大相对孔径高精度折反射型星敏感器光学系统

摘要

大相对孔径高精度折反射型星敏感器光学系统，属于光学系统技术领域，为了克服现有技术存在的问题，该光学系统按光线入射顺序分别设置光焦度为正的前组和光焦度为正的后组，所述前镜组由次反射镜、主反射镜构成；所述后镜组由第一凸凹透镜、第二凸凹透镜、第三凸凹透镜与平行平板玻璃构成，所述第一凸凹透镜、第二凸凹透镜和第三凸凹透镜均为球面透镜；所述次反射镜与所述第一凸凹透镜之间的空气间隔是68.034，所述次反射镜与主反射镜的空气间隔是72mm，所述第一凸凹透镜与第二凸凹透镜的空气间隔是0.5mm，所述第二凸凹透镜与第三凸凹透镜的空气间隔是2.013mm，所述第三凸凹透镜与平行平板玻璃的空气间隔是7.328mm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种折反射型星敏感器光学系统，属于光学系统技术领域。

背景技术

星敏感器根据使用的波段范围、探测器类型有多种多样的成像型号。它们的性能指标差 异较大，大多采用全透射镜片的透射式，系统焦距一般20mm～60mm，有效入瞳直径般 10mm～50mm，单位时间内图像探测器接收到的入射光能量少，运动成像定姿时积分时间长， 图像刷新率慢；适应光谱范围窄；成像畸变大，真实性差。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在单位时间内图像探测器接收到的入射光能量少，运动成像 定姿时积分时间长，图像刷新率慢；适应光谱范围窄；成像畸变大，真实性差的问题，提供 一种大相对孔径、大入瞳面积、全视场能量质心偏差小、低畸变的高精度折反射型星敏感器 光学系统，该光学系统能适应飞船在宽光谱范围的高精度定姿、减少星敏感器图像探测器积 分时间，满足星敏感器快速定姿的要求，扩大星敏感器光学系统的应用范围，克服透射式星 敏感器现有技术性能指标低这一缺陷。

本发明解决技术问题的技术方案是：

大相对孔径高精度折反射型星敏感器光学系统，按光线入射顺序分别设置光焦度为正的 前镜组A和光焦度为正的后镜组B，其特征是，所述前镜组A由次反射镜A-1、主反射镜A-2 构成；所述后镜组B由第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3与平行平 板玻璃B-4构成，所述第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2和第三凸凹透镜B-3均为球面 透镜；

所述次反射镜A-1与所述第一凸凹透镜B-1之间的空气间隔是68.034，所述次反射镜A-1 与主反射镜A-2的空气间隔是72mm，所述第一凸凹透镜B-1与第二凸凹透镜B-2的空气间 隔是0.5mm，所述第二凸凹透镜B-2与第三凸凹透镜B-3的空气间隔是2.013mm，所述第三 凸凹透镜B-3与平行平板玻璃B-4的空气间隔是7.328mm。

前镜组A中两个反射镜的顶点曲率半径、二次曲面系数分别满足以下条件：

-243<R_A-1<-232  -1.55<K_A-1<-1.51

-188<R_A-2<-178  -18.9<K_A-2<-17.8

其中，R_A-1、R_A-2分别为次反射镜A-1、主反射镜A-2的顶点曲率半径，K_A-1、K_A-2分别 为次反射镜A-1、主反射镜A-2的二次曲面系数。

后镜组B中第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3和平行平板玻璃 B-4的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：

其中，f1、f2、f3、f4分别为第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3 和平行平板玻璃B-4的焦距，n-1、n-2、n-3、n-4分别为第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜 B-2、第三凸凹透镜B-3和平行平板玻璃B-4的玻璃材料折射率，R_1-1、R_1-2是第一凸凹透镜 B-1的前后表面半径，R_2-1、R_2-2是第二凸凹透镜B-2的前后表面半径，R_3-1、R_3-2是第三凸凹 透镜B-3的前后表面半径，R_4-1、R_4-2是平行平板玻璃B-4的前后表面半径。

本发明的有益效果是：

1)通过计算机辅助光学设计和优化，选用合适的前镜组反射镜面型较好减轻了后镜组透 镜元件的像差校正压力，后镜组元件数量减到最低，同时保证了影响星敏感器定位精度的垂 轴像差得以较好地校正，使镜头的MTF值在40lp/mm时大于0.75，80％弥散圆能量集中在 10μm直径范围内，全波段内能量质心偏差小于3μm、垂轴色偏差小于3μm，能适应高精度 飞船定姿的要求。

2)前镜组中的两反射镜面型均为双曲面，共轴摆放，降低了使用高次非球面等带来面型 检测的难度和离轴摆放的装调误差，后镜组三片透镜元件均为球面面型，透镜元件数量保证 了高透过率及较低的装调误差。

3)本系统的波段范围相比传统的星敏感器波段范围更宽，全视场畸变小于0.036％，满 足未来深空探测复杂星光谱及成像畸变要求。

4)本系统前镜组采用反射镜的形式有效地增大了系统入瞳直径，系统有效入瞳面积达到 5106mm²，相比于传统透射型星敏感器有更大的入瞳面积，单位时间内星敏感器像面探测器 可接收到更多光能量，适用于更多暗星作为定位星的复杂情况，减少了动态定姿的时间。

5)前镜组反射镜材料为SiC，后组透镜材料均为国产光学玻璃，没有使用特殊材料，降 低了光学系统材料采购难度和制造成本。

6)后镜组中三片透镜元件直径近似，避免了镜片包镜座后镜筒内出现台阶，保证各透镜 的径向安装精度，便于后期实际生产中镜筒的加工和研磨。

附图说明

图1为本发明大相对孔径高精度折反射型星敏感器光学系统结构示意图。

图2为本发明所述后镜组光路结构示意图。

图3为本发明光学系统的MTF曲线。

图4为本发明光学系统点列图。

图5为本发明光学系统能量分布曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光路设计如下：大相对孔径高精度折反射型星敏感器光学系统， 按光线入射顺序分别设置光焦度为正的前镜组A和光焦度为正的后镜组B，其特征是，所述 前镜组A由次反射镜A-1、主反射镜A-2构成；所述后镜组B由第一凸凹透镜B-1、第二凸 凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3与平行平板玻璃B-4构成，所述第一凸凹透镜B-1、第二凸凹 透镜B-2和第三凸凹透镜B-3均为球面透镜；

所述次反射镜A-1与所述第一凸凹透镜B-1之间的空气间隔是68.034，所述次反射镜A-1 与主反射镜A-2的空气间隔是72mm，所述第一凸凹透镜B-1与第二凸凹透镜B-2的空气间 隔是0.5mm，所述第二凸凹透镜B-2与第三凸凹透镜B-3的空气间隔是2.013mm，所述第三 凸凹透镜B-3与平行平板玻璃B-4的空气间隔是7.328mm。

前镜组A中两个反射镜的顶点曲率半径、二次曲面系数分别满足以下条件：

-243<R_A-1<-232  -1.55<K_A-1<-1.51

-188<R_A-2<-178  -18.9<K_A-2<-17.8

其中，R_A-1、R_A-2分别为次反射镜A-1、主反射镜A-2的顶点曲率半径，K_A-1、K_A-2分别 为次反射镜A-1、主反射镜A-2的二次曲面系数。

后镜组B中第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3和平行平板玻璃 B-4的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：

其中，f1、f2、f3、f4分别为第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3 和平行平板玻璃B-4的焦距，n-1、n-2、n-3、n-4分别为第一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜 B-2、第三凸凹透镜B-3和平行平板玻璃B-4的玻璃材料折射率，R_1-1、R_1-2是第一凸凹透镜 B-1的前后表面半径，R_2-1、R_2-2是第二凸凹透镜B-2的前后表面半径，R_3-1、R_3-2是第三凸凹 透镜B-3的前后表面半径，R_4-1、R_4-2是平行平板玻璃B-4的前后表面半径。

实施例：

如图1所示，按光线入射顺序分别设置光焦度为正的前镜组A和光焦度为正的后镜组B， 所述前镜组A由次反射镜A-1、主反射镜A-2构成，焦距f_A’＝247.63mm；所述后镜组B由第 一凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2、第三凸凹透镜B-3与平行平板玻璃B-4构成，所述第一 凸凹透镜B-1、第二凸凹透镜B-2和第三凸凹透镜B-3均为球面透镜，焦距f_B’＝141.811mm。

前镜组A和后镜组B之间的空气间隔是68.034mm。

次反射镜A-1和主反射镜A-2的空气间隔是72mm。

第一凸凹透镜B-1和第二凸凹透镜B-2的空气间隔是0.5mm。

第二凸凹透镜B-2和第三凸凹透镜B-3的空气间隔是2.013mm。

第三凸凹透镜B-3与平行平板玻璃B-4的空气间隔是7.328mm。

第一凸凹透镜B-1前后表面半径分别是18.815mm、10.980mm。

第二凸凹透镜B-2前后表面半径分别是10.866mm、11.518mm。

第三凸凹透镜B-3前后表面半径分别是12.578mm、31.545mm。

后组平行平板玻璃B-4前后表面半径均为平面。

第一凸凹透镜B-1玻璃材料折射率为1.755。

第二凸凹透镜B-2玻璃材料折射率为1.620。

第三凸凹透镜B-3玻璃材料折射率为1.487。

后组凸凹透镜B-4玻璃材料折射率为1.457。

由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：

1、焦距：f’＝180mm；2、相对孔径：F＝2；3、实用谱线范围：450nm～800nm；4、视场 角：2W＝3°(像方视场2y’＝9.4mm)；5、畸变：<0.036％；6、能量质心偏差：<3μm；7、色 偏差：<2.5μm；8、MTF：>0.75(40lp/mm)。