[go: up one dir, main page]

CN110196483A - 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统 - Google Patents

一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110196483A
CN110196483A CN201910437979.1A CN201910437979A CN110196483A CN 110196483 A CN110196483 A CN 110196483A CN 201910437979 A CN201910437979 A CN 201910437979A CN 110196483 A CN110196483 A CN 110196483A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
negative lens
center
focal length
incidence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910437979.1A
Other languages
English (en)
Inventor
张凯胜
苏秀琴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Original Assignee
XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS filed Critical XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority to CN201910437979.1A priority Critical patent/CN110196483A/zh
Publication of CN110196483A publication Critical patent/CN110196483A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明涉及光学导航领域，尤其涉及一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，解决了因温度变化而引起的星敏感器光学系统成像质量差的问题，包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜和第四负透镜；其中正负是按其光焦度正负确定，最终经过滤光片入射到像面；光学系统的焦距为84mm，F数为1.4，分配光焦度、有效匹配光学材料改变透镜形状实现全被动补偿；实现了在高低温(‑40℃～60℃)条件下MTF≧0.4@30lp/mm，具有良好的成像性能，具有较高的环境适应性。

Description

一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及光学导航领域，尤其涉及一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统。
背景技术
在星敏感器的诸多特点中，精度高是星敏感器最突出的特点，也是其越来越受到重视的原因。由于星敏感器的高精度特性，它经常被用于修正惯性导航系统中陀螺的漂移误差。星敏感器的测量精度将直接影响到平台定位精度，关系到系统整体性能，由于光学系统是影响星敏感器性能的关键因素，所以星敏感器光学系统设计一直是研究热点。
随着现代科学技术的不断发展，大部分应用在空间领域的光学仪器性能要求逐渐提高，特别对其环境适应性的能力要求，一般都要求其在较宽温度范围内，保证成像性能优异。光学系统的成像性能与透镜折射率、曲率半径、透镜面型、透镜厚度和空气间隔等光学参数息息相关，工作温度的变化往往导致这些光学参数的改变，从而引起实际像面偏离最佳位置，使光学系统像点在探测器上形成弥散斑，最终导致光学质量恶化。
发明内容
为了解决因温度变化而引起的星敏感器光学系统成像质量差的问题，本发明提供了一种环境适应性较高的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统。
通过无热化设计，可以为光学系统消热差，目前无热化设计主要有3种手段：光学被动式、机电主动式和机械被动式。其中光学被动消热差方法通过匹配光学与结构材料的热差性能实现镜头消热差，具有重量小、无功耗、可靠性高等特点，成为光学系统消热差的首选方法。因此本发明采用光学被动式消热差方法，设计大相对孔径近红外消热差光学系统。
本发明的技术方案是提供一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特殊之处在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜和第四负透镜；其中正负是按其光焦度正负确定，最终经过滤光片入射到像面；
所述第一正透镜的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.04；
所述第一负透镜的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.02；
所述第二负透镜的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.05；
所述第二正透镜的折射率为1.46～1.57，焦距与总焦距比值绝对值＜0.2；
所述第三负透镜的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.1；
所述第三正透镜的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.3；
所述第四负透镜的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.3。
进一步地，所述第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜和第四负透镜均为球面镜，镜面面型简单，且材料均为常用廉价材料，如K9玻璃、HLAK3玻璃及HZF7玻璃等。
进一步地，为保证足够的对象面调整空间，所述第四负透镜的光线出射面的中心离滤光片距离不小于6mm。
进一步地，为了便与描述，定义每个透镜中，光线先进入的面为入射面，另一面为出射面；
第一正透镜入射面的半径为120.3，出射面半径为-126.7；
第一负透镜入射面的半径为-101.7，出射面半径为134.2；
第二负透镜入射面的半径为73.77，出射面的半径为223.18；
第二正透镜入射面的半径为66.465，出射面的半径为-320.027；
第三负透镜入射面的半径为28.954，出射面的半径为66.836；
第三正透镜入射面的半径为108.012，出射面的半径为19.612；
第四负透镜入射面的半径为18.53，出射面的半径为21.387。
进一步地，第一正透镜入射面中心距入瞳的间隔为1；
第一正透镜中心厚度为10；
第一正透镜出射面中心距第一负透镜入射面中心的间隔为3.82；
第一负透镜中心厚度为5.51；
第一负透镜出射面中心距第二负透镜入射面中心的间隔为0.8；
第二负透镜中心厚度为7；
第二负透镜出射面中心距第二正透镜入射面中心的间隔为38.54；
第二正透镜中心厚度为9，
第二正透镜出射面中心距第三负透镜入射面中心的间隔为0.8；
第三负透镜中心厚度为8.99；
第三负透镜出射面中心距第三正透镜入射面中心的间隔为2.87；
第三正透镜中心厚度为5；
第三正透镜出射面中心距第四负透镜入射面中心的间隔为24.65；
第四负透镜中心厚度为5；
第四负透镜出射面中心距滤光片的间隔为6.007954509。
进一步地，第一正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三负透镜、第三正透镜和第四负透镜满足：
其中：hj为近轴边缘光线在第j个透镜上的入射高度；v为玻璃材料色散系数；αj为第j个透镜热膨胀系数；α为镜筒结构件的热膨胀系数，为光焦度；f为焦距；vj为第j个透镜玻璃材料阿贝数。
进一步地，该光学系统的焦距为84mm，F数为1.4，工作波段为1.1μm～1.4μm，全视场角为8.4°。
本发明的有益效果是：
1、本发明光学系统的焦距为84mm，F数为1.4，分配光焦度、有效匹配光学材料改变透镜形状实现全被动补偿；实现了在高低温(-40℃～60℃)条件下MTF≧0.4@30lp/mm，具有良好的成像性能，具有较高的环境适应性。
2、本发明光学系统入瞳不小于60mm，可有效对弱照度星点的探测。
3、本发明光学系统工作波段为1.1μm～1.4μm，可有效抑制天空背景光的干扰，实现星敏感器全天时工作的功能，且在该工作波段导航星数量较多，大大提高观星概率。
4、本发明光学系统共用七片透镜，结构简单，便于装配。
5、本发明光学系统中透镜均采用球面镜无复杂面型，加工简单。
附图说明
图1为本发明提供的光学系统结构示意图；
图2a为常温常压条件下光学系统光学调制传递函数；
图2b为-40℃低温条件下光学系统光学调制传递函数；
图2c为60℃高温条件下光学系统光学调制传递函数；
图3a为本发明提供的光学系统球差曲线；
图3b为本发明提供的光学系统像散曲线；
图4为本发明提供的光学系统畸变曲线；
图5为本发明提供的光学系统点列图；
图6为本发明提供的光学系统公差曲线。
其中图1中：沿光线方向，从左至右，1-第一正透镜，2-第一负透镜，3-第二负透镜，4-第二正透镜，5-第三负透镜，6-第三正透镜，7-第四负透镜，8-滤光片，9-像面。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
全天时星敏感器是指能够具备全天时工作能力和高测量精度的星敏感器。特别在白天工作状态下，强烈的背景光很容易将微弱的星点淹没，天空背景光以短波为主，峰值大约在0.45～0.55μm之间，且光谱曲线随着波长的增加而急剧下降，在0.9μm以外光谱能量已经很低。针对中纬度夏季大气模型、大气传输模型为能见度30km和高度角60°，在0.2～3μm之间的太阳辐射功率谱。经分析可得，太阳辐射属于短波辐射，辐射峰值波长在0.5μm左右，在短波红外波段1.25μm-J波段的太阳辐射功率远低于可见光。所以全天时星敏感器光学系统工作波段选择1.1～1.4μm。
为了实现全天时星敏感器的环境适应性，本发明采用光学被动式无热化设计方法，根据玻璃材料的热膨胀系数和色差特性，合理分配光焦度和元件间隔，使系统在不同工作温度范围内光学性能良好。
光学系统由j个薄透镜组成，若采用光学被动式无热化设计，应满足：
其中：hj为近轴边缘光线在第j个透镜上的入射高度；v为玻璃材料色散系数；αj为第j个透镜热膨胀系数；α为镜筒结构件的热膨胀系数。本实施例中k等于7。
本实施例消热差光学镜头，其设计参数为：工作波段为1.1μm～1.4μm，焦距为84mm，全视场角为8.4°，F数为1.4。
如图1所示，为本实施例的光学系统结构示意图，该镜头包括七片透镜，七片透镜光焦度以正负负正负正负的形式排列，无复杂面型和胶合镜，便于加工，均为常用廉价及环境友好玻璃，如K9玻璃、HLAK3玻璃及HZF7玻璃，有利于控制成本。
光束从左至右传播，光入射的第一片透镜为第一正透镜1，降低主光线的投射高度，减少大孔径带来的高级像差。其玻璃材料属于环境友好材料，作为第一片透镜材料，具有抗腐蚀和起保护窗作用。其折射率选用高折射率玻璃同时具有较低的热膨胀系数，有利于校正球差和热差。以光入射的第二片透镜为第一负透镜2，第三片为第二负透镜3，将光束发散作用，保证到达第四片即第二正透镜4入射角小，从而有效降低高级色差。第三负透镜5与第三正透镜6的作用是降低光线经透镜表面后的偏向角，降低系统公差的灵敏度，第四负透镜7为弯月形，作为场镜可有效消除场曲。
本实施例提供的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统各透镜组件的具体数据及采用的材料特性如表1所示。
表1各透镜组件的具体数据及采用的材料特性(表中的单位是mm)
图2a-图2c为不同气压和温度条件下光学系统调制传递函数，其中横坐标表示为空间调制频率，纵坐标表示为光学调制函数。图2a为常温常压条件下该镜头的光学调制传递函数，图2b为-40℃低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，图2c为60℃低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，可以看出本发明的光学系统在温度-40℃～60℃和真空常压下均具有良好的环境适应性。
图3a与图3b分别为本发明提供的光学系统在不同波段下的球差和像散，可以看出球差和像散得到了良好的校正，间接可得到色差不明显。
图4是本发明提供的光学系统畸变曲线，其中横坐标表示为光学畸变，纵坐标为光学系统视场角，可以看出该光学系统畸变小于0.1％。
图5是本发明提供的光学系统的点列图弥散斑仿真图，可以看出各个视场角弥散斑优于12微米，小于探测器像元尺寸(15μm)。
图6是本发明提供的光学系统公差曲线，其中横坐标表示为光学传递函数，纵坐标为概率，可以看出该光学系统90％概率MTF≧0.4@30lp/mm，满足设计要求。

Claims (7)

1.一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜(1)、第一负透镜(2)、第二负透镜(3)、第二正透镜(4)、第三负透镜(5)、第三正透镜(6)、第四负透镜(7)及滤光片(8)；光线最终经过滤光片(8)入射到像面(9)；
所述第一正透镜(1)的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.04；
所述第一负透镜(2)的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.02；
所述第二负透镜(3)的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.05；
所述第二正透镜(4)的折射率为1.46～1.57，焦距与总焦距比值绝对值＜0.2；
所述第三负透镜(5)的折射率为1.68～1.75，焦距与总焦距比值绝对值＜0.1；
所述第三正透镜(6)的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.3；
所述第四负透镜(7)的折射率为1.78～1.92，焦距与总焦距比值绝对值＜0.3。
2.根据权利要求1所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：所述第一正透镜(1)、第一负透镜(2)、第二负透镜(3)、第二正透镜(4)、第三负透镜(5)第三正透镜(6)和第四负透镜(7)均为球面镜，材料均为K9玻璃、HLAK3玻璃或HZF7玻璃。
3.根据权利要求2所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：所述第四负透镜的光线出射面中心离滤光片距离不小于6mm。
4.根据权利要求2所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：定义每个透镜中，光先进入的面为入射面，另一面为出射面；
第一正透镜(1)入射面的半径为120.3，出射面半径为-126.7；
第一负透镜(2)入射面的半径为-101.7，出射面半径为134.2；
第二负透镜(3)入射面的半径为73.77，出射面的半径为223.18；
第二正透镜(4)入射面的半径为66.465，出射面的半径为-320.027；
第三负透镜(5)入射面的半径为28.954，出射面的半径为66.836；
第三正透镜(6)入射面的半径为108.012，出射面的半径为19.612；
第四负透镜(7)入射面的半径为18.53，出射面的半径为21.387。
5.根据权利要求4所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：第一正透镜(1)入射面距入瞳的距离为1；
第一正透镜(1)中心厚度为10；
第一正透镜(1)出射面中心距第一负透镜(2)入射面中心的间隔为3.82；
第一负透镜(2)中心厚度为5.51；
第一负透镜(2)出射面中心距第二负透镜(3)入射面中心的间隔为0.8；
第二负透镜(3)中心厚度为7；
第二负透镜(3)出射面中心距第二正透镜(4)入射面中心的间隔为38.54；
第二正透镜(4)中心厚度为9，
第二正透镜(4)出射面中心距第三负透镜(5)入射面中心的间隔为0.8；
第三负透镜(5)中心厚度为8.99；
第三负透镜(5)出射面中心距第三正透镜(6)入射面中心的间隔为2.87；
第三正透镜(6)中心厚度为5；
第三正透镜(6)出射面中心距第四负透镜(7)入射面中心的间隔为24.65；
第四负透镜(7)中心厚度为5；
第四负透镜(7)出射面中心距滤光片(9)的间隔为6.007954509。
6.根据权利要求1所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：
第一正透镜(1)、第一负透镜(2)、第二负透镜(3)、第二正透镜(4)、第三负透镜(5)、第三正透镜(6)和第四负透镜(7)满足：
其中：hj为近轴边缘光线在第j个透镜上的入射高度；v为玻璃材料色散系数；αj为第j个透镜热膨胀系数；α为镜筒结构件的热膨胀系数，为光焦度；f为焦距；vj为第j个透镜玻璃材料阿贝数。
7.根据权利要求1所述的大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统，其特征在于：焦距为84mm，F数为1.4，工作波段为1.1μm～1.4μm，全视场角为8.4°。
CN201910437979.1A 2019-05-24 2019-05-24 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统 Pending CN110196483A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910437979.1A CN110196483A (zh) 2019-05-24 2019-05-24 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910437979.1A CN110196483A (zh) 2019-05-24 2019-05-24 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110196483A true CN110196483A (zh) 2019-09-03

Family

ID=67751582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910437979.1A Pending CN110196483A (zh) 2019-05-24 2019-05-24 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110196483A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111830693A (zh) * 2020-06-18 2020-10-27 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种长焦距的大视场内调焦光学系统
CN112180547A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 河南中光学集团有限公司 一种大相对孔径共焦宽光谱无热化物镜
CN113238347A (zh) * 2021-06-16 2021-08-10 中山依瓦塔光学有限公司 一种多功能的综合型中继镜

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111830693A (zh) * 2020-06-18 2020-10-27 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种长焦距的大视场内调焦光学系统
CN112180547A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 河南中光学集团有限公司 一种大相对孔径共焦宽光谱无热化物镜
CN113238347A (zh) * 2021-06-16 2021-08-10 中山依瓦塔光学有限公司 一种多功能的综合型中继镜
CN113238347B (zh) * 2021-06-16 2024-05-17 中山依瓦塔光学有限公司 一种多功能的综合型中继镜

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9651763B2 (en) Co-aperture broadband infrared optical system
CN110196483A (zh) 一种大相对孔径无热化全天时星敏感器光学系统
CN111856708A (zh) 取像镜头及其制造方法
CN103207443A (zh) 近红外飞行器姿态位置测量物镜系统
CN210742601U (zh) 一种模块化折反射式中波红外无热镜头
CN209148949U (zh) 一种日夜共焦镜头
CN114252982B (zh) 焦距35mm的消热差红外镜头及其装配方法、成像方法
CN106342269B (zh) 一种大视场中波红外光学无热化系统
CN212873048U (zh) 无热化热成像镜头
CN114967060A (zh) 一种小型消热差红外镜头
CN103809270A (zh) 含衍射元件的大视场准像方远心航测相机光学系统
CN110703415B (zh) 一种焦距稳定的无热化星敏感器光学系统
CN107092076B (zh) 一种高通光量紧凑型长波红外定焦镜头
CN113325578A (zh) 一种光电吊舱的光学系统
CN208013534U (zh) 一种宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构
CN114089513B (zh) 一种-70℃~+100℃红外超宽温消热差光学系统
CN216210192U (zh) 一种长焦大靶面镜头
CN113933976B (zh) 一种长焦距双波段红外光学系统
CN114018405B (zh) 基于卡塞格林望远镜结构的多波段平板分光系统
CN222439756U (zh) 一种红外光学系统及红外光学镜头
CN111624732B (zh) 一种非制冷长波红外广角镜头
CN115128772B (zh) 一种大视场光学被动无热化非制冷红外光学系统
CN218675478U (zh) 变焦光学系统和监控摄像设备
CN212647136U (zh) 一种小型化高清稳定镜头
CN114002808B (zh) 一种红外成像光学系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190903