一种星敏感器光学成像系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种空间光学成像系统，公开了一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。本实用新型专利技术正负透镜相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种空间光学成像系统，尤其涉及一种适合航天空间环境高低轨道长期应用的、工程化的、轻小型化的星敏感器光学成像系统。
技术介绍
光学敏感器技术利用对星空成像，利用恒星的间距和方位信息不变形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，从二十世纪五十年代研制成功以来获得了极大的发展。而光学敏感器光学技术尤以星敏感器光学系统的技术发展为先导。国内已刊登的2004年《光子学报》中“轻小型星敏感器光学系统设计”提出的焦距为22.7mm，相对孔径1∶1.4，视场角为17.1°×17.1°(方视场)的光学系统，该系统入瞳直径较小，仅为16.2mm；申请号为200610170214.9的申请文件公布了星敏感光学系统结构采用7片式近远心的结构形式，焦距为49mm，相对孔径为1∶1.2，视场角为14.14°×14.14°(圆视场)的光学系统。该系统成像质量较好，但可用视场角较小；中国专利ZL 201120363264.5，名称为《基于APS探测器的星敏感器光学系统》采用了8片球面镜片，并且考虑了光学系统的长寿命设计；上述公布的设计实例均采用球面透镜的折射式系统结构，并且元件片数较多。近年来，随着技术的发展和进步，星敏感器光学系统的发展也向质量、体积、使用寿命等方面提出了更高的要求。非球面技术应用到星敏感器系统的需求日益加大，目前使用的非球面主要有椭球面、双曲面、抛物面等，相对于传统的球面透镜，非球面有着变化的曲率半径，不能像球面透镜那样采用样板进行加工和检测，加工及检测难度急剧提高。现今非球面主要为塑料模压和玻璃模压，精度较低，主要用于成像质量要求较低的批量照明系统和投影系统。塑料材质使用温度范围较窄，而玻璃模压种类较少。德国Jena公司较早开展了星敏感器镜头的非球面化，并将其应用到实际产品当中，取得了较好的效果。其开发的ASTRO-15星敏感光学系统采用两片高次非球面透镜 进行球差校正，采用胶合镜进行色差校正。而该系统的后工作距非常短，不到2mm。国内的星敏感器光学系统杜绝使用胶合镜避免光胶在空间环境下变质脱落，而不到2mm的后工作距也给探测器组件的装配带来了较大的难度。
技术实现思路
本技术提供一种星敏感器光学成像系统，该光学成像系统通过特有的五片式结构，以及正负透镜的相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀，解决了星敏感器光学成像系统普遍存在的技术问题。本技术的技术方案如下：一种星敏感器光学成像系统，其特殊之处在于：该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。上述光阑固定在第一镜片上。上述第一镜片与第三镜片的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式 其中，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为非球面圆锥系数。上述第一镜片的光学特性为：1.0f′＜f1′＜1.2f′，1.4＜n1＜1.6，0.5f1′＜R1＜f1′，-1.5f1′＜R2＜-2f1′，-1＜κ＜0；第二镜片的光学特性为：-2.0f′＜f2′＜-1.5f′，1.6＜n2＜1.8，1.0f2′＜R3＜0.5f2′，-8f2′＜R4＜-8.5f2′；第三镜片的光学特性为：1.0f′＜f3′＜1.5f′，1.4＜n3＜1.6，0.5f3′＜R5＜1.0f3′，-1.5f3′＜R6＜-1.0f3′，-1＜κ＜0；第四镜片的光学特性为：1.0f′＜f4′＜1.5f′，1.6＜n4＜1.8，0.5f4′＜R7＜1.0f4′，-16f4′＜R8＜-14f4′；第五镜片的光学特性为：-1.0f′＜f5′＜-0.5f′，1.6＜n5＜1.8，1.0f5′＜R9＜0.5f5′，R10＜-5f5′；其中f′为该光学系统的焦距，f1′、f2′、f3′、f4′、f5′分别为五个透镜的焦距，R1、R2、R3……R10分别为五个透镜十个面的曲率半径，n1、n2、n3……n5分别为五个透镜的折射率，κ为非球面圆锥系数。上述光阑与第一镜片的距离-5mm＜d1＜-3mm，第一镜片与第二镜片的距离1mm＜d2＜4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm＜d3＜9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm＜d4＜8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm＜d5＜5mm。上述第一镜片与第三镜片采用熔融石英材料JGS1；第二镜片与第五镜片采用重火石玻璃材料ZF4；第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9。上述第二镜片采用ZF404或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409。本技术具有以下优点：1、本技术采用透射分离式分非球面结构，光阑前置，系统入瞳位于光阑，五个镜片中的正负透镜分离，有利于校正场曲；2、光阑固定在第一镜片上可以减少外形尺寸，进而减小镜头总质量，获得更大的入瞳直径；3、性能优异：第一镜片与第三镜片采用非球面设计，并且正负透镜交替组合的五片式结构，使得光学系统相对孔径1∶1.2，入瞳直径36mm，视场角φ20°的范围内成像质量优良。4、寿命长：采用该星敏感器光学系统成像结构，第一镜和第三镜采用耐辐照性能优异的熔融石英玻璃，第二镜片可采用ZF404或者ZF504，第五镜片可采用ZF404或者ZF504，第四镜片可采用ZK509或者ZK409等耐辐照玻璃材料替换原有普通光学玻璃材料，便可满足空间环境高低轨道10年使用寿命以上要求。5、轻小型化：整个系统结构中采用镜片数量少，且镜片所采用的玻璃材料折射率较高，所以镜片相对较薄，使得整个系统轻量化，体积小。6、采用高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，做到各视场弥散直径大小均匀。附图说明图1为本技术星敏感器光学系统结构示意图；其中附图1标记为：1-第一镜片，2-第二镜片，3-第三镜片，4-第四镜片，5-第五镜片，6-光阑，7-探测器保护窗口；图2为采用本技术不同视场弥散斑的能量分布图；图3为采用本技术的畸变分布曲线图；图4为本技术寿命前期和寿命后期透过率的分布曲线图。具体实施方式如图1所示：一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑6、五个镜片和一个探测器保护窗口7构成，第一至第五镜片依次排列，其中，第一镜片1、第三镜片3和第四镜片4均为正透镜，第二镜片2与第五镜片5为负透镜；光阑6设置在第一镜片1之前，探测器保护窗口7设置在第五镜片5之后，其中，第一镜片1和第三镜片3均为非球面正透镜，第二镜片2和第五镜片5为球面负透镜，第四镜片4为球面正透镜。图1给出了本技术的结构示意图，包括一个光阑6和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4和第五镜片5；光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，且光阑、第一镜片、第二镜片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星敏感器光学成像系统，其特征在于：该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器光学成像系统，其特征在于：该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。2.根据权利要求1所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述光阑固定在第一镜片上。3.根据权利要求2所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第一镜片与第三镜片的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式 z ( r ) = cr 2 1 + 1 - ( k + 1 ) c 2 r 2 ; ]]>其中，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为非球面圆锥系数。4.根据权利要求1至3任一所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第一镜片的光学特性为：1.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛要克，王虎，刘阳，王灵光，林上民，刘美莹，陈苏，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西;61