本實(shí)用新型專利技術(shù)涉及一種空間光學(xué)成像系統(tǒng)，公開了一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)包括一個(gè)光闌和五個(gè)鏡片，五個(gè)鏡片分別為第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片；所述光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片依次排列，其中，光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片的中心軸線同軸；所述第一鏡片和第三鏡片均為非球面正透鏡，第二鏡片和第五鏡片為球面負(fù)透鏡，第四鏡片為球面正透鏡。本實(shí)用新型專利技術(shù)正負(fù)透鏡相互交替，采用非球面透鏡、高折射率材料，使折射面曲率減少，從而減少軸外像差，使整個(gè)視場范圍內(nèi)像面畸變場曲較小，做到各視場彌散斑直徑分布均勻。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本技術(shù)涉及一種空間光學(xué)成像系統(tǒng)，尤其涉及一種適合航天空間環(huán)境高低軌道長期應(yīng)用的、工程化的、輕小型化的星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
光學(xué)敏感器技術(shù)利用對星空成像，利用恒星的間距和方位信息不變形作為參考系進(jìn)行飛行器姿態(tài)導(dǎo)航定位的慣性姿態(tài)敏感器。由于具有測量精度高、長時(shí)間使用無漂移的優(yōu)點(diǎn)，從二十世紀(jì)五十年代研制成功以來獲得了極大的發(fā)展。而光學(xué)敏感器光學(xué)技術(shù)尤以星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展為先導(dǎo)。國內(nèi)已刊登的2004年《光子學(xué)報(bào)》中“輕小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”提出的焦距為22.7mm，相對孔徑1∶1.4，視場角為17.1°×17.1°(方視場)的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)入瞳直徑較小，僅為16.2mm；申請?zhí)枮?00610170214.9的申請文件公布了星敏感光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用7片式近遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)形式，焦距為49mm，相對孔徑為1∶1.2，視場角為14.14°×14.14°(圓視場)的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，但可用視場角較小；中國專利ZL 201120363264.5，名稱為《基于APS探測器的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)》采用了8片球面鏡片，并且考慮了光學(xué)系統(tǒng)的長壽命設(shè)計(jì)；上述公布的設(shè)計(jì)實(shí)例均采用球面透鏡的折射式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且元件片數(shù)較多。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展也向質(zhì)量、體積、使用壽命等方面提出了更高的要求。非球面技術(shù)應(yīng)用到星敏感器系統(tǒng)的需求日益加大，目前使用的非球面主要有橢球面、雙曲面、拋物面等，相對于傳統(tǒng)的球面透鏡，非球面有著變化的曲率半徑，不能像球面透鏡那樣采用樣板進(jìn)行加工和檢測，加工及檢測難度急劇提高。現(xiàn)今非球面主要為塑料模壓和玻璃模壓，精度較低，主要用于成像質(zhì)量要求較低的批量照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)。塑料材質(zhì)使用溫度范圍較窄，而玻璃模壓種類較少。德國Jena公司較早開展了星敏感器鏡頭的非球面化，并將其應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品當(dāng)中，取得了較好的效果。其開發(fā)的ASTRO-15星敏感光學(xué)系統(tǒng)采用兩片高次非球面透鏡 進(jìn)行球差校正，采用膠合鏡進(jìn)行色差校正。而該系統(tǒng)的后工作距非常短，不到2mm。國內(nèi)的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)杜絕使用膠合鏡避免光膠在空間環(huán)境下變質(zhì)脫落，而不到2mm的后工作距也給探測器組件的裝配帶來了較大的難度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)提供一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，該光學(xué)成像系統(tǒng)通過特有的五片式結(jié)構(gòu)，以及正負(fù)透鏡的相互交替，采用非球面透鏡、高折射率材料，使折射面曲率減少，從而減少軸外像差，使整個(gè)視場范圍內(nèi)像面畸變場曲較小，做到各視場彌散斑直徑分布均勻，解決了星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)普遍存在的技術(shù)問題。本技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特殊之處在于：該成像系統(tǒng)包括一個(gè)光闌和五個(gè)鏡片，五個(gè)鏡片分別為第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片；所述光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片依次排列，其中，光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片的中心軸線同軸；所述第一鏡片和第三鏡片均為非球面正透鏡，第二鏡片和第五鏡片為球面負(fù)透鏡，第四鏡片為球面正透鏡。上述光闌固定在第一鏡片上。上述第一鏡片與第三鏡片的前表面為二次橢球面面型，其面型符合公式 其中，R為非球面頂點(diǎn)曲率半徑，x，y為非球面在光軸方向上坐標(biāo)，κ為非球面圓錐系數(shù)。上述第一鏡片的光學(xué)特性為：1.0f′＜f1′＜1.2f′，1.4＜n1＜1.6，0.5f1′＜R1＜f1′，-1.5f1′＜R2＜-2f1′，-1＜κ＜0；第二鏡片的光學(xué)特性為：-2.0f′＜f2′＜-1.5f′，1.6＜n2＜1.8，1.0f2′＜R3＜0.5f2′，-8f2′＜R4＜-8.5f2′；第三鏡片的光學(xué)特性為：1.0f′＜f3′＜1.5f′，1.4＜n3＜1.6，0.5f3′＜R5＜1.0f3′，-1.5f3′＜R6＜-1.0f3′，-1＜κ＜0；第四鏡片的光學(xué)特性為：1.0f′＜f4′＜1.5f′，1.6＜n4＜1.8，0.5f4′＜R7＜1.0f4′，-16f4′＜R8＜-14f4′；第五鏡片的光學(xué)特性為：-1.0f′＜f5′＜-0.5f′，1.6＜n5＜1.8，1.0f5′＜R9＜0.5f5′，R10＜-5f5′；其中f′為該光學(xué)系統(tǒng)的焦距，f1′、f2′、f3′、f4′、f5′分別為五個(gè)透鏡的焦距，R1、R2、R3……R10分別為五個(gè)透鏡十個(gè)面的曲率半徑，n1、n2、n3……n5分別為五個(gè)透鏡的折射率，κ為非球面圓錐系數(shù)。上述光闌與第一鏡片的距離-5mm＜d1＜-3mm，第一鏡片與第二鏡片的距離1mm＜d2＜4mm，第二鏡片與第三鏡片的距離6mm＜d3＜9mm，第三鏡片與第四鏡片的距離5mm＜d4＜8mm，第四鏡片與第五鏡片的距離2mm＜d5＜5mm。上述第一鏡片與第三鏡片采用熔融石英材料JGS1；第二鏡片與第五鏡片采用重火石玻璃材料ZF4；第四鏡片采用重冕玻璃材料ZK9。上述第二鏡片采用ZF404或者ZF504，第五鏡片采用ZF404或者ZF504，第四鏡片采用ZK509或者ZK409。本技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本技術(shù)采用透射分離式分非球面結(jié)構(gòu)，光闌前置，系統(tǒng)入瞳位于光闌，五個(gè)鏡片中的正負(fù)透鏡分離，有利于校正場曲；2、光闌固定在第一鏡片上可以減少外形尺寸，進(jìn)而減小鏡頭總質(zhì)量，獲得更大的入瞳直徑；3、性能優(yōu)異：第一鏡片與第三鏡片采用非球面設(shè)計(jì)，并且正負(fù)透鏡交替組合的五片式結(jié)構(gòu)，使得光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑1∶1.2，入瞳直徑36mm，視場角φ20°的范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良。4、壽命長：采用該星敏感器光學(xué)系統(tǒng)成像結(jié)構(gòu)，第一鏡和第三鏡采用耐輻照性能優(yōu)異的熔融石英玻璃，第二鏡片可采用ZF404或者ZF504，第五鏡片可采用ZF404或者ZF504，第四鏡片可采用ZK509或者ZK409等耐輻照玻璃材料替換原有普通光學(xué)玻璃材料，便可滿足空間環(huán)境高低軌道10年使用壽命以上要求。5、輕小型化：整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用鏡片數(shù)量少，且鏡片所采用的玻璃材料折射率較高，所以鏡片相對較薄，使得整個(gè)系統(tǒng)輕量化，體積小。6、采用高折射率材料，使折射面曲率減少，從而減少軸外像差，使整個(gè)視場角范圍內(nèi)像面較平整，做到各視場彌散直徑大小均勻。附圖說明圖1為本技術(shù)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中附圖1標(biāo)記為：1-第一鏡片，2-第二鏡片，3-第三鏡片，4-第四鏡片，5-第五鏡片，6-光闌，7-探測器保護(hù)窗口；圖2為采用本技術(shù)不同視場彌散斑的能量分布圖；圖3為采用本技術(shù)的畸變分布曲線圖；圖4為本技術(shù)壽命前期和壽命后期透過率的分布曲線圖。具體實(shí)施方式如圖1所示：一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)包括一個(gè)光闌6、五個(gè)鏡片和一個(gè)探測器保護(hù)窗口7構(gòu)成，第一至第五鏡片依次排列，其中，第一鏡片1、第三鏡片3和第四鏡片4均為正透鏡，第二鏡片2與第五鏡片5為負(fù)透鏡；光闌6設(shè)置在第一鏡片1之前，探測器保護(hù)窗口7設(shè)置在第五鏡片5之后，其中，第一鏡片1和第三鏡片3均為非球面正透鏡，第二鏡片2和第五鏡片5為球面負(fù)透鏡，第四鏡片4為球面正透鏡。圖1給出了本技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個(gè)光闌6和五個(gè)鏡片，五個(gè)鏡片分別為第一鏡片1、第二鏡片2、第三鏡片3、第四鏡片4和第五鏡片5；光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片依次排列，且光闌、第一鏡片、第二鏡片本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：該成像系統(tǒng)包括一個(gè)光闌和五個(gè)鏡片，五個(gè)鏡片分別為第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片；所述光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片依次排列，其中，光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片的中心軸線同軸；所述第一鏡片和第三鏡片均為非球面正透鏡，第二鏡片和第五鏡片為球面負(fù)透鏡，第四鏡片為球面正透鏡。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：該成像系統(tǒng)包括一個(gè)光闌和五個(gè)鏡片，五個(gè)鏡片分別為第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片；所述光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片依次排列，其中，光闌、第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片和第五鏡片的中心軸線同軸；所述第一鏡片和第三鏡片均為非球面正透鏡，第二鏡片和第五鏡片為球面負(fù)透鏡，第四鏡片為球面正透鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述光闌固定在第一鏡片上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述第一鏡片與第三鏡片的前表面為二次橢球面面型，其面型符合公式 z ( r ) = cr 2 1 + 1 - ( k + 1 ) c 2 r 2 ; ]]>其中，R為非球面頂點(diǎn)曲率半徑，x，y為非球面在光軸方向上坐標(biāo)，κ為非球面圓錐系數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的星敏感器光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述第一鏡片的光學(xué)特性為：1.0...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：薛要克，王虎，劉陽，王靈光，林上民，劉美瑩，陳蘇，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，
類型：新型
國別省市：陜西;61
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