发明的光学系统入瞳距与焦距比为3，可与被测光电设备进行光瞳匹配，消除两光瞳失配带来的像差，以避免对像面标定精度的影响；
3、本发明的光学系统工作距较长，根据功能需求可在光路中添加自准直、干扰源和杂光背景等功能；
4、本发明的光学系统成像质量接近衍射极限，基本消除像差对星点模拟精度的影响；
5、本发明的光学系统畸变优于0.8％，畸变较小，可保证星图模拟精度；
6、本发明的光学系统共用8片球面透镜，结构简单，便于装配。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明提供的光学系统结构示意图。
图2为光学系统光学调制传递函数。
图3为本发明提供的光学系统的球差.
图4为本发明提供的光学系统的像散曲线。
图5是本发明提供的光学系统畸变曲线。
图6是本发明提供的光学系统点列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明的技术方案采用采用二次成像结构形式，系统中有一次成像面，可通过设置孔径光阑进行杂光抑制。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，沿光线入射方向依次设有同轴排布的光阑、一次成像透镜组、中继成像透镜组、以及二次成像透镜组，最终光线射向像面；
其中，所述一次成像透镜组包括透镜一和透镜二，所述中继成像透镜组包括透镜三和透镜四，所述二次成像透镜组包括透镜五、透镜六、透镜七和透镜八。
可以理解，所述光学系统的总焦距为f，所述一次成像透镜组的组合焦距为f1，所述中继成像透镜组的组合焦距为f2，所述二次成像透镜组的组合焦距为f3；且f与f1、f2、f3满足下列数学关系：
Figure BDA0002687070190000031
Figure BDA0002687070190000041
Figure BDA0002687070190000042
进一步地，该光学系统焦距为10mm，出瞳距为30mm，视场角为60°。
进一步地，所述透镜八与像面之间还设有分光棱镜。
进一步地，所述分光棱镜与像面之间还可设有自准直仪。
进一步地，所述分光棱镜与像面之间还设有干扰源。
本发明的一次成像透镜组全用高折射率玻璃材料，可有效校正球差，中继成像透镜组将一次成像透镜组大光束孔径进行收缩进入二次成像透镜组，降低了大孔径带来的像差；透镜六属于光学设计常用厚透镜可对高级像差进行校正，也有利于实现大工作距；透镜八第二面为凸面，防止其与像面杂散光多次反射。
本实施例提供的超大视场高分辨率星模拟器光学系统，其各透镜组件的具体数据及采用的材料特性如表1所示。
表1
(单位/mm)
Figure BDA0002687070190000043
Figure BDA0002687070190000051
如图2所示，为光学系统调制传递函数，其中横坐标表示为空间调制频率，纵坐标表示为光学调制函数。可以看出本发明的光学系统在大部分视场成像性能良好，只有边缘稍有下降，可适当放宽。
如图3、4所示，为本发明提供的光学系统在不同波段下的球差和像散，可以看出球差和像散得到了良好的校正，间接可得到色差不明显。
如图5所示，是本发明提供的光学系统畸变曲线，其中横坐标表示为光学畸变，纵坐标为光学系统视场角，可以看出该光学系统畸变小于0.7％。
如图6所示，为本发明提供的光学系统的点列图弥散斑仿真图，可以看出各个视场角弥散斑优于3.74微米。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，沿光线入射方向依次设有同轴排布的光阑、一次成像透镜组、中继成像透镜组、以及二次成像透镜组，最终光线射向像面；
其中，所述一次成像透镜组包括透镜一和透镜二，所述中继成像透镜组包括透镜三和透镜四，所述二次成像透镜组包括透镜五、透镜六、透镜七和透镜八。
2.如权利要求1所述的超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，所述光学系统的总焦距为f，所述一次成像透镜组的组合焦距为f1，所述中继成像透镜组的组合焦距为f2，所述二次成像透镜组的组合焦距为f3；且f与f1、f2、f3满足下列数学关系：
Figure FDA0002687070180000011
Figure FDA0002687070180000012
Figure FDA0002687070180000013
3.如权利要求1所述的超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距为10mm，出瞳距为30mm，视场角为60°。
4.如权利要求1所述的超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，所述透镜八与像面之间还设有分光棱镜。
5.如权利要求4所述的超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，所述分光棱镜与像面之间还可设有自准直仪。
6.如权利要求4所述的超大视场、高分辨率的星模拟器光学系统，其特征在于，所述分光棱镜与像面之间还设有干扰源。
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