CN116125635A - 一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像系统技术领域，具体为一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，包括系统组件，系统组件包括第一镜片、合成镜组、分光平板以及探测面；第一镜片包括竖直月牙型窗口镜片和水平月牙型窗口镜片，合成镜组包括前置镜组、中置镜组以及后继镜组，合成镜组用于将光束成像在探测面上。本发明由两片月牙型窗口镜片、分光平板以及合成镜组组成，两片月牙型窗口镜片分别用于接收可见光与紫外波段的光束，分光平板与光轴成45°将可见光束反射后进入合成镜组，同时将两波段的图像成像在同一个探测面上，可根据各自波段的不同特点单独设计，合理选择光学材料，合理设计各自所需要承担的负光焦度，实现了两个波段的共焦面设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种双波段星敏感器光学系统，特别是涉及一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，属于光学成像系统技术领域。
背景技术
为提高星敏感器精度，需要研制可见光紫外双波段星敏感器光学系统，同时对来自相互垂直方向的恒星和地球信号成像在同一个探测器的不同区域，来自恒星的可见光信号成像在探测器中心区域；来自地球的紫外信号成像在探测器边缘区域。
传统的可见光紫外双波段星敏感器光学系统一般采用在光学系统的前端放置合成镜的技术途径，可见光信号经合成镜透射进入光学系统，紫外信号经合成镜反射进入光学系统，由于紫外波段视场较大，导致合成镜尺寸大，不利于光学系统的小型化设计。
因此，亟需对双波段星敏感器的光学系统进行改进，以解决上述存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，由两片月牙型窗口镜片、分光平板以及合成镜组组成，两片月牙型窗口镜片分别用于接收可见光与紫外波段的光束，分光平板与光轴成45°放置，它将可见光束反射后进入合成镜组，同时将两波段的图像成像在同一个探测面上，可根据各自波段的不同特点单独设计，合理选择光学材料，合理设计各自所需要承担的负光焦度，实现了两个波段的共焦面设计。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，包括系统组件，所述系统组件包括第一镜片、合成镜组、分光平板以及探测面，所述合成镜组在同一水平轴线上；
所述第一镜片包括竖直月牙型窗口镜片和水平月牙型窗口镜片，所述第一镜片用于接收可见光波段光束；
所述合成镜组包括前置镜组、中置镜组以及后继镜组，所述合成镜组用于将光束成像在所述探测面上；
所述分光平板设置在所述竖直月牙型窗口镜片和所述水平月牙型窗口镜片之间。
优选的，所述第一镜片为弧形结构，所述竖直月牙型窗口镜片与所述合成镜组在同一水平轴线上，所述水平月牙型窗口镜片设置在所述竖直月牙型窗口镜片的上方。
优选的，所述分光平板设置在所述水平月牙型窗口镜片的下方，所述分光平板与所述合成镜组的光轴夹角为45°，所述分光平板的通光口径为60mm。
优选的，所述前置镜组具有负光焦度，所述前置镜组包括第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜为凸透镜，所述第二透镜具有与所述第一透镜相对应凹入的物方表面。
优选的，所述中置镜组包括第三透镜、第四透镜以及第五透镜，所述第三透镜为凸透镜，所述第四透镜为凹透镜，所述第四透镜的上具有与所述第三透镜相对应凹入的物方表面；
所述第四透镜沿着光轴具有凹入的物方表面以及沿着光轴具有凸出的像方表面；
所述第五透镜具有凸出的物方表面，所述中置镜组同于对光进行汇聚。
优选的，所述后继镜组包括第六透镜和第七透镜，所述第六透镜和所述第七透镜都具有负屈光力，所述后继镜组沿着光轴具有凹入的物方表面，所述后继镜组用于对光束进行扩散。
优选的，所述探测面设置在所述合成镜组的一侧，所述探测面用于成像。
优选的，所述第一镜片采用防辐射性能的熔石英材料，所述第一镜片的通光口径为50mm。
优选的，光谱范围：可见光波段λ＝0.500-0.800m，中心波长λ0＝0.650m；
紫外波段λ＝0.350-0.360m，中心波长λ0＝0.355m；
视场:2W＝30°；
入瞳:D＝25mm；
焦距:f＝54mm；
像质:80％能量光斑大小13m；
80％能量光斑大小14m。
优选的，所述系统组件的长度为152mm，且所述系统组件成像的半高为14.4mm。
本发明至少具备以下有益效果：
由两片月牙型窗口镜片、分光平板以及合成镜组组成，两片月牙型窗口镜片分别用于接收可见光与紫外波段的光束，分光平板与光轴成45°放置，它将可见光束反射后进入合成镜组，同时将两波段的图像成像在同一个探测面上，可根据各自波段的不同特点单独设计，合理选择光学材料，合理设计各自所需要承担的负光焦度，实现了两个波段的共焦面设计。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的合成镜组件结构图；
图2为本发明的合成镜组件效果图；
图3为本发明的可见光波段波差图；
图4为本发明的可见光波段的点列图；
图5为本发明的可见光波段的传递函数MTF图；
图6为本发明的可见光波段的中心能量比图；
图7为本发明的紫外波段波差图；
图8为本发明的紫外波段的点列图；
图9为本发明的紫外波段的传递函数MTF图；
图10为本发明的紫外波段的中心能量比图。
图中，1-第一镜片，1001-竖直月牙型窗口镜片，1002-水平月牙型窗口镜片，2-合成镜组，201-前置镜组，2001-第一透镜，2002-第二透镜，202-中置镜组，2021-第三透镜，2022-第四透镜，2023-第五透镜，203-后继镜组，2031-第六透镜，2032-第七透镜，3-分光平板，4-探测面，10-合成镜组件。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
如图1-图10所示，本实施例提供的合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，包括系统组件10，系统组件10包括第一镜片1、合成镜组2、分光平板3以及探测面4，合成镜组2在同一水平轴线上，传统的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，因采用同一个光学系统设计，难以满足两个成像波段的共焦面设计，本发明提出合成镜内置的新方法，使可见光波段与紫外波段拥有不同的第一镜片1，该两个不同的第一镜片1可根据各自波段的不同特点单独设计，合理选择光学材料，合理设计各自所需要承担的负光焦度，实现了两个波段的共焦面设计；
第一镜片1包括竖直月牙型窗口镜片1001和水平月牙型窗口镜片1002，第一镜片1用于接收可见光波段光束；
合成镜组2包括前置镜组201、中置镜组202以及后继镜组203，合成镜组2用于将光束成像在探测面4上；
分光平板3设置在竖直月牙型窗口镜片1001和水平月牙型窗口镜片1002之间，系统由两片月牙型窗口镜片1、分光平板3以及合成镜组2组成，两片月牙型窗口镜片1分别用于接收可见光与紫外波段的光束，位于图中上方的水平月牙型窗口镜片1002接收可见光波段光束，位于图中左方的竖直月牙型窗口镜片1001接收紫外波段光束，图中分光平板与光轴成45°放置，它将可见光束反射后进入合成镜组2，同时它也将紫外波段光束透射后进入合成镜组2，合成镜组2同时将两波段的图像成像在同一个探测面4上；
第一镜片1为弧形结构，竖直月牙型窗口镜片1001与合成镜组2在同一水平轴线上，水平月牙型窗口镜片1002设置在竖直月牙型窗口镜片1001的上方，通过合理设置第一镜片1的光焦度，将合成镜组2位于第一镜片1与后继镜组203之间，可减小合成镜组2尺寸，实现小型化可见光紫外双波段星敏感器光学系统设计，将两个波段的第一镜片1均设计为负透镜，使第一镜片1承担负光焦度，利用光束的发散特性增大各视场光束经过第一镜片1后的口径，基于拉赫不变量原理，各视场光束口径经过第一镜片1后，它们之间的夹角随着光束口径的增大而减小，大大缩小合成镜组2的几何尺寸，从而实现了小型化可见光紫外双波段星敏感器光学系统的设计；
分光平板3设置在水平月牙型窗口镜片1002的下方，分光平板3与合成镜组2的光轴夹角为45°，它将可见光束反射后进入合成镜组2，同时它也将紫外波段光束透射后进入合成镜组2，分光平板3的通光口径为60mm，采用镀膜技术可实现分光平板3对可见光波段具有高反射率，对紫外波段具有高透过率。
进一步的，如图1和图2所示，前置镜组201具有负光焦度，前置镜组201包括第一透镜2001和第二透镜2002，第一透镜2001为凸透镜，第二透镜2002具有与第一透镜2001相对应凹入的物方表面，中置镜组202包括第三透镜2021、第四透镜2022以及第五透镜2023，第三透镜2021为凸透镜，第四透镜2022为凹透镜，第四透镜2022的上具有与第三透镜2021相对应凹入的物方表面，第四透镜2022沿着光轴具有凹入的物方表面以及沿着光轴具有凸出的像方表面，第五透镜2023具有凸出的物方表面，中置镜组202同于对光进行汇聚；
同时，后继镜组203包括第六透镜2031和第七透镜2032，第六透镜2031和第七透镜2032都具有负屈光力，后继镜组203沿着光轴具有凹入的物方表面，后继镜组203用于对光束进行扩散；
可见光波段信号经第一镜片1透射后，经前置镜组201、中置镜组202以及后继镜组203中的七个透镜的透射后，成像在探测面4的中心区域，紫外波段信号经第一镜片1透射后，经合成镜组2反射，探测面4设置在合成镜组2的一侧，探测面4用于成像，经后后继镜组203透射成像在同一个探测面4的边缘区域，由于合成镜组2内置，与传统合成镜组2外置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统相比，大大缩小了合成镜的尺寸，实现了小型化的可见光紫外双波段星敏感器光学系统设计；
第一镜片1采用防辐射性能的熔石英材料，第一镜片1的通光口径为50mm，该两个不同的第一镜片可根据各自波段的不同特点单独设计，合理选择光学材料，合理设计各自所需要承担的负光焦度，实现了两个波段的共焦面设计。
更进一步的，光谱范围：可见光波段λ＝0.500-0.800m，中心波长λ0＝0.650m；
紫外波段λ＝0.350-0.360m，中心波长λ0＝0.355m；视场:2W＝30°；
入瞳:D＝25mm；
焦距:f＝54mm；
像质:80％能量光斑大小13m；
80％能量光斑大小14m；
可见光波段光学系统的具体参数如下：
SURFACE DATA SUMMARY:
紫外波段光学系统的具体参数如下：
SURFACE DATA SUMMARY:
系统组件10的长度为152mm，且系统组件10成像的半高为14.4mm，由于合成镜内置，与传统合成镜外置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统相比，系统组件10的长度为152mm，大大缩小了合成镜的尺寸，实现了小型化的可见光紫外双波段星敏感器光学系统设计。
可见光波段光学系统的波差图(OPD)、点列图(SPOT)以及传递函数图(MTF)分别如图3、图4及图5所示，从传递函数图可知，在0-50lp/mm的传递函数值大于0.4，在光纤面板接收面可达到10m大小的分辨率，图6为可见光波段系统的中心能量比(Encircled Energy)，从该图中可知，以80％能量来考虑，系统弥散斑大小为13m，能满足系统探测要求；
紫外波段光学系统的波差图(OPD)、点列图(SPOT)以及传递函数图(MTF)分别如图7、图8及图9所示，从传递函数图可知，在0-50lp/mm的平均传递函数值大于0.3，在光纤面板接收面可接近10m大小的分辨率，图9为紫外波段系统的中心能量比(Encircled Energy)，从该图中可知，以80％能量来考虑，系统弥散斑大小为14m，能满足系统探测要求。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，包括系统组件(10)，其特征在于，所述系统组件(10)包括第一镜片(1)、合成镜组(2)、分光平板(3)以及探测面(4)，所述合成镜组(2)在同一水平轴线上；
所述第一镜片(1)包括竖直月牙型窗口镜片(1001)和水平月牙型窗口镜片(1002)，所述第一镜片(1)用于接收可见光波段光束；
所述合成镜组(2)包括前置镜组(201)、中置镜组(202)以及后继镜组(203)，所述合成镜组(2)用于将光束成像在所述探测面(4)上；
所述分光平板(3)设置在所述竖直月牙型窗口镜片(1001)和所述水平月牙型窗口镜片(1002)之间。
2.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一镜片(1)为弧形结构，所述竖直月牙型窗口镜片(1001)与所述合成镜组(2)在同一水平轴线上，所述水平月牙型窗口镜片(1002)设置在所述竖直月牙型窗口镜片(1001)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述分光平板(3)设置在所述水平月牙型窗口镜片(1002)的下方，所述分光平板(3)与所述合成镜组(2)的光轴夹角为45°，所述分光平板(3)的通光口径为60mm。
4.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述前置镜组(201)具有负光焦度，所述前置镜组(201)包括第一透镜(2001)和第二透镜(2002)；
所述第一透镜(2001)为凸透镜，所述第二透镜(2002)具有与所述第一透镜(2001)相对应凹入的物方表面。
5.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述中置镜组(202)包括第三透镜(2021)、第四透镜(2022)以及第五透镜(2023)，所述第三透镜(2021)为凸透镜，所述第四透镜(2022)为凹透镜，所述第四透镜(2022)的上具有与所述第三透镜(2021)相对应凹入的物方表面；
所述第四透镜(2022)沿着光轴具有凹入的物方表面以及沿着光轴具有凸出的像方表面；
所述第五透镜(2023)具有凸出的物方表面，所述中置镜组(202)同于对光进行汇聚。
6.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述后继镜组(203)包括第六透镜(2031)和第七透镜(2032)，所述第六透镜(2031)和所述第七透镜(2032)都具有负屈光力，所述后继镜组(203)沿着光轴具有凹入的物方表面，所述后继镜组(203)用于对光束进行扩散。
7.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述探测面(4)设置在所述合成镜组(2)的一侧，所述探测面(4)用于成像。
8.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一镜片(1)采用防辐射性能的熔石英材料，所述第一镜片(1)的通光口径为50mm。
9.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：
光谱范围：可见光波段λ＝0.500-0.800m，中心波长λ0＝0.650m；
紫外波段λ＝0.350-0.360m，中心波长λ0＝0.355m；
视场:2W＝30°；
入瞳:D＝25mm；
焦距:f＝54mm；
像质:80％能量光斑大小13m；
80％能量光斑大小14m。
10.根据权利要求1所述的一种合成镜内置的可见光紫外双波段星敏感器光学系统，其特征在于：所述系统组件(10)的长度为152mm，且所述系统组件(10)成像的半高为14.4mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |