CN109188651B - 一种折射式高分辨率星敏感器光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种折射式高分辨率星敏感器光学系统，属于光学系统技术领域。解决了现有技术中星敏感器光学系统因畸变值偏大导致成像质量不高的技术问题。本发明的光学系统，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的窗口玻璃、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为正弯月透镜，第四透镜为负弯月透镜，第五透镜为双凹透镜，第六透镜为负弯月透镜，第七透镜为双凸透镜，且第六透镜和第七透镜相邻的表面固定在一起，形成胶合透镜，第八透镜为正弯月透镜。该光学系统具有大视场、宽光谱、低畸变、高分辨率的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种折射式高分辨率星敏感器光学系统。
背景技术
星敏感器是飞行器控制系统中测量精度较高的姿态敏感器，在卫星器姿态控制中发挥着尤为重要的作用。近年来随着微小卫星技术快速发展，特别是自主导航星敏感器研究和应用的日益广泛，星敏感器逐渐向大视场、轻量化、高精度的趋势发展。
目前，星敏感器关键技术主要包括光学系统研制技术、图像处理技术、星图匹配等。其中，光学系统设计是星敏感器研制过程中的重要部分，由于成像目标以及对像质的要求不同，星敏感器光学系统具有如下特点：(1)对星点目标成像，不要求成像的细节，但要保证像点质心位置的精度；(2)要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定范围内，一般不超过像元尺寸的十分之一；(3)满足成像质量的前提下，使用尽可能少的光学零件数目以便于加工装配；尽量减小的镜头轴向尺寸和径向尺寸以便减小星敏感器的体积和质量。设计的难点在于保证优良的恒星像质。
目前星敏感器光学系统主要有如下几种：九片球面透镜组成的双高斯结构非像方远心光学系统、七片无胶合球面透镜构成的非像方远心光学系统和无胶合的像方远心光学系统。但是，现有星敏感器光学系统因畸变值偏大导致成像质量不高。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术中星敏感器光学系统因畸变值偏大导致成像质量不高的技术问题，本发明提供一种折射式高分辨率星敏感器光学系统。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的窗口玻璃、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为正弯月透镜，第四透镜为负弯月透镜，第五透镜为双凹透镜，第六透镜为负弯月透镜，第七透镜为双凸透镜，且第六透镜和第七透镜相邻的表面固定在一起，形成胶合透镜，第八透镜为正弯月透镜。
进一步的，所述窗口玻璃的材料为SILICA，前后表面的曲率半径均为无穷大，厚度为4mm～4.2mm。
进一步的，所述第一透镜的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为54mm～58mm和510mm～590mm，厚度为7mm～8mm，第一透镜与窗口玻璃的间距为0.5mm～0.6mm。
进一步的，所述第二透镜的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为37mm～42mm和140mm～160mm，厚度为7.1mm～7.9mm，第二透镜与第一透镜的间距为0.3mm～0.5mm。
进一步的，所述第三透镜的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为24mm～28mm和46mm～52mm，厚度为6.2mm～6.6mm，第三透镜与第二透镜的间距为0.4mm～0.6mm。
进一步的，所述第四透镜的材料为HLAF4，前后表面的曲率半径分别为55mm～60mm和15mm～20mm，厚度为3.1mm～3.3mm，第四透镜与第三透镜的间距为0.9mm～1.2mm。
进一步的，所述第五透镜的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为-57mm～-53mm和48mm～55mm，厚度为3mm～3.4mm，第五透镜与第四透镜的间距为4.7mm～4.9mm。
进一步的，所述第六透镜的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为130mm～150mm和20mm～26mm，厚度为3mm～3.3mm，第六透镜与第五透镜的间距为2.2mm～2.5mm。
进一步的，所述第七透镜的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为20mm～26mm和-70mm～-66mm，厚度为8.2mm～8.4mm，第七透镜与第八透镜的间距为2.8mm～3mm。
进一步的，所述第八透镜的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为50mm～55mm和210mm～230mm，厚度为16.4mm～16.5mm，第八透镜与像面的间距为18mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统具有大视场、宽光谱、低畸变、高分辨率的特点，能够实现各视场弥散圆均控制在8μm以内，全视场80％能量集中在直径<12μm圆内，全视场范围内畸变优于0.2％。
附图说明
图1为本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统的结构示意图，图中，1、窗口玻璃，2、第一透镜，3、第二透镜，4、第三透镜，5、第四透镜，6、第五透镜，7、第六透镜，8、第七透镜，9、第八透镜。
图2为本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统的能量集中度曲线。
图3为本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统的像面处点列图。
图4为本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统的各视场传函值。
图5为本发明提供的折射式高分辨率星敏感器光学系统的各视场畸变值。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的折射式高分辨率星敏感器光学系统，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的窗口玻璃1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和第八透镜9。
其中，第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4均为正弯月透镜，第四透镜5为负弯月透镜，第五透镜6为双凹透镜，第六透镜7为负弯月透镜，第七透镜8为双凸透镜，且第六透镜7和第七透镜8相邻的表面固定在一起，形成胶合透镜，第八透镜9为正弯月透镜。
通常，窗口玻璃1的材料为SILICA，前后表面的曲率半径均为无穷大，厚度为4mm～4.2mm；第一透镜2的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为54mm～58mm和510mm～590mm，厚度为7mm～8mm，第一透镜2与窗口玻璃1的间距为0.5mm～0.6mm；第二透镜3的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为37mm～42mm和140mm～160mm，厚度为7.1mm～7.9mm，第二透镜3与第一透镜2的间距为0.3mm～0.5mm；第三透镜4的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为24mm～28mm和46mm～52mm，厚度为6.2mm～6.6mm，第三透镜4与第二透镜3的间距为0.4mm～0.6mm；第四透镜5的材料为HLAF4，前后表面的曲率半径分别为55mm～60mm和15mm～20mm，厚度为3.1mm～3.3mm，第四透镜5与第三透镜4的间距为0.9mm～1.2mm；第五透镜6的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为-57～-53mm mm和48mm～55mm，厚度为3mm～3.4mm，第五透镜6与第四透镜5的间距为4.7mm～4.9mm；第六透镜7的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为130mm～150mm和20mm～26mm，厚度为3mm～3.3mm，第六透镜7与第五透镜6的间距为2.2mm～2.5mm；第七透镜8的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为20mm～26mm和-70mm～-66mm，厚度为8.2mm～8.4mm，第七透镜8与第八透镜9的间距为2.8mm～3mm；第八透镜9的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为50mm～55mm和210mm～230mm，厚度为16.4mm～16.5mm，第八透镜9与像面的间距为18mm。
本发明的折射式高分辨率星敏感器光学系统的光路走向为，光经窗口1进入光学系统，先依次经第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7和第七透镜8，最后经第八透镜9成像在像面上。各透镜作用如下：
第一透镜2作用为消除系统球差；
第二透镜3作用为消除系统球差；
第三透镜4作用为消除系统球差；
第四透镜5作用为消除系统慧差、像散；
第五透镜6作用为消除系统慧差、像散；
第六透镜7作用为消除系统色差；
第七透镜8作用为消除系统色差；
第八透镜9作用为消除系统场曲和畸变。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
技术指标为：入瞳口径35mm；设计波长550nm～850nm；参考波长700nm；视场角21°(圆视场)；焦距59.587mm；能量集中度80％能量集中在直径20μm圆内；畸变小于0.2％。
设计折射式高分辨率星敏感器光学系统，各光学元件的参数(半径、厚度、材料等)如表1所示。
表1光学镜组各光学元件的参数
对实施例1的折射式高分辨率星敏感器光学系统的能量集中度进行表征，其能量集中度曲线如图2所示，图中，曲线1为(0.000，0.000)度视场能量集中度曲线，曲线2为(0.000，4.000)度视场能量集中度曲线，曲线3为(0.000，6.500)度视场能量集中度曲线，曲线4为(0.000，8.500)度视场能量集中度曲线，曲线5为(0.000，10.5 0)度视场能量集中度曲线。从图2可以看出，实施例1的折射式高分辨率星敏感器光学系统的全视场80％能量集中在直径<12μm圆内，较其它已知的星敏感器镜头(≤20μm)有较大提高。
对实施例1的折射式高分辨率星敏感器光学系统的光学系统像面处点列进行表征。采用设备：分辨率2560×2160、象元尺寸6.5×6.5μm的CCD相机，系统分辨率可高达550万像素。结果如图3所示，图左侧数值代表视场值，右侧数值代表像面弥散斑直径。从图3中可以看出，本发明的光学系统像面处中心视场点列图RMS直径<8μm，边缘视场点列图RMS直径<9μm。
对实施例1的折射式高分辨率星敏感器光学系统的光学系统各视场传函值进行表征。结果如图4所示，图中，曲线1为光学系统衍射极限传函曲线，曲线2为轴上视场传函曲线，曲线3为0.4视场子午传函曲线，曲线4为0.4视场弧矢传函曲线，曲线5为0.6视场子午传函曲线，曲线6为0.6视场弧矢传函曲线，曲线7为0.8视场子午传函曲线，曲线8为0.8视场弧矢传函曲线，曲线9为全视场子午传函曲线，曲线10为全视场弧矢传函曲线。从图4中可以看出，像面处光学系统具有高传函的优点，全视场MTF(@77lp/mm)>0.5。(注：相机象元尺寸为6.5μm，因此相机Nyquist频率(最高分辩空间频率)为77lp/mm)。
对实施例1的折射式高分辨率星敏感器光学系统的光学系统各视场畸变值进行表征。结果如图5所示，曲线为从零度至全视场畸变值。从图5可以看出，本发明的光学系统具有低畸变的优点，全视场范围内畸变优于0.2％，大大优于其他星敏感器1％的畸变值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的窗口玻璃(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、第七透镜(8)和第八透镜(9)；具有光学屈折力的部件仅为上述八片透镜；
所述第一透镜(2)、第二透镜(3)和第三透镜(4)均为正弯月透镜，第四透镜(5)为负弯月透镜，第五透镜(6)为双凹透镜，第六透镜(7)为负弯月透镜，第七透镜(8)为双凸透镜，且第六透镜(7)和第七透镜(8)相邻的表面固定在一起，形成胶合透镜，第八透镜(9)为正弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述窗口玻璃(1)的材料为SILICA，前后表面的曲率半径均为无穷大，厚度为4mm～4.2mm。
3.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第一透镜(2)的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为54mm～58mm和510mm～590mm，厚度为7mm～8mm，第一透镜(2)与窗口玻璃(1)的间距为0.5mm～0.6mm。
4.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第二透镜(3)的材料为HF2，前后表面的曲率半径分别为37mm～42mm和140mm～160mm，厚度为7.1mm～7.9mm，第二透镜(3)与第一透镜(2)的间距为0.3mm～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第三透镜(4)的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为24mm～28mm和46mm～52mm，厚度为6.2mm～6.6mm，第三透镜(4)与第二透镜(3)的间距为0.4mm～0.6mm。
6.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第四透镜(5)的材料为HLAF4，前后表面的曲率半径分别为55mm～60mm和15mm～20mm，厚度为3.1mm～3.3mm，第四透镜(5)与第三透镜(4)的间距为0.9mm～1.2mm。
7.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第五透镜(6)的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为-57mm～-53mm和48mm～55mm，厚度为3mm～3.4mm，第五透镜(6)与第四透镜(5)的间距为4.7mm～4.9mm。
8.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第六透镜(7)的材料为HZF3，前后表面的曲率半径分别为130mm～150mm和20mm～26mm，厚度为3mm～3.3mm，第六透镜(7)与第五透镜(6)的间距为2.2mm～2.5mm。
9.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第七透镜(8)的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为20mm～26mm和-70mm～-66mm，厚度为8.2mm～8.4mm，第七透镜(8)与第八透镜(9)的间距为2.8mm～3mm。
10.根据权利要求1所述的折射式高分辨率星敏感器光学系统，其特征在于，所述第八透镜(9)的材料为HZLAF52，前后表面的曲率半径分别为50mm～55mm和210mm～230mm，厚度为16.4mm～16.5mm，第八透镜(9)与像面的间距为18mm。
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