專利名稱：一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，可作為光學(xué)姿態(tài)敏感器的光學(xué)鏡頭，也可作為其它成像型光學(xué)敏感器的光學(xué)鏡頭。

背景技術(shù)：
在光學(xué)系統(tǒng)中有一類屬于敏感器鏡頭，如星敏感器鏡頭、交會(huì)對(duì)接測(cè)量敏感器鏡頭等。敏感器鏡頭成像結(jié)構(gòu)一般可以分為三類，一類是折射式的，一類是折射反射式的，還有一類是反射式的。這三類中折射式的應(yīng)用較多，另外兩類應(yīng)用較少。在折射式中一般常見的有采用高斯成像結(jié)構(gòu)和匹茨瓦成像結(jié)構(gòu)，高斯式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)于孔徑光闌對(duì)稱分布，軸外像差具有抵消作用，因此可以獲得較大的視場(chǎng)角，缺點(diǎn)是位于鏡頭兩端的鏡片口徑較大，重量增加，而且不利于太陽雜光抑制。匹茨瓦型鏡頭一般孔徑光闌位于鏡頭第一個(gè)面，整個(gè)鏡頭可以有較小的外形尺寸，也有利于消雜光，缺點(diǎn)是視場(chǎng)角相對(duì)較小。如楊皓明等在2007年2月光學(xué)精密工程上發(fā)表的“大孔徑大視場(chǎng)輕小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)”一文中，提出了一個(gè)焦距22.5mm，相對(duì)孔徑1/1.2，視場(chǎng)角25°的星敏感器鏡頭設(shè)計(jì)，采用的是雙高斯成像結(jié)構(gòu)。其孔徑光欄位于鏡頭中心部位，鏡頭結(jié)構(gòu)相對(duì)對(duì)稱，有利于校正視場(chǎng)像差，其缺點(diǎn)是鏡頭徑向尺寸較大。王虎等在2005年12月光子學(xué)報(bào)發(fā)表的文章“寬視場(chǎng)大相對(duì)孔徑星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中設(shè)計(jì)了一個(gè)焦距51mm，相對(duì)孔徑1/1.1，視場(chǎng)角30°的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，也是采用了一種雙高斯型式的成像結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點(diǎn)與上例相同，在視場(chǎng)角方面有了提高。吳峰等在2004年11月光子學(xué)報(bào)發(fā)表了一篇文章“輕小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)了一個(gè)焦距22.7mm，相對(duì)孔徑1/1.4，視場(chǎng)角24°的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，采用的成像結(jié)構(gòu)是第三透鏡前面作為孔徑光闌，前面兩片鏡片起到擴(kuò)大視場(chǎng)的作用，缺點(diǎn)是這兩片鏡片徑向尺寸較大。郝云彩的專利CN101209753A公開了一種星敏感器成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了匹茨瓦型光學(xué)成像結(jié)構(gòu)，實(shí)施了一個(gè)焦距49.7mm，相對(duì)孔徑1/1.2，視場(chǎng)角14°的光學(xué)鏡頭。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)尺寸小，具有大視場(chǎng)角，可兼顧星敏感器光學(xué)成像和具有高分辨率要求的光學(xué)敏感器成像。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，由孔徑光欄、石英窗口平板玻璃、正透鏡、彎月正透鏡、第一雙凹負(fù)透鏡、第一雙凸正透鏡、第二雙凸正透鏡、第三雙凸正透鏡、第四雙凸正透鏡、第二雙凹負(fù)透鏡、第五雙凸正透鏡和彎月負(fù)透鏡組成，其中正透鏡和彎月正透鏡組成彎月正透鏡組，第一雙凹負(fù)透鏡和第一雙凸正透鏡組成密接負(fù)正透鏡組，第二雙凸正透鏡和第三雙凸正透鏡組成分光焦度鏡組，第四雙凸正透鏡和第二雙凹負(fù)透鏡組成密接正負(fù)透鏡組，第五雙凸正透鏡和彎月負(fù)透鏡組成雙分離正負(fù)透鏡組，孔徑光欄位于石英窗口平板玻璃的第一個(gè)光學(xué)面，入射光通過孔徑光欄和石英窗口平板玻璃，依次經(jīng)過正透鏡、彎月正透鏡、第一雙凹負(fù)透鏡、第一雙凸正透鏡、第二雙凸正透鏡、第三雙凸正透鏡、第四雙凸正透鏡、第二雙凹負(fù)透鏡、第五雙凸正透鏡和彎月負(fù)透鏡，最后透過探測(cè)器窗口由光電探測(cè)器進(jìn)行接收處理； 所述石英窗口平板玻璃的厚度與通光口徑之比為1/5～1/8； 所述正透鏡與石英窗口平板玻璃的中心間隔為0.05mm～1mm； 所述彎月正透鏡與正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8，彎月正透鏡為向左的彎月正透鏡，其厚度與通光口徑比為1/5～1/8； 所述第一雙凹負(fù)透鏡為雙凹負(fù)透鏡，其與彎月正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10； 所述第一雙凸正透鏡為雙凸正透鏡，其與第一雙凹負(fù)透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8； 所述第二雙凸正透鏡為雙凸正透鏡，其與第一雙凸正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8； 所述第三雙凸正透鏡為雙凸正透鏡，其與第二雙凸正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8； 所述第四雙凸正透鏡為雙凸正透鏡，其與第三雙凸正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8； 所述第二雙凹負(fù)透鏡為雙凹負(fù)透鏡，其與第四雙凸正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10； 所述第五雙凸正透鏡為雙凸正透鏡，其與第二雙凹負(fù)透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8； 所述彎月負(fù)透鏡靠近探測(cè)器窗口玻璃的一面是凸球面，其與第五雙凸正透鏡的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10。
所述的彎月正透鏡、第四雙凸正透鏡采用冕類玻璃。
所述的正透鏡、第一雙凹負(fù)透鏡、第一雙凸正透鏡、第二雙凸正透鏡、第三雙凸正透鏡采用火石類玻璃。
所述的第二雙凹負(fù)透鏡、彎月負(fù)透鏡采用重火石類玻璃。
所述的第五雙凸正透鏡采用鑭火石類玻璃。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有的有益效果是本發(fā)明的光欄位于光學(xué)系統(tǒng)石英窗口平板玻璃的第一個(gè)面，有利于減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸，有利于消除雜光，光學(xué)系統(tǒng)利用四種普通光學(xué)材料即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大孔徑和消色差，使用多組密接型正負(fù)透鏡組校正像差，有效縮短光學(xué)系統(tǒng)尺寸，采用本發(fā)明的布局形式可以在保證全視場(chǎng)彌散斑比較均勻的同時(shí)具有較高的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))，因此可以兼顧星敏感器光學(xué)成像和具有高分辨率要求的光學(xué)敏感器成像。



圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的倍率色差曲線； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的MTF曲線。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述 本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)主要由11個(gè)透鏡組成，如圖1所示，由孔徑光欄、石英窗口平板玻璃1、正透鏡2、彎月正透鏡3、第一雙凹負(fù)透鏡4、第一雙凸正透鏡5、第二雙凸正透鏡6、第三雙凸正透鏡7、第四雙凸正透鏡8、第二雙凹負(fù)透鏡9、第五雙凸正透鏡10和彎月負(fù)透鏡11組成，其中正透鏡2和彎月正透鏡3組成彎月正透鏡組，第一雙凹負(fù)透鏡4和第一雙凸正透鏡5組成密接負(fù)正透鏡組，第二雙凸正透鏡6和第三雙凸正透鏡7組成分光焦度鏡組，第四雙凸正透鏡8和第二雙凹負(fù)透鏡9組成密接正負(fù)透鏡組，第五雙凸正透鏡10和彎月負(fù)透鏡11組成雙分離正負(fù)透鏡組，孔徑光欄位于石英窗口平板玻璃1的第一個(gè)光學(xué)面，入射光通過孔徑光欄和石英窗口平板玻璃1，依次經(jīng)過正透鏡2、彎月正透鏡3、第一雙凹負(fù)透鏡4、第一雙凸正透鏡5、第二雙凸正透鏡6、第三雙凸正透鏡7、第四雙凸正透鏡8、第二雙凹負(fù)透鏡9、第五雙凸正透鏡10和彎月負(fù)透鏡11，最后透過探測(cè)器窗口12由光電探測(cè)器進(jìn)行接收處理；這種結(jié)構(gòu)可以獲得大視場(chǎng)和大孔徑。
石英窗口平板玻璃1的厚度與通光口徑之比為1/5～1/8，其厚度的最小尺寸不能小于加工工藝所能容許的最小值。正透鏡2與石英窗口平板玻璃1的中心間隔為0.05mm～1mm；材料為火石類玻璃；彎月正透鏡3與正透鏡2的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8，彎月正透鏡3為向左的彎月正透鏡，其厚度與通光口徑比為1/5～1/8；材料為冕類玻璃；第一雙凹負(fù)透鏡4為雙凹負(fù)透鏡，其與彎月正透鏡3的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10；材料為火石類玻璃；第一雙凸正透鏡5為雙凸正透鏡，其與第一雙凹負(fù)透鏡4的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；材料為火石類玻璃；第二雙凸正透鏡6為雙凸正透鏡，其與第一雙凸正透鏡5的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；材料為火石類玻璃；第三雙凸正透鏡7為雙凸正透鏡，其與第二雙凸正透鏡6的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；材料為火石類玻璃；第四雙凸正透鏡8為雙凸正透鏡，其與第三雙凸正透鏡7的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；材料為冕類玻璃；第二雙凹負(fù)透鏡9為雙凹負(fù)透鏡，其與第四雙凸正透鏡8的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10；材料為重火石類玻璃；第五雙凸正透鏡10為雙凸正透鏡，其與第二雙凹負(fù)透鏡9的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；材料為鑭火石類玻璃；彎月負(fù)透鏡11靠近探測(cè)器窗口玻璃12的一面是凸球面，其與第五雙凸正透鏡10的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10，材料為重火石類玻璃。探測(cè)器保護(hù)窗口12一般是探測(cè)器件自帶的窗口，厚度1mm左右，材料一般為光學(xué)玻璃。
以上所有透鏡本身的中心厚度均符合光學(xué)加工工藝所要求的最小厚度要求，11片透鏡除了石英玻璃窗口外采用了4種光學(xué)玻璃完成設(shè)計(jì)，包括QK3、ZF6、LaF3、ZK9，種類少，便于加工制造和批量生產(chǎn)。
實(shí)施例按照上述的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照上述設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)的焦距為29mm，相對(duì)孔徑1/1.2，光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角46°，光譜段500nm-800nm，物距無限遠(yuǎn)，光欄在石英窗口平板玻璃第一個(gè)面，設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)參數(shù)為 面序號(hào) 球面半徑(mm) 中心間隔 石英窗口平板玻璃1 1 INFINITY 3.000000 2 INFINITY 0.740000 正透鏡2 3 -121.400004.550000 4 -45.08500 5.620000 彎月正透鏡3 5 -20.70000 5.400000 6 -18.40300 1.380000 第一雙凹負(fù)透鏡4 7 -18.00000 4.790000 8 132.62000 0.100000 第一雙凸正透鏡5 9 134.3700010.010000 10-39.760000.100000 第二雙凸正透鏡6 11-394.10000 7.070000 12-56.524900.100000 第三雙凸正透鏡7 1344.68100 9.970000 14-216.73000 0.100000 第四雙凸正透鏡8 1530.55000 9.520000 16-159.25300 0.310000 第二雙凹負(fù)透鏡9 17-121.34000 4.200000 1815.77600 2.870000 第五雙凸正透鏡10 1942.65600 5.660000 20-52.000000.750000 彎月負(fù)透鏡11 21-33.100002.600000 22-105.68000 8.000000 圖2中左邊的線代表800nm-500nm之間的倍率色差隨視場(chǎng)角變化曲線，可以看出全視場(chǎng)范圍內(nèi)最大的倍率色差在8μm以內(nèi)，右面的曲線代表650nm-500nm之間的倍率色差隨視場(chǎng)角變化曲線，可以看出全視場(chǎng)范圍內(nèi)最大的倍率色差在25μm以內(nèi)，由此可知，采用普通的光學(xué)材料在大孔徑、大視場(chǎng)的條件下實(shí)現(xiàn)了較好的消色差效果。
圖3中的曲線分別代表各個(gè)相對(duì)視場(chǎng)包括(0，0.2，0.4，0.8，1.0)、各個(gè)譜段(500nm，600nm，650nm，700nm，800nm)加權(quán)平均的子午和弧矢方向MTF隨空間頻率變化的結(jié)果，由圖中的曲線可以看出，在空間頻率42Lp/mm下，全視場(chǎng)最低的MTF達(dá)到0.3以上，說明在46°視場(chǎng)角和F數(shù)1.2條件下，在較高的頻率空間下實(shí)現(xiàn)了全視場(chǎng)較高的MTF水平。
本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于由孔徑光欄、石英窗口平板玻璃(1)、正透鏡(2)、彎月正透鏡(3)、第一雙凹負(fù)透鏡(4)、第一雙凸正透鏡(5)、第二雙凸正透鏡(6)、第三雙凸正透鏡(7)、第四雙凸正透鏡(8)、第二雙凹負(fù)透鏡(9)、第五雙凸正透鏡(10)和彎月負(fù)透鏡(11)組成，其中正透鏡(2)和彎月正透鏡(3)組成彎月正透鏡組，第一雙凹負(fù)透鏡(4)和第一雙凸正透鏡(5)組成密接負(fù)正透鏡組，第二雙凸正透鏡(6)和第三雙凸正透鏡(7)組成分光焦度鏡組，第四雙凸正透鏡(8)和第二雙凹負(fù)透鏡(9)組成密接正負(fù)透鏡組，第五雙凸正透鏡(10)和彎月負(fù)透鏡(11)組成雙分離正負(fù)透鏡組，孔徑光欄位于石英窗口平板玻璃(1)的第一個(gè)光學(xué)面，入射光通過孔徑光欄和石英窗口平板玻璃(1)，依次經(jīng)過正透鏡(2)、彎月正透鏡(3)、第一雙凹負(fù)透鏡(4)、第一雙凸正透鏡(5)、第二雙凸正透鏡(6)、第三雙凸正透鏡(7)、第四雙凸正透鏡(8)、第二雙凹負(fù)透鏡(9)、第五雙凸正透鏡(10)和彎月負(fù)透鏡(11)，最后透過探測(cè)器窗口(12)由光電探測(cè)器進(jìn)行接收處理；
所述石英窗口平板玻璃(1)的厚度與通光口徑之比為1/5～1/8；
所述正透鏡(2)與石英窗口平板玻璃(1)的中心間隔為0.05mm～1mm；
所述彎月正透鏡(3)與正透鏡(2)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8，彎月正透鏡(3)為向左的彎月正透鏡，其厚度與通光口徑比為1/5～1/8；
所述第一雙凹負(fù)透鏡(4)為雙凹負(fù)透鏡，其與彎月正透鏡(3)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10；
所述第一雙凸正透鏡(5)為雙凸正透鏡，其與第一雙凹負(fù)透鏡(4)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；
所述第二雙凸正透鏡(6)為雙凸正透鏡，其與第一雙凸正透鏡(5)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；
所述第三雙凸正透鏡(7)為雙凸正透鏡，其與第二雙凸正透鏡(6)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；
所述第四雙凸正透鏡(8)為雙凸正透鏡，其與第三雙凸正透鏡(7)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；
所述第二雙凹負(fù)透鏡(9)為雙凹負(fù)透鏡，其與第四雙凸正透鏡(8)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10；
所述第五雙凸正透鏡(10)為雙凸正透鏡，其與第二雙凹負(fù)透鏡(9)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/8；
所述彎月負(fù)透鏡(11)靠近探測(cè)器窗口玻璃(12)的一面是凸球面，其與第五雙凸正透鏡(10)的中心間隔與光學(xué)系統(tǒng)焦距的比為1/3～1/10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的彎月正透鏡(3)、第四雙凸正透鏡(8)采用冕類玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的正透鏡(2)、第一雙凹負(fù)透鏡(4)、第一雙凸正透鏡(5)、第二雙凸正透鏡(6)、第三雙凸正透鏡(7)采用火石類玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的第二雙凹負(fù)透鏡(9)、彎月負(fù)透鏡(11)采用重火石類玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的第五雙凸正透鏡(10)采用鑭火石類玻璃。
全文摘要
一種姿態(tài)敏感器光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明的光欄位于光學(xué)系統(tǒng)石英窗口平板玻璃的第一個(gè)面，有利于減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸，有利于消除雜光，光學(xué)系統(tǒng)利用四種普通光學(xué)材料即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大孔徑和消色差，使用多組密接型正負(fù)透鏡組校正像差，有效縮短光學(xué)系統(tǒng)尺寸，采用本發(fā)明的布局形式可以在保證全視場(chǎng)彌散斑比較均勻的同時(shí)具有較高的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))，因此可以兼顧星敏感器光學(xué)成像和具有高分辨率要求的光學(xué)敏感器成像。
文檔編號(hào)G01C21/02GK101762871SQ20091024328
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者郝云彩 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所