CN218956906U - 一种大视场小f#高精度星敏感器光学系统 - Google Patents

Abstract

为了实现星敏感器光学系统对大视场、长焦距、小F#光学系统的需求，本实用新型提供一种大视场小F#高精度星敏感器光学系统，包括光阑以及从物方到像方沿光路依次设置的主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜；光阑位于次镜上；主镜为孟金镜；物方成像光束依次经过主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜最终成像在探测器上。该系统兼顾了光学系统的成像质量与体积的轻小型化。

Description

一种大视场小F#高精度星敏感器光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种大视场小F#高精度星敏感器光学系统，为一种适合用航天空间环境高低轨道长期应用的、工程化的、高精度的星敏感器光学成像系统。

背景技术

光学敏感器光学系统利用对星空成像，利用恒星的间距和方位信息不变性作为参考系进行飞行器姿态导航定位的惯性姿态敏感器。由于具有测量精度高、长时间使用无漂移的优点，研制成功以来获得了极大的发展。

近年来，随着光学技术的发展和进步，星敏感器光学系统也向成像质量、体积、视场等方面提出了更高的要求。

实用新型内容

为了实现星敏感器光学系统对大视场、长焦距、小F#光学系统的需求，本实用新型提出一种采用非球面孟金镜的折反射星敏感器光学系统，该系统兼顾了光学系统的成像质量与体积的轻小型化。

本实用新型的技术方案是：

一种大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特殊之处在于：包括光阑以及从物方到像方沿光路依次设置的主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜；

上述光阑位于次镜上；

上述主镜为孟金镜；

物方成像光束依次经过主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜最终成像在探测器上。

进一步地，定义光线首先到达的表面为各个透镜的前表面，光线后到达的表面为各个透镜的后表面；

主镜前表面的曲率半径R₁为-f’<R₁<-0.5f’，主镜后表面的曲率半径R₂为-f’<R₂<-0.5f’；

次镜前表面的曲率半径为-0.5f’<R₃<0；

上述第一透镜前表面的曲率半径R₄为-0.2f’<R₄<0，第一透镜后表面的曲率半径R₅为-0.5f’<R₅<0；

上述第二透镜前表面的曲率半径R₆为-0.2f’<R₆<0，第二透镜后表面的曲率半径R₇为-0.5f’<R₇<0；

上述第三透镜前表面的曲率半径R₈为-0.2f’<R₈<0，第三透镜后表面的曲率半径R₉为-0.5f’<R₉<0。

进一步地，上述第一透镜的焦距f’₁为-0.2f’<f’₁<0；

上述第二透镜的焦距f’₂为0<f’₂<0.5f’；

上述第三透镜的焦距f’₃为0<f’₃<0.5f’；

其中，f’为光学系统的焦距。

进一步地，上述主镜的反射面conic系数为-0.99，中心厚度为15mm；

上述次镜的反射面conic系数为-10.7；

上述第一透镜的折射率n₁为：1.5<n₁<1.7；

上述第二透镜的折射率n₂为：1.7<n₂<1.9；

上述第三透镜的折射率n₃为：1.4<n₅<1.6。

进一步地，上述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统的后工作距大于9mm。

进一步地，为了有效抵抗空间中复杂的粒子辐照，主镜材料采用熔融石英。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型光学系统的主镜采用孟金镜的结构形式，将光阑放置于次镜上，在简化系统结构形式的同时保证成像质量。

2、本实用新型光学系统的主镜选用熔融石英JGSl主镜，GJS1极佳的抗辐照性能可有效抵抗空间中复杂的粒子辐照，进一步提高成像质量。

3、采用本实用新型的光学系统可以达到以下指标:

(1)成像视场范围大，可在4°成像视场内保证成像质量；

(2)系统F#小，可实现系统F#≤1.7；

(3)成在全视场范围内，在成像物距范围内和成像温度范围内畸变控制在2％以内。

附图说明

图1为实施例光学系统的结构示意图；

其中附图标记为：1、主镜；2、次镜；3、第一透镜；4、第二透镜；5、第三透镜；

图2为实施例光学系统的像面弥散斑图；

图3为实施例光学系统的像面包围圆能量曲线图；

图4为实施例光学系统的场曲畸变曲线。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型的保护的范围。

参见图1，为本实施例大视场小F#高精度星敏感器光学系统，该系统沿光轴方向依次排列的主镜1、次镜2、第一透镜3，第二透镜4，第三透镜5；光阑在次镜2上，主镜1采用孟金镜的结构形式；

其中主镜1的光学特性为：

主镜1为孟金镜，采用融石英作为主镜材料，-f’<R₁<-0.5f’,-f’<R₂<-0.5f’，本实施例中，R₁＝-383.4mm,R₂＝-379.3mm，反射面conic系数为-0.99，D₁＝15mm。

所述次镜2的光学特性为：

-0.5f’<R₃<0，本实施例中，R₃＝-274.6mm，反射面conic系数为-20.0，D₂＝-100.9mm。

所述第一透镜3的光学特性为：

-0.2f’<f’₁<0,1.5<n₁<1.7,-0.2f’<R₄<0,-0.5f’<R₅<0，本实施例中，R₄＝-29.2mm,R₅＝-36.6mm,D₃＝9.2mm,D₄＝4.0mm。

所述第二透镜4的光学特性为：

0<f’₂<0.5f’,1.7<n₂<1.9,-0.2f’<R₆<0,-0.5f’<R₇<0，本实施例中，R₆＝-129.3mm,R₇＝-95.3mm,D₅＝5.0mm,D₆＝4.0mm。

所述第三透镜5的光学特性为：

0f’<f’₃<0.5f’,1.4<n₅<1.6,-0.2f’<R₈<0,-0.5f’<R₉<0，本实施例中，R₈＝-45.5mm,R₉＝-43.2mm,D₇＝9.2mm,D₈＝10.0mm。

其中，f’为光学系统的焦距，f’₁,f’₂,f’₃分别为第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5的焦距，n₁,n₂,n₃分别为第一透镜3、第二透镜4和第三透镜5所采用玻璃的折射率，R₁,R₂,…R₉分别为从前至后9个光学表面的曲率半径，D₁,D₂,…D₈分别为从前至后9个光学表面的中心厚度与中心间隔。

结合图2至图4，可以看出本实施例所提供的光学系统的系统焦距约470mm，视场角大于4.5°，有效入瞳直径大于80mm，系统F#≤5.1。全视场无渐晕，无胶合面。在470nm-900nm波段范围内，全视场范围80％能量包围圆直径≤12um，在对准位置出成像质量接近衍射极限，相对畸变小于0.1％。

该实用新型也可应用在空间目标监视和空间碎片探测等需要大视场，小F#光学系统的领域。

Claims (6)

1.一种大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：包括光阑以及从物方到像方沿光路依次设置的主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述光阑位于次镜上；

所述主镜为孟金镜结构；

物方成像光束依次经过主镜、次镜、第一透镜、第二透镜和第三透镜最终成像在探测器上。

2.根据权利要求1所述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：定义光线首先到达的表面为各个透镜的前表面，光线后到达的表面为各个透镜的后表面；

主镜前表面的曲率半径R₁为-f’<R₁<-0.5f’，主镜后表面的曲率半径R₂为-f’<R₂<-0.5f’；

次镜前表面的曲率半径为-0.5f’<R₃<0；

所述第一透镜前表面的曲率半径R₄为-0.2f’<R₄<0，第一透镜后表面的曲率半径R₅为-0.5f’<R₅<0；

所述第二透镜前表面的曲率半径R₆为-0.2f’<R₆<0，第二透镜后表面的曲率半径R₇为-0.5f’<R₇<0；

所述第三透镜前表面的曲率半径R₈为-0.2f’<R₈<0，第三透镜后表面的曲率半径R₉为-0.5f’<R₉<0；

其中，f’为光学系统的焦距。

3.根据权利要求2所述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：

所述第一透镜的焦距f’₁为-0.2f’<f’₁<0；

所述第二透镜的焦距f’₂为0<f’₂<0.5f’；

所述第三透镜的焦距f’₃为0<f’₃<0.5f’；

其中，f’为光学系统的焦距。

4.根据权利要求3所述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：

所述主镜的反射面conic系数为-0.99，中心厚度为15mm；

所述次镜的反射面conic系数为-10.7；

所述第一透镜的折射率n₁为：1.5<n₁<1.7；

所述第二透镜的折射率n₂为：1.7<n₂<1.9；

所述第三透镜的折射率n₃为：1.4<n₅<1.6。

5.根据权利要求4所述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：后工作距大于9mm。

6.根据权利要求1-5任一所述的大视场小F#高精度星敏感器光学系统，其特征在于：主镜材料采用熔融石英。

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