專利名稱：短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種物鏡系統(tǒng)，特別涉及短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在軌飛行的兩個飛行器實現(xiàn)在軌對接，需要采用特殊的對接機構(gòu)?，F(xiàn)有的光電設(shè)備中，對目標(biāo)飛行器位置姿態(tài)測量通常采用星敏感器對恒星成像，由所成恒星像通過查找星歷表進而確定目標(biāo)飛行器的姿態(tài)位置。但星敏感器是對無窮遠恒星成像，對無窮遠恒星成像焦面位于CCD表面，但跟蹤飛行器在與目標(biāo)飛行器不斷靠近過程中，同一視場目標(biāo)飛行器上的標(biāo)志燈成像在跟蹤飛行器上的星敏感器CXD上將產(chǎn)生較大的像移，無法準(zhǔn)確計算標(biāo)志燈質(zhì)心位置，尤其軸外視場標(biāo)志燈質(zhì)心位置將隨兩飛行器相對距離的變化而發(fā)生大幅度變化，造成計算電路計算姿態(tài)位置測量的錯誤，進而無法實現(xiàn)在有限距離、跟蹤飛行器與目標(biāo)飛行器在軌對接時對目標(biāo)飛行器實時姿態(tài)位置測量的要求。短波紅外光源指780nm 3000nm范圍內(nèi)的電磁波。采用短波紅光源外作為標(biāo)志燈發(fā)出的信號光可以避開太陽強輻照譜段光對空間跟蹤捕捉物鏡成像影響。如果從目標(biāo)飛行器上若干個標(biāo)志燈發(fā)出或反射的信號光在跟蹤飛行器上的跟蹤捕捉物鏡成像，所得標(biāo)志燈質(zhì)心像通過鑲嵌在跟蹤飛行器內(nèi)部的計算電路與存儲的姿態(tài)信息進行計算比對，即可實現(xiàn)在一定物距范圍內(nèi)對目標(biāo)飛行器進行實時高精度姿態(tài)測量。這種方法需要飛行器姿態(tài)位置測量物鏡對目標(biāo)飛行器上標(biāo)志燈成像，且要求同一視場的標(biāo)志燈在一定物距范圍內(nèi)成像位置不變，即要求此物鏡具有一定的像方遠心特性，同時工作波長適合工作在太空環(huán)境中?，F(xiàn)有技術(shù)中的像方遠心物鏡達不到飛行器姿態(tài)位置測量物鏡的要求，例如:申請?zhí)枮?01210095425.6的中國專利揭露了一種高投射比投影物鏡，該高投射比投影物鏡具有正光焦度的第一鏡組、具有正光焦度的第二鏡組、光闌及顯示芯片，具有像方遠心的性質(zhì)。該物鏡光學(xué)總長123.61mm，具有兩個非球面。此鏡頭含有11片透鏡，兩個非球面，無法滿足結(jié)構(gòu)緊湊輕量化、透鏡元件加工檢測難度低的目的，同時該物鏡適用于可見光波段，無法在近紅外波段良好成像。申請?zhí)枮?00910206333.9的中國專利揭露了一種定焦鏡頭，該定焦鏡頭包括三個透鏡群，具有正光焦度的第一透鏡群、具有正光焦度的第二透鏡群、具有正光焦度的第三透鏡群，共7片透鏡，有較小的像方視場角。該鏡頭具有8個非球面，存在一定的加工檢測難度，同時該定焦鏡頭適用于可見光波段，無法在近紅外波段良好成像。申請?zhí)枮?00910020932.1的中國專利揭露了一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)由5片反射鏡構(gòu)成，具有像方遠心、高分辨觀測、不受使用波長嚴(yán)格限制的光學(xué)性質(zhì)。但系統(tǒng)中含有一片拋物反射面、一片雙曲面反射面、一片高次非球面、一片凹橢球面，對于加工檢測存在較大難度，同時該光學(xué)系統(tǒng)口徑較大導(dǎo)致體積過大，較小的視場導(dǎo)致在物距不大時觀測視場范圍過小。
上述專利中的成像設(shè)備在有限物距發(fā)生變化時，某一視場的入射光在像面成像能量質(zhì)心位置將發(fā)生變化，同時復(fù)雜的結(jié)構(gòu)將占用較大的空間體積，空間適應(yīng)性未知，其自身重量帶來的發(fā)射成本也將會相應(yīng)增加。因此發(fā)明一種大視場、，體積小巧、占用空間少、有限物距變化下全視場成像質(zhì)心位置穩(wěn)定、適應(yīng)太空溫度變化大的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)是亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案在于，短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng):自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片、前鏡組、后鏡組和CCD ;前鏡組從左至右依次為第一彎月透鏡、第二彎月透鏡，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向CXD ;后鏡組從左至右依次為第三彎月透鏡、雙凸透鏡，第三彎月透鏡彎向前鏡組；前鏡組和后鏡組中的透鏡均為球面鏡；信號光經(jīng)過平板濾波片、前鏡組和后鏡組后成像在CXD上。本發(fā)明的優(yōu)點在于:1、該物鏡系統(tǒng)可以克服用CXD對不同距離目標(biāo)飛行器跟蹤捕捉存在的成像缺陷，該物鏡系統(tǒng)具有大視場、大相對孔徑、0.5 130m物距范圍內(nèi)各視場信號光在像面位置穩(wěn)定，常溫下(20°C)各視場絕對畸變小于lym，-70°C +70°C、0.5 130m物距范圍內(nèi)各視場信號光絕對畸變小于±1.5 ii m,彌散圓幾何形狀中心對稱、能量集中度好；2、光學(xué)兀件徑向尺寸小，最大通光直徑小于16.3mm ;結(jié)構(gòu)緊湊，光學(xué)總長小于40mm ;重量輕，光學(xué)總重量小于9.73g，空間占有體積小，節(jié)約發(fā)射成本、節(jié)省安裝空間；3、系統(tǒng)主要采用5片透鏡(I片平板濾波片，3片彎月透鏡，I片雙凸透鏡)，沒有采用非球面光學(xué)表面，沒有采用衍射元件，制造、檢測難度大大降低；4、全系統(tǒng)無膠合面，沒有采用特種光學(xué)玻璃，環(huán)境溫度變化較大情況下絕對畸變變化量較小，彌散圓能量集中度較好、定焦距的設(shè)計使其空間工作可靠性高；5、全視場內(nèi)無漸暈，各視場信號光在像面成像照度均勻性好。


圖1為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下0.5m物距畸變圖。圖3為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下Im物距畸變圖。圖4為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下130m物距畸變圖。圖5為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下0.5m物距彌散圓幾何分布圖。圖6為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下Im物距彌散圓幾何分布圖。圖7為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下130m物距彌散圓幾何分布圖。圖8為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下0.5m物距彌散圓能量分布圖。圖9為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下Im物距彌散圓能量分布圖。圖10為短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長下130m物距彌散圓能量分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的做進一步詳細說明。如圖1所示，一種短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片1、前鏡組2、后鏡組3和(XD4 ;前鏡組2從左至右依次為第一彎月透鏡2-1、第二彎月透鏡2-2，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向(XD4 ;后鏡組3從左至右依次為第三彎月透鏡3-1、雙凸透鏡3-2，第三彎月透鏡彎向前鏡組2 ;前鏡組2和后鏡組3中的透鏡均為球面鏡；光經(jīng)過平板濾波片1、前鏡組2和后鏡組3后成像在(XD4上。以上透鏡的光學(xué)參數(shù)如下:表I
權(quán)利要求
1.短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征是，自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片(I)、前鏡組(2)、后鏡組(3)和CXD (4);前鏡組(2)從左至右依次為第一彎月透鏡(2-1)、第二彎月透鏡(2-2)，第一彎月透鏡(2-1)及第二彎月透鏡(2-2)都彎向CXD (4);后鏡組(3)從左至右依次為第三彎月透鏡(3-1)、雙凸透鏡(3-2)，第三彎月透鏡彎向前鏡組(2);前鏡組(2)和后鏡組(3)中的透鏡均為球面鏡；光經(jīng)過平板濾波片(I)、前鏡組(2)和后鏡組(3)后成像在CXD (4)上；以上透鏡的光學(xué)參數(shù)如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，平板濾波片(I)左邊同軸設(shè)置平板玻璃，作為該物鏡系統(tǒng)的保護玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，平板濾波片(1-2)前后表面鍍制減反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，第一彎月透鏡(2-1)為正光焦度，第二彎月透鏡(2-2)為負光焦度，第三彎月透鏡(3-1)為正光焦度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，CXD (4)左邊同軸設(shè)置平板玻璃，作為CXD (4)的保護玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，該物鏡系統(tǒng)適用波段0.79 0.88 iim，全視場2 彡32°，焦距f' =20mm，相對孔徑:D/f' =1/2.85，分辨率在全視場、0.5m 130m、全波段絕對畸變小于1.5iim，色偏差(0.5iim，工作 溫度:-70°C +70°C。
全文摘要
短波紅外大視場輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，屬于光學(xué)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)自左至右同軸設(shè)置平板濾波片、前鏡組、后鏡組和CCD；前鏡組從左至右依次為第一彎月透鏡、第二彎月透鏡，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向CCD；后鏡組從左至右依次為第三彎月透鏡、雙凸透鏡，第三彎月透鏡彎向前鏡組；前鏡組和后鏡組中的透鏡均為球面鏡；信號光經(jīng)過平板濾波片、前鏡組和后鏡組后成像在CCD上，該系統(tǒng)適用波段0.79～0.88μm，全視場2ω≥32°，焦距f′=20mm，相對孔徑D/f′=1/2.85，分辨率在全視場、0.5m～130m、全波段絕對畸變小于1.5μm，色偏差≤0.5μm，工作溫度-70℃～+70℃。
文檔編號G01C21/24GK103207444SQ20131009489
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者劉偉奇, 呂博, 張大亮, 姜珊, 康玉思 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所