CN114137707A - 紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，光学系统从物方到像方依次包括前组和后组，且前组和后组共光轴，其中：前组包括主反射镜和次反射镜，主反射镜为凹面反射镜，面型为抛物面，次反射镜为凸面反射镜，面型为双曲面；后组包括后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三，后组透镜一为凸面向物方的弯月正透镜，后组透镜二为双凹负透镜，后组透镜三为双凸正透镜；物方成像光束依次经过主反射镜、次反射镜、后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三最终成像在探测器上。本发明的星敏感器光学系统采用像方远心光路的结构型式，具有结构紧凑、体积小、重量轻和环境适用性好等优点。

Description

紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统。
背景技术
姿态控制是航天器正常工作的前提，星敏感器由于可以实现高精度姿态定位被广泛应用于各类航天器上，极大程度地保证了军事侦查、资源探索、天文观测和信息传递等任务的顺利完成。光学系统是星敏感器的重要组成部分，它的性能直接影响星敏感器的测量精度和探测能力，进而关系到星图识别的成功率和测控精度。星敏感器的工作环境较为复杂，其中工作环境温度变化尤为明显，星敏感器光学系统性能易受光学玻璃材料的线膨胀、折射率温度变化和机械结构件热膨胀的影响，当温度发生变化时光学系统最佳像面的位置会偏离光敏面，导致光学系统弥散斑变大，影响星敏感器性能，因此星敏感器光学系统需要能承受大范围温度变大，在不同环境温度下保持光学性能的稳定。同时，体积和质量也是航天仪器的重要指标之一，因此轻小型化也是星敏感器光学系统的重要发展趋势之一。
现有的星敏感器光学系统多采用透射式结构，系统的色差不易校正，镜片数量较多，系统的光学被动无热化设计难度较大，能够正常工作的温度范围有限，一般能够正常工作的温度变化范围不超过八十摄氏度。
发明内容
本发明的目的是为了满足星敏感器轻小型化和无热化的使用要求，设计一种紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，具有结构紧凑、体积小、重量轻和环境适用性好等特点，在较宽的温度范围内成像质量良好，可以广泛应用于航空航天领域。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，从物方到像方依次包括前组和后组，且前组和后组共光轴，其中：
前组为卡式系统，包括主反射镜和次反射镜，主反射镜为凹面反射镜，面型为抛物面，次反射镜为凸面反射镜，面型为双曲面；
后组包括后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三，后组透镜一为凸面向物方的弯月正透镜，后组透镜二为双凹负透镜，后组透镜三为双凸正透镜；
物方成像光束依次经过主反射镜、次反射镜、后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三最终成像在探测器上。
接上述技术方案，主反射镜和次反射镜间距小于55mm，该光学系统总长小于96mm。
接上述技术方案，主反射镜和次反射镜的光学材料均为微晶玻璃，主结构件材料为殷钢；后组三片透镜为高折射率玻璃材料，后组的结构件材料为铝合金。
接上述技术方案，该光学系统采用像方远心光路的结构型式，不同视场的主光线在像面上的入射角均小于0.3゜。
接上述技术方案，该光学系统的工作波段范围为900nm～1700nm，焦距为800mm，适用于像元30μm×30μm、320×256的短波红外探测器。
接上述技术方案，该光学系统的工作温度为-55℃～+70℃。
接上述技术方案，主反射镜的焦距：-70mm<f1’<-65mm；次反射镜的焦距：-20mm<f2’<-15mm。
接上述技术方案，后组透镜一的焦距：150mm<f3’<160mm；后组透镜二的焦距：-10mm<f4’<-8mm；后组透镜三的焦距：25mm<f5’<30mm。
接上述技术方案，主反射镜和次反射镜之间的距离：-56mm<d1<-54mm；次反射镜和后组透镜一之间的距离：42mm<d2<44mm；后组透镜一和后组透镜二之间的距离：8mm<d3<9mm；后组透镜二和后组透镜三之间的距离：17mm<d4<18mm；后组透镜三到像面的距离：19mm<d5<21mm。
本发明产生的有益效果是：本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统采用折反射结构，前组卡式系统承担系统主要的光焦度，降低了光学系统的像差校正难度，有利于光学系统的小型化设计，光学系统总长小于96mm，光学系统体积小、重量轻。
进一步地，本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统具有好的环境适应性，在-55℃～+70℃温度范围内成像质量良好，工作温度范围大。
进一步地，本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统采用像方远心光路的结构型式，不同视场的主光线在像面上的入射角小于0.3゜，能够减小离焦对星点质心位置的影响。
进一步地，本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统工作波段范围为900nm～1700nm，焦距为800mm，适用于像元30μm×30μm、320×256短波红外探测器。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统的光路图；
图3为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的MTF图；
图4为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的MTF图；
图5为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的MTF图；
图6为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的点列图；
图7为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的点列图；
图8为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的点列图；
图9为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的能量集中度曲线；
图10为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的能量集中度曲线；
图11为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的能量集中度曲线。
图1中：1-主反射镜，2-次反射镜，3-后组透镜一，4-后组透镜二，5-后组透镜三。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，包括前组和后组，其中前组包括主反射镜1和次反射镜2，后组包括后组透镜一3、后组透镜二4和后组透镜三5共三片透镜，物方成像光束依次经过主反射镜1、次反射镜2、后组透镜一3、后组透镜二4和后组透镜三5成像在探测器上。所有镜片共光轴。
进一步地，本发明实例的光学系统主要为折反射式机构，可以大大减小光学长度。该实施例中主反射镜为凹面反射镜，面型为抛物面，且其为中间开孔的环形凹面反射镜；次反射镜为凸面反射镜，面型为双曲面。后组透镜一为一片凸面向物方的弯月正透镜，后组透镜二为一片双凹负透镜，后组透镜三为一片双凸正透镜。本发明的较佳实施例中，如图1、2所示，前组形成卡式结构，承担了系统主要的光焦度，降低了光学系统的像差校正难度，有利于光学系统的小型化设计。
进一步地，本发明实例中，前组中的主反射镜和次反射镜的材料可选用微晶玻璃，选择结构件材料为殷钢，后组三片透镜为高折射率玻璃材料，后组结构件材料为铝合金。
进一步地，本发明实施例中，光学系统总长小于96mm，光学系统具有体积小，重量轻的优点。
进一步地，本发明实施例中，不同视场成像光束的主光线在像面上的入射角小于0.3゜，可以减小温度变化、振动冲击等环境因素带来的离焦对星点质心位置的影响。
本发明的较佳实施例中，主反镜的焦距：-70mm<f1’<-65mm；次反射镜的焦距：-20mm<f2’<-15mm；后组透镜一的焦距：150mm<f3’<160mm；后组透镜二的焦距：-10mm<f4’<-8mm；后组透镜三的焦距：25mm<f5’<30mm。
主次镜间的距离：-56mm<d1<-54mm；次镜和后组透镜一之间的距离：42mm<d2<44mm；后组透镜一和后组透镜二之间的距离：8mm<d3<9mm；后组透镜二和后组透镜三之间的距离：17mm<d4<18mm；后组透镜三到像面的距离：19mm<d5<21mm。
进一步地，本发明实例的光学系统在-55℃～+70℃范围内成像质量良好，具有好的环境适应性。
进一步地，本发明实例的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，工作波段范围为900nm～1700nm，焦距为800mm，适用于像元30μm×30μm、320×256短波红外探测器。
图3为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的MTF图，图4为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的MTF图，图5为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的MTF图。光学系统在不同工作温度下的MTF线均接近衍射极限，成像质量良好。
图6为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的点列图，图7为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的点列图，图8为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的点列图。光学系统的最大点列图直径小于17um，小于一个像元尺寸，满足使用要求。
图9为本发明实施例星敏感器光学系统+20℃时的能量集中度曲线，图10为本发明实施例星敏感器光学系统-55℃时的能量集中度曲线，图11为本发明实施例星敏感器光学系统+70℃时的能量集中度曲线。光学系统不同视场的85％能量集中在2个像元尺寸内，能量集中度高。
综上所述，本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，采用折反射式结构有效地减小了系统的体积和重量，通过光学件材料和结构材料的合理搭配降低温度变化对光学系统性能的影响，为了进一步地增加光学系统的环境适应性，光学系统的光路采用像方远心光路的结构型式，降低环境因素造成的离焦对质心位置的影响。
本发明的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统具有结构紧凑、体积小、重量轻和环境适应性好等优点，在较宽的温度范围内成像质量良好，可以应用于航空航天领域。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，从物方到像方依次包括前组和后组，且前组和后组共光轴，其中：
前组为卡式系统，包括主反射镜和次反射镜，主反射镜为凹面反射镜，面型为抛物面，次反射镜为凸面反射镜，面型为双曲面；
后组包括后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三，后组透镜一为凸面向物方的弯月正透镜，后组透镜二为双凹负透镜，后组透镜三为双凸正透镜；
物方成像光束依次经过主反射镜、次反射镜、后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三最终成像在探测器上。
2.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，该光学系统总长小于96mm。
3.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，主反射镜和次反射镜的光学材料均为微晶玻璃，主结构件材料为殷钢；后组三片透镜为高折射率玻璃材料，后组的结构件材料为铝合金。
4.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，该光学系统采用像方远心光路的结构型式，不同视场的主光线在像面上的入射角均小于0.3゜。
5.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，该光学系统的工作波段范围为900nm～1700nm，焦距为800mm，适用于像元30μm×30μm、320×256的短波红外探测器。
6.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其他特征在于，主反射镜的焦距：-70mm<f1’<-65mm；次反射镜的焦距：-20mm<f2’<-15mm。
7.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其他特征在于，后组透镜一的焦距：150mm<f3’<160mm；后组透镜二的焦距：-10mm<f4’<-8mm；后组透镜三的焦距：25mm<f5’<30mm。
8.根据权利要求1所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其他特征在于，主反射镜和次反射镜之间的距离：-56mm<d1<-54mm；次反射镜和后组透镜一之间的距离：42mm<d2<44mm；后组透镜一和后组透镜二之间的距离：8mm<d3<9mm；后组透镜二和后组透镜三之间的距离：17mm<d4<18mm；后组透镜三到像面的距离：19mm<d5<21mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的紧凑型长焦距无热化星敏感器光学系统，其特征在于，该光学系统的工作温度为-55℃～+70℃。
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