專利名稱：一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學設計領域，涉及一種利用恒星作為參照系進行導航定位的星敏感器光學系統，尤其涉及一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統。
背景技術：
星敏感器是一種以恒星為參照系，以星空為工作對象的高精度的空間姿態(tài)測量裝置，是迄今為止最精密且漂移最小的姿態(tài)測量部件，經常為衛(wèi)星、洲際戰(zhàn)略導彈，宇宙飛船等航空航天飛行器提供準確的空間方位和基準，并且與慣性陀螺一樣都具有自主導航的能力，具有極為重要的應用價值。近些年來，隨著空間技術的發(fā)展，空間任務更強調規(guī)?；⑿⌒突c廉價，未來的星敏感器將向著微型化的方向發(fā)展，這無疑對星敏感器在系統體積、重量、功耗及成本上提出了更高的要求，而星敏感器的性能在很大程度上取決于成像系統中星光探測的性能。作為星敏感器重要組成部分的光學系統是決定總系統成像性能好壞的關鍵，其設計的難點就在于保證恒星像質的特殊要求。目前，國內星敏感器光學系統缺點是所采用的光學系統一般相對孔徑較小，光譜范圍窄，造成探測星等等級低，探測能力弱，不利于系統姿態(tài)測量的提高。另外，現在的星敏感器在體積、重量、功耗及成本與飛行器平臺對光學有效載荷輕量化，小型化的目標要求不符，現有的星敏感相機結構復雜、龐大。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好像質的寬光譜、大孔徑的星敏感器光學系統，可為星敏感器實現對高極限星等恒星的探測、足夠高的恒星捕獲概率和探信噪比打下堅實的基礎，同時滿足體積小、重量輕的優(yōu)點，滿足飛行器對有效載荷輕量化的需求。

發(fā)明內容
針對以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單小巧輕便的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統。一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，含有6塊透鏡，其特征在于:系統采用遠攝型系統；六塊透鏡的材料分別CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透鏡軸心在一直線上依次排開，分別為第一正透鏡1，第一負透鏡2，第二正透鏡3，第三正透鏡4，第二負透鏡5，第四正透鏡6 ;第一正透鏡I和第一負透鏡2為正負透鏡膠合件；光闌設在第一正透鏡I上。在本發(fā)明中，上述第一正透鏡I的材料為晶體CaF2，上述第一負透鏡2的材料為特火石玻璃TF5，上述第二正透鏡3的材料為晶體CaF2，上述第三正透鏡4的材料為晶體CaF2，上述第二負透鏡5的材料為鑭火石玻璃LaF2，上述第四正透鏡6的材料為重火石玻璃ZF6。本發(fā)明采用攝遠系統，實現筒長小于焦距，具有體積小重量輕的優(yōu)點。本發(fā)明系統的相對孔徑為1: 2，實現增大相對孔徑，提高通光能量。由于星敏感器光學系統對于成像質量的特殊要求，而且光譜范圍較寬，所以首要解決的問題是復消色差難點。由于正透鏡產生負色差、負透鏡產生正色差，所以，本發(fā)明通過正負透鏡以適當的曲率膠合和組合，實現校正色差。同時本發(fā)明中為實現校正二級光譜、實現復消色差，采用特殊光學材料，選用低折射率、低色散材料的螢石(CaF2，晶體)。除此之外，利用鑭冕玻璃比同等系列冕牌玻璃具有更小的色散，而重火石玻璃相對于火石玻璃有更大的色散的特點，即色散的較大差異對校正色差極為有利，所以本發(fā)明采取鑭冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF)匹配來校正色差。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好像質的寬光譜、大孔徑的星敏感器光學系統，可為星敏感器實現對高極限星等恒星的探測、足夠高的恒星捕獲概率和探信噪比打下堅實的基礎，同時滿足體積小、重量輕的優(yōu)點，滿足飛行器對有效載荷輕量化的需求。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的傳遞函數圖，圖3是本發(fā)明實施例的彌散斑能量分布圖，圖4是本發(fā)明實施例的色差曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例進行詳述:一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，含有6塊透鏡，其特征在于系統采用遠攝型系統；六塊透鏡的材料分別CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透鏡軸心在一直線上依次排開，分別為第一正透鏡1，第一負透鏡2，第二正透鏡3，第三正透鏡4，第二負透鏡5，第四正透鏡6 ;第一正透鏡I和第一負透鏡2為正負透鏡膠合件；光闌設在第一正透鏡I上。在本發(fā)明中，上述第一正透鏡I的材料為晶體CaF2，上述第一負透鏡2的材料為特火石玻璃TF5，上述第二正透鏡3的材料為晶體CaF2，上述第三正透鏡4的材料為晶體CaF2，上述第二負透鏡5的材料為鑭火石玻璃LaK2，上述第四正透鏡6的材料為重火石玻璃ZF6。本發(fā)明采用攝遠系統，實現筒長小于焦距，就有體積小重量輕的優(yōu)點。本發(fā)明系統的相對孔徑為1: 2，實現增大相對孔徑，提高通光能量。由于星敏感器光學系統對于成像質量的特殊要求，在光學系統的結構設計中對于各級像差的校正很重要。因為光譜范圍較寬，所以首要解決的問題是復消色差難點。由于正透鏡產生負色差、負透鏡產生正色差，所以，本發(fā)明通過正負透鏡以適當的曲率膠合和組合，實現校正色差。為實現系統的復消色差，選用低折射率、低色散材料——螢石(CaF2，晶體)作膠合透鏡組中的正透鏡，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做負透鏡。用CaF2和TF5構成前組的膠合組，考慮到光焦度的分配，可在單透鏡后再放置一個相同型號的正透鏡，材料仍可選用CaF2。負透鏡組擬米用正負分離的方式。另外可米取冕牌玻璃和火石玻璃配合使用，可用CaF2或鑭冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF6)匹配。這里主要是利用鑭冕玻璃比同等系列冕牌玻璃具有更小的色散，而重火石玻璃相對于火石玻璃有更大的色散，色散的較大差異對校正色差極為有利。對于質量要求特別高的光學儀器或長焦距、寬譜段以及一些高分辨率的成像光學系統來說，二級光譜的校正是設計中必須要解決的重要問題。它會使成像的對比度降低，出現色交叉現象，不僅造成分辨率下降，還會降低色飽和度和色亮度。這不能滿足星敏感器中光學元件的成像質量要求，因此必須考慮二級光譜的校正問題。為校正二級光譜、實現復消色差的最有效方法是采用特殊光學材料，選用低折射率、低色散材料的螢石(CaF2，晶體)。本發(fā)明為實現系統的復消色差，選用低折射率、低色散材料——螢石(CaF2，晶體)作膠合透鏡組中的正透鏡，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做負透鏡。用CaF2和TF5構成前組的膠合組，考慮到光焦度的分配，可在單透鏡后再放置一個相同型號的正透鏡，材料仍可選用CaF2。負透鏡組擬采用正負分離的方式。通常要求彌散斑85%以上的能量落在2X2或3X3個像元的大小范圍內?？紤]離焦后暗星信噪比會明顯下降，為保證星像能量均勻性及內插求中心的精度滿足要求，課題要求彌散圓直徑30 μ m,故選擇3 X 3個像元滿足要求。顯然，圖中寬光譜大孔徑星敏感器光學系統由6片光學透鏡構成，其中的兩片透鏡膠合成一片膠合透鏡。系統采用遠攝系統。為了校正色差采用正負透鏡膠合，膠合透鏡組中的正透鏡，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做負透鏡，用CaF2和TF5構成前組的膠合組，同時為了校正二級光譜，選用低折射率、低色散材料的CaF2晶體。利用以上的合理配置組合，解決了寬光譜、大孔徑的星敏感器光學系統像差校正難點，可為星敏感器實現對高極限星等恒星的探測、足夠高的恒星捕獲概率和探信噪比打下堅實的基礎，同時滿足體積小、重量輕的優(yōu)點，滿足飛行器對有效載荷輕量化的需求。其總長108.4mm,后截距28.4mm,通光口徑為62。圖中的鏡頭，其焦距128mm，光學視場3.6°，在30線對時，M TF彡0.8，波段500nm IOOOnm, F 數 2。通過圖2、圖3和圖4可以看出，實施例的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統在60線對下，MTF > 0.8，滿足高分辨率要求；能量集中度很好，基本上80%的能量都集中在IOum以內，色差為3.5um。`
權利要求
1.一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，其特征在于:含有6塊透鏡，六塊透鏡的材料分別CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透鏡軸心在一直線上依次排開，分別為第一正透鏡I，第一負透鏡2，第二正透鏡3，第三正透鏡4，第二負透鏡5，第四正透鏡6 ;第一正透鏡I和第一負透鏡2為正負透鏡膠合件；光闌設在第一正透鏡I上。
2.根據權利I要求所述的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，其特征在于:系統采用遠攝型系統。
3.根據權利I要求所述的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，其特征在于:通過正負透鏡以適當的曲率膠合和組合，實現校正色差。采取鑭冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF)匹配來校正色差，采用材料CaF2來校正二級光譜。
4.根據權利I要求所述的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，其特征在于:本發(fā)明系統的相對孔徑為1:2。
5.根據權利要求2所述的寬光譜大孔徑星敏感器光學系統，其特征在于:焦距128_，光學視場為3.6°，在30 線對時，MTF≥0.8，波段500nm 1000nm，F數達到2，基本上80%的能量都集中在IOum以內，色差為3.5um。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用恒星作為參照系進行導航定位的星敏感器光學系統，尤其涉及一種寬光譜大孔徑星敏感器光學系統；光學系統采用遠攝型系統，含有6塊透鏡，透鏡軸心在一直線上依次排開，光闌設在第一正透鏡1上；通過選取具有色散相差較大的正負透鏡以適當的曲率膠合和組合，實現校正色差。同時采用特殊光學材料，選用低折射率、低色散材料的CaF2晶體實現校正二級光譜、實現復消色差；本發(fā)明提供的一種具有良好像質的寬光譜、大孔徑的星敏感器光學系統，可為星敏感器實現對高極限星等恒星的探測、足夠高的恒星捕獲概率和探信噪比打下堅實的基礎，同時滿足體積小、重量輕的優(yōu)點，滿足飛行器對有效載荷輕量化的需求。
文檔編號G02B13/00GK103149666SQ20121035893
公開日2013年6月12日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權日2012年9月12日
發(fā)明者錢義先, 洪雪婷, 邵杰 申請人:浙江師范大學