CN210465830U - 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，包括孔径光阑、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述孔径光阑位于所述第一透镜的前方，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜；本实用新型采用基于孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统。
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，测量精度可以达到亚秒级甚至更高。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出，因而在高精度自主导航领域获得了广泛应用。
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。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。
星敏感器光学系统的主要参数包括焦距、视场、相对孔径、成像光谱以及单星测量精度等。星敏感器光学系统的焦距与单星测量精度成反比，焦距越长，测量精度越高。当前主流星敏感器光学系统的焦距一般不超过50mm，多数集中在20mm～30mm范围，探测视场比较大，探测光谱范围一般不超过300nm，单星测量精度不高，恒星探测能力比较有限。为追求更高的恒星探测精度，采用长焦距光学系统是有效的手段。随着高分辨率对地立体测绘相机、空间天文观测望远镜以及空间导引武器系统等领域技术的发展，对亚秒级甚至更高精度的星敏感器提出了需求，满足应用系统的高精度对地定位、长时间稳像观测或者长航时飞行姿态的自主导航等关键性能。核心技术是采用长焦距星敏感器光学系统提高单像元分辨率，进而采用细分算法进一步提高质心分辨率精度。然而，当星敏感器光学系统的焦距接近或达到米级时，纯透射光学系统不仅系统尺寸长，且难以校正宽光谱下的二级光谱像差，无法实现宽光谱的恒星光信号收集，无论从体量还是性能上都不能满足空间平台的应用需求；采用反射式光学系统虽然可以实现光路折叠，获得紧凑的光学系统布局设计，但在校正像差方面需要采用非球面，制造及装调难度高，不利于降低成本。
进一步研究发现，采用同轴折反射式光学系统虽然可以有效解决上述设计矛盾，实现高像质及轻小型化的设计；但由于次反射镜的遮挡引起中心遮拦，中心艾里斑衍射能量往次峰转移，导致能量集中度性能下降。在相对孔径一致的前提下，即使光学系统达到衍射极限像质，有遮拦的光学系统也无法达到与无遮拦光学系统相同的恒星光信号聚集能力，从而造成星敏感器光学系统性能的下降。
实用新型内容
本实用新型型要解决的技术问题是现有的星敏感器光学系统的中心遮拦引起能量集中度下降。
本实用新型提供一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，采用孔径离轴的折反射式结构型式，大幅降低光学系统的尺寸，有利于恒星探测。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：
一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，包括孔径光阑、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述孔径光阑位于所述第一透镜的前方，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜位于所述第二透镜的后方，所述次反射镜为所述第二透镜的下方，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜，所述后透镜组位于所述次反射镜的后方，所述像面位于所述第四透镜的后方；
所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为双凸正光焦度透镜，所述第三透镜和第四透镜均为弯月形负光焦度透镜；
所述孔径光阑的中心与所述光学系统光轴的距离为离轴量h，入瞳口径为D，次反射镜的上边缘光线距离光轴的高度为hB2，其中h、D和hB2满足：
10mm≤h-(D/2+hB2)≤35mm；
入射光依次通过孔径光阑、第一透镜和第二透镜射向主反射镜，主反射镜反射入射光到次反射镜，光束在次反射镜上再次发生反射形成反射光，反射光依次通过第三透镜和第四透镜后在像面成像。
本实用新型采用基于孔径离轴的折反射式光学系统结构型式，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果，避免了同轴折反射式光学系统产生中心遮拦的问题，提高了能量集中度性能。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的光焦度为
所述第二透镜的光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述反射镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述后透镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述孔径光阑到像面的距离为所述光学系统的总长L，所述光学系统的焦距为f，则L和f满足：
L/f≤0.34。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为同种冕牌玻璃。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主反射镜和次反射镜均采用球面面型。
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为球面透镜。
本实用新型光学系统光焦度分配合理，所有透镜及反射镜均为球面面型，加工制造及装配公差比较宽松，降低加工难度以及装调难度，有利于提高长焦距星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的前表面曲率半径为-311.8mm，后表面曲率半径为-561.2mm，中心厚度为8mm，透镜通光口径为φ75mm；所述第二透镜的前表面曲率半径为2911.5mm，后表面曲率半径为-958.6mm，中心厚度为17mm，透镜通光口径为φ75mm；所述主反射镜为凹面反射镜，曲率半径为-598.6mm，通光口径为
所述次反射镜为凸面反射镜，曲率半径为-273.8mm，通光口径为
所述第三透镜的前表面曲率半径为-47.1mm，后表面曲率半径为-66.5mm，中心厚度为8mm，通光口径为
所述第四透镜的前表面曲率半径为32.6mm，后表面曲率半径为21.2mm，中心厚度为15mm，通光口径为
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的后表面与所述第二透镜的前表面的距离为0.1mm；所述第二透镜的后表面与所述主反射镜的前表面的距离为215mm，所述主反射镜的前表面与所述次反射镜的后表面的距离为215mm；所述第三透镜的前表面与所述次反射镜的后表面的距离为178.5mm；所述第三透镜的后表面与所述第四透镜的前表面的距离为0.1mm，所述第四透镜的后表面到像面的距离为18.3mm。
本实用新型实现焦距接近米级的星敏感器光学系统设计，探测光谱范围达到650nm，提高了恒星位置测量精度以及星光能量的收集，相同探测口径下，探测恒星的能力可以提高1倍以上。
本实用新型采用基于孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能。
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是本实施例光学系统的组成结构示意图；
图2是无遮拦光学系统与有遮拦光学系统能量集中度比较；
图3是本实施例光学系统的光学传递函数曲线；
图4是本实施例光学系统的能量集中度曲线。
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。本发明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1，一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，包括孔径光阑800、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面700，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜100和第二透镜200，所述孔径光阑800位于所述第一透镜100的前方，所述反射镜组包括主反射镜300和次反射镜400，所述主反射镜300位于所述第二透镜200的后方，所述次反射镜400为所述第二透镜200的下方，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜500和第四透镜600，所述后透镜组位于所述次反射镜400的后方，所述像面700位于所述第四透镜600的后方；
所述第一透镜100为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜200为双凸正光焦度透镜，所述第三透镜500和第四透镜600均为弯月形负光焦度透镜；
入射光依次通过孔径光阑800、第一透镜100和第二透镜200射向主反射镜300，主反射镜300反射入射光到次反射镜400，光束在次反射镜400再次发生反射形成反射光，反射光依次通过第三透镜500和第四透镜600后在像面700成像。
所述第一透镜100和第二透镜200组成双分离透镜，所述第三透镜500和第四透镜600组成双分离透镜。
参考图1，其中O为光学系统的光轴，h为孔径光阑800的中心与光轴的距离，D为光学系统的入瞳口径，hB2为次反射镜400的上边缘光线距离光轴的高度。
所述孔径光阑800的中心与所述光学系统光轴的距离为离轴量h，入瞳口径为D，次反射镜400的上边缘光线距离光轴的高度为hB2，其中h、D和hB2满足：
10mm≤h-(D/2+hB2)≤35mm。
为避免遮挡光线，合理选择与设计光学系统的孔径离轴量是关键，在保证光学系统紧凑设计的前提下，一方面尽量降低光线在次反射镜400上的高度，另一方面，孔径光阑800的中心与光轴的距离即离轴量应确保光线通过前透镜组时不会与次反射镜400发生交叠；此外，也不应将后透镜组与次反射镜400的间隔设计过大，否则会造成光学像差校正难度大，光学系统垂直于光轴方向的体量也会变大。
本实用新型采用基于孔径离轴的折反射式光学系统结构型式，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果，避免了同轴折反射式光学系统产生中心遮拦的问题，提高了能量集中度性能。
作为优选的实施方式，所述第一透镜100的光焦度为
所述第二透镜200的光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
所述前透镜组的组合光焦度为
接近于零。
作为优选的实施方式，所述反射镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
作为优选的实施方式，所述后透镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
作为优选的实施方式，所述主反射镜300和次反射镜400均采用球面面型。
作为优选的实施方式，所述第一透镜100、第二透镜200、第三透镜500和第四透镜600均为同种冕牌玻璃。
所述第一透镜100、第二透镜200、第三透镜500和第四透镜600均为球面透镜。
为了降低光学系统的加工与制造成本，获得高性价比的设计方案，本实用新型的反射镜及透镜均采用了球面面型，采用常规加工工艺就可以实现所有光学元件的制造与检测。
本光学系统采用基于孔径离轴的折反射式光学系统结构型式，既避免了采用纯透射式光学系统在长焦距设计情况下难以校正宽光谱色差特别是二级光谱的难题，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果；又避免了同轴折反射式光学系统产生中心遮拦的问题，提高了能量集中度性能。
在工作时，恒星光信号通过前透镜组，所述前透镜组为组合光焦度接近于零的双分离透镜，光线传播方向基本不变；然后通过球面的主反射镜300及球面次反射镜400进行光信号的聚集，反射镜组承担了光学系统的主要光焦度。由于反射镜均为球面面型，产生大量的球差、彗差等像差，这些像差主要通过前透镜组进行校正。当前透镜组光焦度接近于零时，即使采用同种玻璃材料，产生的轴向色差及垂轴色差均很小，反射镜不产生色差，从而实现超宽谱段的光谱设计。后透镜组的双分离透镜校正了残余的球差、彗差、色差以及畸变像差。
本实用新型光学系统长焦距下的光路高度折叠，实现紧凑设计；避免大色差光学元件的使用，实现低色差及二级光谱的设计，获得超宽谱段的光谱探测；采用全球面光学元件，大幅降低加工及制造成本；避免了中心遮拦引起的中心艾里斑能量集中度下降的问题，提高了恒星光信号的聚集能力。
作为优选的实施方式，所述孔径光阑800到像面700的距离为所述光学系统的总长L，所述光学系统的焦距为f，则L和f满足：
L/f≤0.34。
作为优选的实施方式，所述第一透镜100的前表面曲率半径为-311.8mm，后表面曲率半径为-561.2mm，中心厚度为8mm，透镜通光口径为φ75mm；所述第二透镜200的前表面曲率半径为2911.5mm，后表面曲率半径为-958.6mm，中心厚度为17mm，透镜通光口径为φ75mm；所述主反射镜300为凹面反射镜，其曲率半径为-598.6mm，通光口径为
所述次反射镜400为凸面反射镜，其曲率半径为-273.8mm，通光口径为
所述第三透镜500的前表面曲率半径为-47.1mm，后表面曲率半径为-66.5mm，中心厚度为8mm，通光口径为
所述第四透镜600的前表面曲率半径为32.6mm，后表面曲率半径为21.2mm，中心厚度为15mm，通光口径为
作为优选的实施方式，所述第一透镜100的后表面与所述第二透镜200的前表面的距离为0.1mm；所述第二透镜200的后表面与所述主反射镜300的前表面的距离为215mm，所述主反射镜300的前表面与所述次反射镜400的后表面的距离为215mm；所述第三透镜500的前表面与所述次反射镜400的后表面的距离为178.5mm；所述第三透镜500的后表面与所述第四透镜600的前表面的距离为0.1mm，所述第四透镜600的后表面到像面700的距离为18.3mm。
本实施例光学系统达到的具体参数为：
全球面光学系统；焦距800mm；入瞳口径为
视场角1.5°；光谱范围为450nm～1100nm；接近衍射极限像质，全视场平均传函MTF优于0.42@50lp/mm；光学系统的总长(光学系统的孔径光阑800到像面700的距离)为270mm，总长与焦距的比值为0.338。
本实用新型光学系统在匹配像素尺寸为5.5μm的cmos探测器时，单像元分辨率精度达到1.38″。
本实用新型实现焦距接近米级的星敏感器光学系统设计，探测光谱范围达到650nm，提高了恒星位置测量精度以及星光能量的收集，相同探测口径下，探测恒星的能力可以提高1倍以上。
本实用新型采用基于全球面光学元件的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，能够满足空间各类对重量与尺寸有苛刻要求的飞行器平台，解决轻小型与高精度的设计矛盾。
本实用新型光学系统光焦度分配合理，所有透镜及反射镜均为球面面型，加工制造及装配公差比较宽松，降低加工难度以及装调难度，有利于提高长焦距星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。
参考图2，图2表征了在相对孔径一致、光学系统像质达到衍射极限时，有中心遮拦光学系统以及无中心遮拦光学系统的能量集中度曲线对比结果。相对孔径取F/10.6，遮拦比(在入瞳位置处，遮挡的光斑面积与入瞳面积的比值)取典型值16％时，P1为无遮拦能量集中度曲线，P2为有遮拦能量集中度曲线。可以看出，有遮拦情况下，
直径范围内能量集中度达到73.5％；无遮拦情况下，
直径范围内能量集中度达到86.5％，能量集中度性能相比有遮拦情况下提高17.7％以上。
参考图3，图3表征了本实用新型实施例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在50lp/mm时达到0.42以上，成像质量优异。
参考图4，图4表征了本实用新型实施例中光学系统的能量集中度曲线分布，除边缘视场外，在
范围内能量集中度达到80％以上，恒星光信号获得较好的聚集。
本实用新型提供一种适应于空间应用平台的高精度星敏感器光学系统方案。光学系统焦距达到800mm，光谱范围450nm～1100nm。光学系统具有空间紧凑布局、集光能力强及能量集中度高等特点。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明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 (9)
1.一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：包括孔径光阑、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述孔径光阑位于所述第一透镜的前方，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜位于所述第二透镜的后方，所述次反射镜为所述第二透镜的下方，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜，所述后透镜组位于所述次反射镜的后方，所述像面位于所述第四透镜的后方；
所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为双凸正光焦度透镜，所述第三透镜和第四透镜均为弯月形负光焦度透镜；
所述孔径光阑的中心与所述光学系统光轴的距离为离轴量h，入瞳口径为D，次反射镜的上边缘光线距离光轴的高度为hB2，其中h、D和hB2满足：
10mm≤h-(D/2+hB2)≤35mm；
入射光依次通过孔径光阑、第一透镜和第二透镜射向主反射镜，主反射镜反射入射光到次反射镜，光束在次反射镜再次发生反射形成反射光，反射光依次通过第三透镜和第四透镜后在像面成像。
2.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜的光焦度为
所述第二透镜的光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
3.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述反射镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
4.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述后透镜组的组合光焦度为
所述光学系统的光焦度为
其中
和
满足：
5.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述孔径光阑到像面的距离为所述光学系统的总长L，所述光学系统的焦距为f，则L和f满足：
L/f≤0.34。
6.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为同种冕牌玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述主反射镜和次反射镜均采用球面面型。
8.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜的前表面曲率半径为-311.8mm，后表面曲率半径为-561.2mm，中心厚度为8mm，透镜通光口径为φ75mm；所述第二透镜的前表面曲率半径为2911.5mm，后表面曲率半径为-958.6mm，中心厚度为17mm，透镜通光口径为φ75mm；所述主反射镜为凹面反射镜，曲率半径为-598.6mm，通光口径为
所述次反射镜为凸面反射镜，曲率半径为-273.8mm，通光口径为
所述第三透镜的前表面曲率半径为-47.1mm，后表面曲率半径为-66.5mm，中心厚度为8mm，通光口径为
所述第四透镜的前表面曲率半径为32.6mm，后表面曲率半径为21.2mm，中心厚度为15mm，通光口径为
9.根据权利要求1所述的一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一透镜的后表面与所述第二透镜的前表面的距离为0.1mm；所述第二透镜的后表面与所述主反射镜的前表面的距离为215mm，所述主反射镜的前表面与所述次反射镜的后表面的距离为215mm；所述第三透镜的前表面与所述次反射镜的后表面的距离为178.5mm；所述第三透镜的后表面与所述第四透镜的前表面的距离为0.1mm，所述第四透镜的后表面到像面的距离为18.3mm。
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| CN201921459469.6U CN210465830U (zh) | 2019-09-03 | 2019-09-03 | 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 |
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| CN201921459469.6U CN210465830U (zh) | 2019-09-03 | 2019-09-03 | 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 |
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| CN201921459469.6U Active CN210465830U (zh) | 2019-09-03 | 2019-09-03 | 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 |
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| CN (1) | CN210465830U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110703410A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-17 | 佛山科学技术学院 | 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 |
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2019
- 2019-09-03 CN CN201921459469.6U patent/CN210465830U/zh active Active
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| CN110703410A (zh) * | 2019-09-03 | 2020-01-17 | 佛山科学技术学院 | 一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统 |
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Assignee: Guangzhou HENGQIANG Information Technology Co.,Ltd. Assignor: FOSHAN University Contract record no.: X2022980018385 Denomination of utility model: An unobstructed long focal length star sensor optical system Granted publication date: 20200505 License type: Common License Record date: 20221014 |
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Assignee: DONGGUAN RUNRU INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: FOSHAN University Contract record no.: X2022990000857 Denomination of utility model: An unobstructed long focal length star sensor optical system Granted publication date: 20200505 License type: Common License Record date: 20221031 |
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