一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统的制作方法

本实用新型涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统。

背景技术：

在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，测量精度可以达到亚秒级甚至更高。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出，因而在高精度自主导航领域获得了广泛应用。

星敏感器光学系统作为星敏感器的核心装置，是星敏感器实现高信噪比恒星光谱能量收集、高精度恒星质心位置探测的关键部件。星敏感器光学系统所探测对象是能量弱、光谱分布宽的恒星，属于点目标探测。为了实现亚像元细分，提高恒星位置测量精度，需要将星光能量弥散到2×2像元～5×5像元，以供后续电子学进行细分处理，达到亚像元的质心测量精度。

星敏感器光学系统的主要参数包括焦距、视场、相对孔径、成像光谱以及单星测量精度等。星敏感器光学系统的焦距与单星测量精度成反比，焦距越长，测量精度越高。当前主流星敏感器光学系统的焦距一般不超过50mm，多数集中在20mm～30mm范围，探测视场比较大，探测光谱范围一般不超过300nm，单星测量精度不高，恒星探测能力比较有限。为追求更高的恒星探测精度，采用长焦距光学系统是有效的手段。随着高分辨率对地立体测绘相机、空间天文观测望远镜以及空间导引武器系统等领域技术的发展，对亚秒级甚至更高精度的星敏感器提出了需求，满足应用系统的高精度对地定位、长时间稳像观测或者长航时飞行姿态的自主导航等关键性能。核心技术是采用长焦距星敏感器光学系统提高单像元分辨率，进而采用细分算法进一步提高质心分辨率精度。

然而，当星敏感器光学系统的焦距接近或达到米级时，纯透射光学系统不仅系统尺寸长，且难以校正宽光谱下的二级光谱像差，无法实现宽光谱的恒星光信号收集，无论从体量还是性能上都不能满足空间平台的应用需求；采用反射式光学系统虽然可以实现光路折叠，获得紧凑的光学系统布局设计，但在校正像差方面需要采用非球面，制造及装调难度高，不利于降低成本。

技术实现要素：

本实用新型提供一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统，光路折叠，在保证测量精度的前提下大幅度降低光学系统的尺寸。

本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为双凸正光焦度透镜，所述第二透镜为平凹负光焦度透镜，所述第三透镜为双凹负光焦度透镜，所述第四透镜为双凸正光焦度透镜；

所述反射镜组包括自前向后依次设置的次反射镜和主反射镜，所述次反射镜为凸面反射镜，所述主反射镜为凹面反射镜，所述主反射镜中部设有通孔，所述次反射镜和主反射镜的反射面相对，所述主反射镜的反射面上设有孔径光阑，所述次反射镜和主反射镜均为球面型；

入射光依次通过第一透镜和第二透镜后射向所述主反射镜，光束经过所述主反射镜反射到达所述次反射镜，所述次反射镜将光束反射形成反射光，反射光透过所述主反射镜的通孔后依次通过第三透镜和第四透镜。

在工作时，恒星光信号首先通过由第一透镜和第二透镜组成的双分离透镜，光线传播方向基本不变；然后通过球面主反射镜及球面次反射镜进行光信号的聚集，反射镜组承担了光学系统的主要光焦度。由于反射镜均为球面面型，产生大量的球差、彗差等像差，这些像差主要通过前透镜组进行校正。当前透镜组光焦度接近于零时，即使采用同种玻璃材料，产生的轴向色差及垂轴色差均很小，反射镜不产生色差，从而实现超宽谱段的光谱设计。后透镜组的第三透镜和第四透镜组成双分离透镜，校正了残余的球差、彗差及色差。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用基于全球面光学元件的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，避免了采用纯透射式光学系统在长焦距设计情况下难以校正宽光谱色差特别是二级光谱的难题，解决轻小型与高精度的设计矛盾。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的主光线与光轴的夹角不超过0.1°，实现像方远心光路设计，有利于减少空间复杂力学振动、温度变化环境下星敏感器光学系统的测量误差。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的光焦度为所述第二透镜的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中和满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述反射镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则和满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述后透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为则和满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的总长为l，所述l为第一透镜的前表面到像面的距离，所述光学系统的总焦距为f，则l和f满足：

l/f≤0.265。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的前表面的曲率半径为645.8mm，后表面的曲率半径为-529.5mm，中心厚度为10mm，透镜通光口径为所述第二透镜的前表面的曲率半径为-298.3mm，后表面为平面，中心厚度为6mm，透镜通光口径为所述次反射镜的曲率半径为-166.8mm；所述主反射镜的曲率半径为-364.8mm；所述第三透镜的前表面的曲率半径为-102.5mm，后表面的曲率半径为35.6mm，中心厚度为2.5mm；所述第四透镜的前表面的曲率半径为36.8mm，后表面的曲率半径为-102.58mm，中心厚度为14mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜和第二透镜的材质均为冕牌玻璃，所述第三透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第四透镜的材质为火石玻璃。

本实用新型光学系统设计紧凑，长焦距下的光路高度折叠，获得超宽谱段的光谱探测，实现光学系统的轻小型和接近于衍射极限的像质，提高了恒星位置测量精度以及星光能量的收集效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是实施例中光学系统的结构示意图；

图2是实施例中光学系统在光学传递函数曲线；

图3是实施例中光学系统的能量集中度曲线；

图4是实施例中光学系统的畸变设计曲线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面400，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜101和第二透镜102，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜301和第四透镜302；所述第一透镜101为双凸正光焦度透镜，所述第二透镜102为平凹负光焦度透镜，所述第三透镜301为双凹负光焦度透镜，所述第四透镜302为双凸正光焦度透镜；

所述反射镜组包括自前向后依次设置的次反射镜201和主反射镜202，所述次反射镜201为凸面反射镜，所述主反射镜202为凹面反射镜，所述主反射镜202中部设有通孔204，所述次反射镜201和主反射镜202的反射面相对，所述主反射镜202的反射面上设有孔径光阑203；

入射光依次通过第一透镜101和第二透镜102后射向所述主反射镜202，光束经过所述主反射镜202反射到达所述次反射镜201，所述次反射镜201将光束反射形成反射光，反射光透过所述主反射镜202的通孔204后依次通过第三透镜301和第四透镜302。

所述入射光的入射方向为自前向后。

所述次反射镜201和主反射镜202均为球面型，有利于降低加工和检测的难度及成本。

所述第一透镜101、第二透镜102、第三透镜301和第四透镜302均为球面透镜。所述第一透镜101和第二透镜102组成双分离透镜，所述第三透镜301和第二透镜102组成双分离透镜。

本光学系统采用基于全球面光学元件的折反射式光学系统结构型式，避免了采用纯透射式光学系统在长焦距设计情况下难以校正宽光谱色差特别是二级光谱的难题，能够获得光学系统长度远小于焦距的设计结果，使得长焦距光学系统应用于对重要与尺寸有着严苛要求的空间飞行平台成为可能。

为了降低光学系统的加工与制造成本，获得高性价比的设计方案，本实施例的反射镜及透镜均采用了球面面型，采用常规加工工艺就可以实现所有光学元件的制造与检测。

在工作时，恒星光信号首先通过由第一透镜101和第二透镜102组成的双分离透镜，光线传播方向基本不变；然后通过球面主反射镜202及球面次反射镜进行光信号的聚集，反射镜组承担了光学系统的主要光焦度。由于反射镜均为球面面型，产生大量的球差、彗差等像差，这些像差主要通过前透镜组进行校正。当前透镜组光焦度接近于零时，即使采用同种玻璃材料，产生的轴向色差及垂轴色差均很小，反射镜不产生色差，从而实现超宽谱段的光谱设计。后透镜组的第三透镜301和第四透镜302组成双分离透镜，既校正了残余的球差、彗差及色差，又实现了像方远心光路设计。

本实用新型的光学系统设计紧凑，长焦距下的光路高度折叠，避免大色差光学元件的使用，实现低色差及二级光谱的设计，获得超宽谱段的光谱探测，实现光学系统的轻小型和接近于衍射极限的像质，提高恒星光信号收集效率，解决光学系统轻小型和高精度的设计矛盾。

进一步作为优选的实施方式，所述光学系统的主光线与光轴的夹角不超过0.1°。

本光学系统实现像方远心光路设计，提高光学系统在复杂应用环境下的测量精度。

进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜101的光焦度为所述第二透镜102的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中和满足：

本实施例光学系统的前透镜组的组合光焦度接近零。

进一步作为优选的实施方式，所述反射镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为则和满足：

进一步作为优选的实施方式，所述后透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为则和满足：

进一步作为优选的实施方式，所述光学系统的总长为l，所述l为第一透镜101的前表面到像面400的距离，所述光学系统的总焦距为f，则l和f满足：

l/f≤0.265。

进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜101的前表面的曲率半径为645.8mm，后表面的曲率半径为-529.5mm，中心厚度为10mm，透镜通光口径为所述第二透镜102的前表面的曲率半径为-298.3mm，后表面为平面，中心厚度为6mm，透镜通光口径为所述次反射镜201的后表面的曲率半径为-166.8mm；所述主反射镜202的前表面的曲率半径为-364.8mm；所述第三透镜301的前表面的曲率半径为-102.5mm，后表面的曲率半径为35.6mm，中心厚度为2.5mm；所述第四透镜302的前表面的曲率半径为36.8mm，后表面的曲率半径为-102.58mm，中心厚度为14mm。

本实施例中，所述第二透镜102的后表面、次反射镜201的前表面和主反射镜202的后表面均为平面，所述第二透镜102的后表面与次反射镜201的前表面定心胶合在一起，避免次反射镜201需要单独设计支撑结构。

所述第二透镜102的靠近次反射镜201的光学面为所述第二透镜102的后表面，在加工制造时，将次反射镜201的后表面加工为平面，从而实现将次反射镜201和第二透镜102胶合。

进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜101和第二透镜102的材质均为冕牌玻璃，所述第三透镜301的材质为重镧火石玻璃，所述第四透镜302的材质为火石玻璃。

所述第一透镜101的后表面与第二透镜102的前表面的距离为4mm；所述第二透镜102的后表面与主反射镜202的前表面的距离为131.2mm；所述主反射镜202的前表面与次反射镜201的后表面的距离为126.2mm；所述次反射镜201的后表面到第三透镜301的前表面的距离为136.8mm；第三透镜301的后表面到第四透镜302的前表面的距离为14.1mm，第四透镜302的后表面到像面400的距离为15.6mm。

本实施例中的紧凑型长焦距星敏感器远心光学系统达到的技术指标为：

焦距：800mm；

相对孔径：f/8；

视场：1.5°；

光谱范围：450nm～1100nm；

相对畸变≤0.04％；

光学系统总长：l≤207.8mm。

光学系统的总长l与焦距f的比值为0.26。

本实用新型光学系统在匹配像素尺寸为5.5μm的cmos探测器时，单像元分辨率精度达到1.38″，接近衍射极限像质，全视场平均传函mtf优于0.35@50lp/mm。

参考图2，图2表征了本实用新型实例中整个光学系统的光学传递函数曲线分布，光学系统平均光学传递函数值在50lp/mm时达到0.35以上，成像质量优异。

参考图3，图3表征了本实用新型实例中光学系统的能量集中度曲线分布，除边缘视场外，在范围内能量集中度达到80％以上，恒星光信号获得较好的聚集。

参考图4，图4表征了本实用新型实例中光学系统的相对畸变设计结果，畸变不超过0.04％，避免了畸变引起恒星位置的测量误差。

本实用新型实现焦距接近米级的星敏感器光学系统设计，探测光谱范围达到650nm，提高了恒星位置测量精度以及星光能量的收集，相同探测口径下，探测恒星的能力可以提高1倍以上。

本实用新型光学系统采用全球面光学元件，结构紧凑，长焦距下的光路高度折叠，避免大色差光学元件的使用，在实现光学系统的轻小型的同时实现低色差及二级光谱的设计，能够满足空间各类对重量与尺寸有苛刻要求的飞行器平台，解决轻小型与高精度的设计矛盾，获得超宽谱段的光谱探测，实现接近于衍射极限的像质，提高恒星光信号收集效率。

本实用新型光学系统为像方远心光路设计，提高光学系统在复杂应用环境下的测量精度，有利于减少空间复杂力学振动、温度变化环境下星敏感器光学系统的测量误差。

本实用新型光学系统光焦度分配合理，所有透镜及反射镜均为球面面型，加工制造及装配公差比较宽松，降低加工难度以及装调难度，有利于提高长焦距星敏感器光学系统的可制造性与装配良率。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。