CN208937797U - 一种星敏感器小型化光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种星敏感器小型化光学系统，包括孔径光阑、透镜组和像平面，所述透镜组包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正，所述第四透镜和第五透镜的光焦度均为负，所述孔径光阑位于第一透镜和第二透镜之间；所述第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及像平面沿着进光入射方向依次排列；本实用新型光学系统具有较好的色差及二级光谱校正能力，实现宽谱段恒星探测，仅采用七片透镜，满足了星敏感器光学系统轻小型化需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学系统，特别涉及一种星敏感器小型化光学系统。
背景技术
在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，且由于探测对象为位置及光谱分布确定的恒星点目标，测量精度不随时间发生漂移，在各类航空航天飞行器中获得广泛的应用。星敏感器光学系统作为星敏感器的核心装置，是星敏感器实现高信噪比恒星光谱能量收集、高精度恒星质心位置探测的关键部件。与照相物镜相比，星敏感器光学系统所探测对象是能量弱、光谱分布宽的恒星，属于点目标探测。同时为了实现亚像元细分，提高恒星位置测量精度，需要将星光能量弥散到2×2像元～5×5像元，以供后续电子学进行细分处理，达到亚像元的质心测量精度。根据星敏感器的需求，星敏感器光学系统应具有高动态范围、大视场、低畸变以及轻小型化的特点，并且能够有效抑制或避免恒星之外的假点目标出现。
由于恒星为连续光谱分布，以往星敏感器光学系统设计为实现大相对孔径、大视场以及低畸变的性能，像差控制难度较大。探测谱段如果太宽，随之产生的色差及二级光谱难以校正，不易获得好的成像质量，一般达到300nm带宽就可以称之为宽谱段探测。
为了避免探测谱段外的光信号入射到探测器靶面成为像质下降的噪声信号，星敏感器光学系统需要在光学系统与探测器之间加入一个薄的平行平板滤光片，镀长波或者短波截止膜抑制探测谱段外的杂光。该方式存在两方面的问题：
(1)单独设置滤光片会增加星敏感器光学系统的复杂度，光学元件的数量增多，导致制造成本增加，不利于光学系统的小型化；
(2)平行平板滤光片镀制截止膜的平面在探测波段的剩余反射率较高，平面之间的剩余反射容易在探测器靶面产生鬼像，降低系统的性能，增加星敏感器恒星识别失败的风险。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题：星敏感器光学系统的探测谱段宽，产生的色差及二级光谱难以校正，不易获得好的成像质量，光学系统结构复杂，不利于小型化。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种星敏感器小型化光学系统，包括孔径光阑、透镜组和像平面，所述透镜组包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正，所述第四透镜和第五透镜的光焦度均为负，所述孔径光阑位于第一透镜和第二透镜之间；所述第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及像平面沿着进光入射方向同轴依次排列；
所述第一透镜的前表面曲率半径为65.417mm，后表面为平面，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ30.0mm；
所述第二透镜的前表面曲率半径为25.172mm，后表面曲率半径为121.072mm，中心厚度为6.175mm，透镜通光口径为φ28.6mm；
所述第三透镜的前表面曲率半径为22.839mm，后表面曲率半径为41.958mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ24.9mm；
所述第四透镜的前表面曲率半径为443.583mm，后表面曲率半径为15.025mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ22.2mm；
所述第五透镜的前表面曲率半径为36.048mm，后表面曲率半径为19.460mm，中心厚度为1.6mm，透镜通光口径为φ18.8mm；
所述第六透镜的前表面曲率半径为26.010mm，后表面曲率半径为-50.059mm，中心厚度为6.951mm，透镜通光口径为φ22.4mm；
所述第七透镜的前表面曲率半径为18.746mm，后表面曲率半径为17.041mm，中心厚度为5mm，透镜通光口径为φ22.1mm。
进一步，所述第一透镜的材质为石英，所述第一透镜的后表面镀有截止膜。
进一步，所述光学系统的入瞳口径为φ25.0mm。
进一步，所述第二透镜的材质为H-FK61，所述第三透镜的材质为H-LAF53，所述第四透镜的材质为H-ZF52，所述第五透镜的材质为H-ZF7LA，所述第六透镜和第七透镜的材质均为H-ZLAF55A。
进一步，所述第一透镜与所述孔径光阑的距离为1.0mm；所述孔径光阑与所述第二透镜的距离为0.1mm；所述第二透镜与所述第三透镜的距离为4.94mm；所述第三透镜与所述第四透镜的距离为2.03mm；所述第四透镜与所述第五透镜的距离为2.94mm；所述第五透镜与所述第六透镜的距离为4.35mm；所述第六透镜与所述第七透镜的距离为0.1mm；所述第七透镜与所述像平面的距离为8.0mm。
进一步，所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于4.8°。
本实用新型的有益效果是：本实用新型光学系统具有较好的色差及二级光谱校正能力，实现宽谱段恒星探测，仅采用七片透镜，满足了星敏感器光学系统轻小型化需求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本实用新型的组成结构示意图；
图2是本实用新型光学系统的点列曲线图；
图3是本实用新型光学系统的能量集中度曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本实用新型创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，一种星敏感器小型化光学系统，包括孔径光阑9、透镜组和像平面8，所述透镜组包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第六透镜6以及第七透镜7的光焦度均为正，所述第四透镜4和第五透镜5的光焦度均为负，所述孔径光阑9位于第一透镜1和第二透镜2之间；所述第一透镜1、孔径光阑9、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7以及像平面8沿着进光入射方向同轴依次排列；
所述第一透镜1的前表面曲率半径为65.417mm，后表面为平面，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ30.0mm；
所述第二透镜2的前表面曲率半径为25.172mm，后表面曲率半径为121.072mm，中心厚度为6.175mm，透镜通光口径为φ28.6mm；
所述第三透镜3的前表面曲率半径为22.839mm，后表面曲率半径为41.958mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ24.9mm；
所述第四透镜4的前表面曲率半径为443.583mm，后表面曲率半径为15.025mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ22.2mm；
所述第五透镜5的前表面曲率半径为36.048mm，后表面曲率半径为19.460mm，中心厚度为1.6mm，透镜通光口径为φ18.8mm；
所述第六透镜6的前表面曲率半径为26.010mm，后表面曲率半径为-50.059mm，中心厚度为6.951mm，透镜通光口径为φ22.4mm；
所述第七透镜7的前表面曲率半径为18.746mm，后表面曲率半径为17.041mm，中心厚度为5mm，透镜通光口径为φ22.1mm。
本实用新型工作时，光线通过孔径光阑9进入光写系统，第一透镜1将光线进行适当的会聚，第二透镜2与第三透镜3将光线进一步会聚，且第三个透镜与第四透镜4一起校正球差、彗差、像散以及色差等；第五透镜5、第六透镜6起到校正畸变的作用，第七透镜7校正场曲，并获得接近像方远心的光路，光线会聚在所述像平面8成像。
本实用新型的孔径光阑9位于第一透镜1和第二透镜2之间，有效降低了光学系统各元件的尺寸，有利于光学系统小型化。所有透镜均为球面透镜，降低了加工难度以及装调难度，有利于星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
本实用新型光学系统具有较好的色差及二级光谱校正能力，实现宽谱段恒星探测，仅采用七片透镜，满足了星敏感器光学系统轻小型化需求。
作为优化，所述第一透镜1的材质为石英，所述第一透镜1的后表面镀有截止膜。
第一透镜1后表面镀有短波350nm～550nm的截止膜，将在350nm～550nm的响应波段进行截止。
第一透镜1的材质为防辐射的石英材料，既可以起到防空间高能粒子辐照，保护后面透镜透过率等性能在长时间的空间辐照下不下降，同时镀有的截止膜将探测谱段外的光信号截止，在保证光学系统的成像质量的情况，省掉了现有光学系统与探测器之间的滤光片，避免平面之间的剩余反射产生的呈点状分布的鬼像。
作为优化，所述光学系统的入瞳口径为φ25.0mm。
在光学系统前设置一个挡光元件，使入瞳口径为φ25.0mm。
作为优化，所述第二透镜2的材质为H-FK61，所述第三透镜3的材质为H-LAF53，所述第四透镜4的材质为H-ZF52，所述第五透镜5的材质为H-ZF7LA，所述第六透镜6和第七透镜7的材质均为H-ZLAF55A。
本光学系统没有采用H-FK61，CaF2等热性能较差的特殊玻璃材料，具有良好的空间适应性，在-40℃～+60℃范围内离焦量不超过0.02mm，全视场的质心位置变化不超过2.5μm，满足星敏感器高精度的探测需求。
作为优化，所述第一透镜1与所述孔径光阑9的距离为1.0mm；所述孔径光阑9与所述第二透镜2的距离为0.1mm；所述第二透镜2与所述第三透镜3的距离为4.94mm；所述第三透镜3与所述第四透镜4的距离为2.03mm；所述第四透镜4与所述第五透镜5的距离为2.94mm；所述第五透镜5与所述第六透镜6的距离为4.35mm；所述第六透镜6与所述第七透镜7的距离为0.1mm；所述第七透镜7与所述像平面8的距离为8.0mm。
作为优化，所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于4.8°。
通过光学系统光瞳中心的光线为主光线。
本光学系统的的工作光谱范围为550nm～950nm，系统焦距为40mm，全视场23°，相对孔径为F/1.6，主光线与光轴的夹角不超过4.8°。
参照图2，图2反映了不同视场的星点在像平面8的会聚情况，纵坐标为弥散斑位置，横坐标为弥散斑形状。各视场点斑形状对称分布，弥散斑尺寸近似为圆形，满足星敏感器进行亚像元质心细分的光斑分布需求。
参照图3，图3反映了星敏感器光学系统的能量集中度分布，横坐标是直径，纵坐标是在对应直径尺寸下，光斑能量占比的百分数，图中包括探测视场0°，探测视场4.2°，探测视场7°，探测视场9°，探测视场11.5°等5个视场的能量集中度分布，均在φ30μm内能量集中度超过85％的能量，满足应用需求。其中图3中线条10代表探测视场0°，线条11代表探测视场4.2°，线条12代表探测视场7°，线条13代表探测视场9°，线条14代表探测视场11.5°。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种星敏感器小型化光学系统，包括孔径光阑、透镜组和像平面，其特征在于：所述透镜组包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第六透镜以及第七透镜的光焦度均为正，所述第四透镜和第五透镜的光焦度均为负，所述孔径光阑位于第一透镜和第二透镜之间；所述第一透镜、孔径光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及像平面沿着进光入射方向同轴依次排列；
所述第一透镜的前表面曲率半径为65.417mm，后表面为平面，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ30.0mm；
所述第二透镜的前表面曲率半径为25.172mm，后表面曲率半径为121.072mm，中心厚度为6.175mm，透镜通光口径为φ28.6mm；
所述第三透镜的前表面曲率半径为22.839mm，后表面曲率半径为41.958mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ24.9mm；
所述第四透镜的前表面曲率半径为443.583mm，后表面曲率半径为15.025mm，中心厚度为5.0mm，透镜通光口径为φ22.2mm；
所述第五透镜的前表面曲率半径为36.048mm，后表面曲率半径为19.460mm，中心厚度为1.6mm，透镜通光口径为φ18.8mm；
所述第六透镜的前表面曲率半径为26.010mm，后表面曲率半径为-50.059mm，中心厚度为6.951mm，透镜通光口径为φ22.4mm；
所述第七透镜的前表面曲率半径为18.746mm，后表面曲率半径为17.041mm，中心厚度为5mm，透镜通光口径为φ22.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种星敏感器小型化光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为石英，所述第一透镜的后表面镀有截止膜。
3.根据权利要求1所述的一种星敏感器小型化光学系统，其特征在于：所述光学系统的入瞳口径为φ25.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种星敏感器小型化光学系统，其特征在于：所述第二透镜的材质为H-FK61，所述第三透镜的材质为H-LAF53，所述第四透镜的材质为H-ZF52，所述第五透镜的材质为H-ZF7LA，所述第六透镜和第七透镜的材质均为H-ZLAF55A。
5.根据权利要求4所述的一种星敏感器小型化光学系统，其特征在于：所述第一透镜与所述孔径光阑的距离为1.0mm；所述孔径光阑与所述第二透镜的距离为0.1mm；所述第二透镜与所述第三透镜的距离为4.94mm；所述第三透镜与所述第四透镜的距离为2.03mm；所述第四透镜与所述第五透镜的距离为2.94mm；所述第五透镜与所述第六透镜的距离为4.35mm；所述第六透镜与所述第七透镜的距离为0.1mm；所述第七透镜与所述像平面的距离为8.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种星敏感器小型化光学系统，其特征在于：所述光学系统的主光线与光轴的夹角小于或等于4.8°。
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| CN201821651461.5U CN208937797U (zh) | 2018-10-11 | 2018-10-11 | 一种星敏感器小型化光学系统 |
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