CN117250736B - 一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，包括沿光线传播方向由物侧至像侧依次设置的第一正光焦度双凸透镜、第二正光焦度凸凹透镜、第一负光焦度凸凹透镜、第二负光焦度凹凸透镜、第三负光焦度凸凹透镜、孔径光阑、正光焦度双凸透镜、负光焦度双凹透镜以及探测器成像面；所述正光焦度双凸透镜后表面和负光焦度双凹透镜前表面胶合形成胶合透镜；本发明能够适应更大的光谱范围和分辨率的星敏感器使用需要。
Description
技术领域
本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统。
背景技术
星敏感器是一种高自主性和独立性的高精度空间姿态测量仪器。它以星空为工作背景，以恒星为基准，通过探测空间中不同位置的恒星来实现导航定位。星敏感器的性能在很大程度上取决于其光学系统的性能。
如专利公开号为CN109188651A的专利：一种折射式高分辨率星敏感器光学系统，采用了8片透镜，其工作波长仅在550-850nm之间，分辨率只有77线对，波长范围相对较窄且分辨率较低；如专利公开号为CN114624866B的专利：一种超广角大靶面星载光学系统及其成像方法，采用了9片透镜并采用了非球面镜片，但其分辨率值仅有50线对，相对较低。为了提高星敏感器的探测能力，要求其光学系统在具有更宽光谱范围和更高的分辨率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，解决现有的光学系统无法适应光谱范围和分辨率不断提高的星敏感器使用需要的技术问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，包括沿光线传播方向由物侧至像侧依次设置的第一正光焦度双凸透镜、第二正光焦度凸凹透镜、第一负光焦度凸凹透镜、第二负光焦度凹凸透镜、第三负光焦度凸凹透镜、孔径光阑、正光焦度双凸透镜、负光焦度双凹透镜以及探测器成像面；所述正光焦度双凸透镜后表面和负光焦度双凹透镜前表面胶合形成胶合透镜。
可选的，所述第一正光焦度双凸透镜和第二正光焦度凸凹透镜采用重磷冕材料制作而成，所述第一负光焦度凸凹透镜采用重冕火石硫化材料制作而成，所述第二负光焦度凹凸透镜采用重钡火石材料制作而成，所述第三负光焦度凸凹透镜采用火石材料制作而成，所述正光焦度双凸透镜和负光焦度双凹透镜采用镧系冕牌材料制作而成。
可选的，所述第一正光焦度双凸透镜前表面半径为 54.967mm，后表面半径为-5118.076mm；所述第二正光焦度凸凹透镜前表面半径为38.849mm，后表面半径为125.05mm；所述第一负光焦度凸凹透镜前表面半径为263.249mm，后表面半径为29.289mm；所述第二负光焦度凹凸透镜前表面半径为-157.512mm，后表面半径为-246.27mm；所述第三负光焦度凸凹透镜前表面半径为73.656mm，后表面半径为 52.042mm；所述正光焦度双凸透镜前表面半径为90.719mm，后表面半径为-37.422mm；所述负光焦度双凹透镜前表面半径为-37.422mm，后表面半径为127.231mm。
可选的，所述第一正光焦度双凸透镜前表面与后表面中心间距为10.594mm，所述第二正光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为7.154mm，所述第一负光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为2mm，所述第二负光焦度凹凸透镜前表面和后表面中心距离为18.126mm，所述第三负光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为5.599mm，所述正光焦度双凸透镜前表面和后表面中心距离为20.547mm，所述负光焦度双凹透镜前表面和后表面中心距离为20.056mm。
可选的，所述第一正光焦度双凸透镜后表面和所述第二正光焦度凸凹透镜前表面中心距离为0.1mm，所述第二正光焦度凸凹透镜后表面和所述第一负光焦度凸凹透镜前表面中心距离为1.325mm，所述第一负光焦度凸凹透镜后表面和所述第二负光焦度凹凸透镜前表面中心距离为9.002mm，所述第二负光焦度凹凸透镜后表面和所述第三负光焦度凸凹透镜前表面中心距离为4.82mm，所述第三负光焦度凸凹透镜后表面和所述孔径光阑中心距离为1.368mm，所述孔径光阑和所述正光焦度双凸透镜前表面中心距离为50.07mm，所述负光焦度双凹透镜后表面和探测器成像面中心距离为29.744mm。
可选的，所述光学系统的工作波段为450nm-850nm，工作带宽为400nm，中心波长为650nm。
可选的，所述光学系统的F数为2.8，有效焦距为150mm，全视场角为17°，且所述探测器成像面对角线尺寸为45.7mm。
可选的，所述第一正光焦度双凸透镜、第二正光焦度凸凹透镜、第一负光焦度凸凹透镜、第二负光焦度凹凸透镜、第三负光焦度凸凹透镜、正光焦度双凸透镜以及负光焦度双凹透镜均为球面透镜。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，含有7片透镜，能够满足可见光波段和近红外波段的工作波段，在可见光范围和红外范围均可工作，其外本发明兼容更大的探测器像面，更大像面意味着更高的分辨率，且采用全球面透镜环保玻璃，方便加工和组装。所述大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统兼容大像面、宽光谱和高分辨率的特点。
附图说明
图1是本发明提供的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统的结构示意图；
图2是本发明提供的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统的传递函数曲线图；
图3是本发明提供的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统的点列图；
图4是本发明提供的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统的畸变曲线图；
图中标记为：
1-第一正光焦度双凸透镜，2-第二正光焦度凸凹透镜，3-第一负光焦度凸凹透镜，4-第二负光焦度凹凸透镜，5-第三负光焦度凸凹透镜，6-孔径光阑，7-正光焦度双凸透镜，8-负光焦度双凹透镜，9-探测器成像面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供了一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，包括沿光线传播方向由物侧至像侧依次设置的第一正光焦度双凸透镜1、第二正光焦度凸凹透镜2、第一负光焦度凸凹透镜3、第二负光焦度凹凸透镜4、第三负光焦度凸凹透镜5、孔径光阑6、正光焦度双凸透镜7、负光焦度双凹透镜8以及探测器成像面9；正光焦度双凸透镜7后表面和负光焦度双凹透镜8前表面胶合形成胶合透镜。整体形成光焦度为正、正、负、负、负、正、负的结构形式。
具体在本实施方式中，
各个透镜的自身参数设置为：
第一正光焦度双凸透镜1前表面半径为 54.967mm，后表面半径为-5118.076mm；第二正光焦度凸凹透镜2前表面半径为38.849mm，后表面半径为125.05mm；第一负光焦度凸凹透镜3前表面半径为263.249mm，后表面半径为29.289mm；第二负光焦度凹凸透镜4前表面半径为-157.512mm，后表面半径为-246.27mm；第三负光焦度凸凹透镜5前表面半径为73.656mm，后表面半径为 52.042mm；正光焦度双凸透镜7前表面半径为90.719mm，后表面半径为-37.422mm；负光焦度双凹透镜8前表面半径为-37.422mm，后表面半径为127.231mm。
第一正光焦度双凸透镜1前表面与后表面中心间距为10.594mm，第二正光焦度凸凹透镜2前表面和后表面中心距离为7.154mm，第一负光焦度凸凹透镜3前表面和后表面中心距离为2mm，第二负光焦度凹凸透镜4前表面和后表面中心距离为18.126mm，第三负光焦度凸凹透镜5前表面和后表面中心距离为5.599mm，正光焦度双凸透镜7前表面和后表面中心距离为20.547mm，负光焦度双凹透镜8前表面和后表面中心距离为20.056mm。
第一正光焦度双凸透镜1的折射率为1.59，色散系数为68.34；第二正光焦度凸凹透镜2的折射率为1.59，色散系数为68.34；第一负光焦度凸凹透镜3的折射率为1.61，色散系数为44.34；第二负光焦度凹凸透镜4的折射率为1.62，色散系数为53.17；第三负光焦度凸凹透镜5的折射率为1.62，色散系数为35.69；正光焦度双凸透镜7的折射率为1.73，色散系数为54.68；负光焦度双凹透镜8的折射率为1.71，色散系数为53.83。
各个透镜的制作材料设置为：
第一正光焦度双凸透镜1和第二正光焦度凸凹透镜2采用重磷冕材料制作而成，第一负光焦度凸凹透镜3采用重冕火石硫化材料制作而成，第二负光焦度凹凸透镜4采用重钡火石材料制作而成，第三负光焦度凸凹透镜5采用火石材料制作而成，正光焦度双凸透镜7和负光焦度双凹透镜8采用镧系冕牌材料制作而成。
各个透镜的位置参数设置为：
第一正光焦度双凸透镜1、第二正光焦度凸凹透镜2、第一负光焦度凸凹透镜3、第二负光焦度凹凸透镜4、第三负光焦度凸凹透镜5、正光焦度双凸透镜7以及负光焦度双凹透镜8均为球面透镜；除了正光焦度双凸透镜7和负光焦度双凹透镜8之间为胶合设置，其他透镜之间均为空气间隔设置。
第一正光焦度双凸透镜1后表面和第二正光焦度凸凹透镜2前表面中心距离为0.1mm，第二正光焦度凸凹透镜2后表面和第一负光焦度凸凹透镜3前表面中心距离为1.325mm，第一负光焦度凸凹透镜3后表面和第二负光焦度凹凸透镜4前表面中心距离为9.002mm，第二负光焦度凹凸透镜4后表面和第三负光焦度凸凹透镜5前表面中心距离为4.82mm，第三负光焦度凸凹透镜5后表面和孔径光阑6中心距离为1.368mm，孔径光阑6和正光焦度双凸透镜7前表面中心距离为50.07mm，负光焦度双凹透镜8后表面和探测器成像面9中心距离为29.744mm。
在本实施方式中，基于上述结构的光学系统的工作波段为450nm-850nm，工作带宽为400nm，中心波长为650nm。光学系统的F数为2.8，有效焦距为150mm，全视场角为17°，且探测器成像面9对角线尺寸为45.7mm。
如图 2 所示，图中各线条分别代表在不同视场子午方向或弧矢方向的OOTF模值随空间频率变化的曲线，可以看到各视场在子午方向或弧矢方向的曲线均呈现缓慢下降趋势，因此本实施例在全视场范围内，在截止频率 110 线对每毫米处的调制传递函数值优于0.35，且各个视场的调制传递函数曲线非常集中，分辨率高。
如图 3 所示，图中表示450nm的波长、625nm的波长以及800nm的波长在不同视场下的点列图，从图中可以看出， 本实施例的各个视场的像点弥散斑半径均方根值（RMS半径值）均优于 3.5 微米，像点质心集中，探测精度高。
如图 4 所示，图中曲线表示在450nm的波长、625nm的波长以及800nm的波长下，畸变值随视场的变化，从图中可以看出，各曲线重叠在一起，且畸变均不超过0.3%，因此本实施例的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统在全视场范围内的畸变值不超过 0.3%，系统成像保真度高。
综上，本发明提供的一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，含有7片透镜，工作波段在450nm-850nm，包含可见光波段和近红外波段，在可见光范围和红外范围均可工作，其外，本发明兼容探测器像面高达1.8英寸，更大像面意味着更高的分辨率，分辨率高达110线对，全视场110线对每毫米光学传递函数均优于0.35，且全视场像面均方根弥散斑半径均优于3.5um，垂轴色差优于2um，最大畸变优于0.3%，且采用全球面透镜环保玻璃，便于加工和组装。所述大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统兼容大像面、宽光谱、大相对孔径和高分辨率的特点，可应用于轨道控制、导航系统、空间科学研究等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，其特征在于，由沿光线传播方向由物侧至像侧依次设置的第一正光焦度双凸透镜、第二正光焦度凸凹透镜、第一负光焦度凸凹透镜、第二负光焦度凹凸透镜、第三负光焦度凸凹透镜、孔径光阑、正光焦度双凸透镜、负光焦度双凹透镜以及探测器成像面组成；所述正光焦度双凸透镜后表面和负光焦度双凹透镜前表面胶合形成胶合透镜；
其中，所述第一正光焦度双凸透镜前表面半径为 54.967mm，后表面半径为-5118.076mm；所述第二正光焦度凸凹透镜前表面半径为38.849mm，后表面半径为125.05mm；所述第一负光焦度凸凹透镜前表面半径为263.249mm，后表面半径为29.289mm；所述第二负光焦度凹凸透镜前表面半径为-157.512mm，后表面半径为-246.27mm；所述第三负光焦度凸凹透镜前表面半径为73.656mm，后表面半径为 52.042mm；所述正光焦度双凸透镜前表面半径为90.719mm，后表面半径为-37.422mm；所述负光焦度双凹透镜前表面半径为-37.422mm，后表面半径为127.231mm；
所述第一正光焦度双凸透镜前表面与后表面中心间距为10.594mm，所述第二正光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为7.154mm，所述第一负光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为2mm，所述第二负光焦度凹凸透镜前表面和后表面中心距离为18.126mm，所述第三负光焦度凸凹透镜前表面和后表面中心距离为5.599mm，所述正光焦度双凸透镜前表面和后表面中心距离为20.547mm，所述负光焦度双凹透镜前表面和后表面中心距离为20.056mm；
所述第一正光焦度双凸透镜后表面和所述第二正光焦度凸凹透镜前表面中心距离为0.1mm，所述第二正光焦度凸凹透镜后表面和所述第一负光焦度凸凹透镜前表面中心距离为1.325mm，所述第一负光焦度凸凹透镜后表面和所述第二负光焦度凹凸透镜前表面中心距离为9.002mm，所述第二负光焦度凹凸透镜后表面和所述第三负光焦度凸凹透镜前表面中心距离为4.82mm，所述第三负光焦度凸凹透镜后表面和所述孔径光阑中心距离为1.368mm，所述孔径光阑和所述正光焦度双凸透镜前表面中心距离为50.07mm，所述负光焦度双凹透镜后表面和探测器成像面中心距离为29.744mm。
2.根据权利要求1所述的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，其特征在于，所述第一正光焦度双凸透镜和第二正光焦度凸凹透镜采用重磷冕材料制作而成，所述第一负光焦度凸凹透镜采用重冕火石硫化材料制作而成，所述第二负光焦度凹凸透镜采用重钡火石材料制作而成，所述第三负光焦度凸凹透镜采用火石材料制作而成，所述正光焦度双凸透镜和负光焦度双凹透镜采用镧系冕牌材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，其特征在于，所述光学系统的工作波段为450nm-850nm，工作带宽为400nm，中心波长为650nm。
4.根据权利要求1所述的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，其特征在于，所述光学系统的F数为2.8，有效焦距为150mm，全视场角为17°，且所述探测器成像面对角线尺寸为45.7mm。
5.根据权利要求1所述的大像面高分辨率宽光谱星敏感器光学系统，其特征在于，所述第一正光焦度双凸透镜、第二正光焦度凸凹透镜、第一负光焦度凸凹透镜、第二负光焦度凹凸透镜、第三负光焦度凸凹透镜、正光焦度双凸透镜以及负光焦度双凹透镜均为球面透镜。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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