专利名称：一种姿态敏感器光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种姿态敏感器光学系统，可作为光学姿态敏感器的光学镜头，也可作为其它成像型光学敏感器的光学镜头。
背景技术：
在光学系统中有一类属于敏感器镜头，如星敏感器镜头、交会对接测量敏感器镜头等。敏感器镜头成像结构一般可以分为三类，一类是折射式的，一类是折射反射式的，还有一类是反射式的。这三类中折射式的应用较多，另外两类应用较少。在折射式中一般常见的有采用高斯成像结构和匹茨瓦成像结构，高斯式的优点是结构相对于孔径光阑对称分布，轴外像差具有抵消作用，因此可以获得较大的视场角，缺点是位于镜头两端的镜片口径较大，重量增加，而且不利于太阳杂光抑制。匹茨瓦型镜头一般孔径光阑位于镜头第一个面，整个镜头可以有较小的外形尺寸，也有利于消杂光，缺点是视场角相对较小。如杨皓明等在2007年2月光学精密工程上发表的“大孔径大视场轻小型星敏感器光学系统”一文中，提出了一个焦距22.5mm，相对孔径1/1.2，视场角25°的星敏感器镜头设计，采用的是双高斯成像结构。其孔径光栏位于镜头中心部位，镜头结构相对对称，有利于校正视场像差，其缺点是镜头径向尺寸较大。王虎等在2005年12月光子学报发表的文章“宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计”中设计了一个焦距51mm，相对孔径1/1.1，视场角30°的星敏感器光学系统，也是采用了一种双高斯型式的成像结构，其优缺点与上例相同，在视场角方面有了提高。吴峰等在2004年11月光子学报发表了一篇文章“轻小型星敏感器光学系统设计”，设计了一个焦距22.7mm，相对孔径1/1.4，视场角24°的星敏感器光学系统，采用的成像结构是第三透镜前面作为孔径光阑，前面两片镜片起到扩大视场的作用，缺点是这两片镜片径向尺寸较大。郝云彩的专利CN101209753A公开了一种星敏感器成像系统结构，采用了匹茨瓦型光学成像结构，实施了一个焦距49.7mm，相对孔径1/1.2，视场角14°的光学镜头。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种姿态敏感器光学系统，结构尺寸小，具有大视场角，可兼顾星敏感器光学成像和具有高分辨率要求的光学敏感器成像。
本发明的技术解决方案是一种姿态敏感器光学系统，由孔径光栏、石英窗口平板玻璃、正透镜、弯月正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜、第二双凹负透镜、第五双凸正透镜和弯月负透镜组成，其中正透镜和弯月正透镜组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜和第一双凸正透镜组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜和第三双凸正透镜组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜和第二双凹负透镜组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜和弯月负透镜组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃，依次经过正透镜、弯月正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜、第二双凹负透镜、第五双凸正透镜和弯月负透镜，最后透过探测器窗口由光电探测器进行接收处理； 所述石英窗口平板玻璃的厚度与通光口径之比为1/5～1/8； 所述正透镜与石英窗口平板玻璃的中心间隔为0.05mm～1mm； 所述弯月正透镜与正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8； 所述第一双凹负透镜为双凹负透镜，其与弯月正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10； 所述第一双凸正透镜为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8； 所述第二双凸正透镜为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8； 所述第三双凸正透镜为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8； 所述第四双凸正透镜为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8； 所述第二双凹负透镜为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10； 所述第五双凸正透镜为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8； 所述弯月负透镜靠近探测器窗口玻璃的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10。
所述的弯月正透镜、第四双凸正透镜采用冕类玻璃。
所述的正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜采用火石类玻璃。
所述的第二双凹负透镜、弯月负透镜采用重火石类玻璃。
所述的第五双凸正透镜采用镧火石类玻璃。
本发明相比现有技术具有的有益效果是本发明的光栏位于光学系统石英窗口平板玻璃的第一个面，有利于减小光学系统尺寸，有利于消除杂光，光学系统利用四种普通光学材料即可同时实现大视场、大孔径和消色差，使用多组密接型正负透镜组校正像差，有效缩短光学系统尺寸，采用本发明的布局形式可以在保证全视场弥散斑比较均匀的同时具有较高的MTF(调制传递函数)，因此可以兼顾星敏感器光学成像和具有高分辨率要求的光学敏感器成像。
图1为本发明光学系统的组成结构示意图； 图2为本发明实施例的倍率色差曲线； 图3为本发明实施例的MTF曲线。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述 本发明的光学系统主要由11个透镜组成，如图1所示，由孔径光栏、石英窗口平板玻璃1、正透镜2、弯月正透镜3、第一双凹负透镜4、第一双凸正透镜5、第二双凸正透镜6、第三双凸正透镜7、第四双凸正透镜8、第二双凹负透镜9、第五双凸正透镜10和弯月负透镜11组成，其中正透镜2和弯月正透镜3组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜4和第一双凸正透镜5组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜6和第三双凸正透镜7组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜8和第二双凹负透镜9组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜10和弯月负透镜11组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃1的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃1，依次经过正透镜2、弯月正透镜3、第一双凹负透镜4、第一双凸正透镜5、第二双凸正透镜6、第三双凸正透镜7、第四双凸正透镜8、第二双凹负透镜9、第五双凸正透镜10和弯月负透镜11，最后透过探测器窗口12由光电探测器进行接收处理；这种结构可以获得大视场和大孔径。
石英窗口平板玻璃1的厚度与通光口径之比为1/5～1/8，其厚度的最小尺寸不能小于加工工艺所能容许的最小值。正透镜2与石英窗口平板玻璃1的中心间隔为0.05mm～1mm；材料为火石类玻璃；弯月正透镜3与正透镜2的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜3为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8；材料为冕类玻璃；第一双凹负透镜4为双凹负透镜，其与弯月正透镜3的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；材料为火石类玻璃；第一双凸正透镜5为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜4的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第二双凸正透镜6为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜5的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第三双凸正透镜7为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜6的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第四双凸正透镜8为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜7的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为冕类玻璃；第二双凹负透镜9为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜8的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；材料为重火石类玻璃；第五双凸正透镜10为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜9的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为镧火石类玻璃；弯月负透镜11靠近探测器窗口玻璃12的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜10的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10，材料为重火石类玻璃。探测器保护窗口12一般是探测器件自带的窗口，厚度1mm左右，材料一般为光学玻璃。
以上所有透镜本身的中心厚度均符合光学加工工艺所要求的最小厚度要求，11片透镜除了石英玻璃窗口外采用了4种光学玻璃完成设计，包括QK3、ZF6、LaF3、ZK9，种类少，便于加工制造和批量生产。
实施例按照上述的光学系统结构设计，按照上述设计，光学系统的焦距为29mm，相对孔径1/1.2，光学系统的视场角46°，光谱段500nm-800nm，物距无限远，光栏在石英窗口平板玻璃第一个面，设计出的结构参数为 面序号 球面半径(mm) 中心间隔 石英窗口平板玻璃1 1 INFINITY 3.000000 2 INFINITY 0.740000 正透镜2 3 -121.400004.550000 4 -45.08500 5.620000 弯月正透镜3 5 -20.70000 5.400000 6 -18.40300 1.380000 第一双凹负透镜4 7 -18.00000 4.790000 8 132.62000 0.100000 第一双凸正透镜5 9 134.3700010.010000 10-39.760000.100000 第二双凸正透镜6 11-394.10000 7.070000 12-56.524900.100000 第三双凸正透镜7 1344.68100 9.970000 14-216.73000 0.100000 第四双凸正透镜8 1530.55000 9.520000 16-159.25300 0.310000 第二双凹负透镜9 17-121.34000 4.200000 1815.77600 2.870000 第五双凸正透镜10 1942.65600 5.660000 20-52.000000.750000 弯月负透镜11 21-33.100002.600000 22-105.68000 8.000000 图2中左边的线代表800nm-500nm之间的倍率色差随视场角变化曲线，可以看出全视场范围内最大的倍率色差在8μm以内，右面的曲线代表650nm-500nm之间的倍率色差随视场角变化曲线，可以看出全视场范围内最大的倍率色差在25μm以内，由此可知，采用普通的光学材料在大孔径、大视场的条件下实现了较好的消色差效果。
图3中的曲线分别代表各个相对视场包括(0，0.2，0.4，0.8，1.0)、各个谱段(500nm，600nm，650nm，700nm，800nm)加权平均的子午和弧矢方向MTF随空间频率变化的结果，由图中的曲线可以看出，在空间频率42Lp/mm下，全视场最低的MTF达到0.3以上，说明在46°视场角和F数1.2条件下，在较高的频率空间下实现了全视场较高的MTF水平。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
权利要求
1.一种姿态敏感器光学系统，其特征在于由孔径光栏、石英窗口平板玻璃(1)、正透镜(2)、弯月正透镜(3)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)、第四双凸正透镜(8)、第二双凹负透镜(9)、第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)组成，其中正透镜(2)和弯月正透镜(3)组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜(4)和第一双凸正透镜(5)组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜(6)和第三双凸正透镜(7)组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜(8)和第二双凹负透镜(9)组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃(1)的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃(1)，依次经过正透镜(2)、弯月正透镜(3)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)、第四双凸正透镜(8)、第二双凹负透镜(9)、第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)，最后透过探测器窗口(12)由光电探测器进行接收处理；
所述石英窗口平板玻璃(1)的厚度与通光口径之比为1/5～1/8；
所述正透镜(2)与石英窗口平板玻璃(1)的中心间隔为0.05mm～1mm；
所述弯月正透镜(3)与正透镜(2)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜(3)为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8；
所述第一双凹负透镜(4)为双凹负透镜，其与弯月正透镜(3)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；
所述第一双凸正透镜(5)为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜(4)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；
所述第二双凸正透镜(6)为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜(5)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；
所述第三双凸正透镜(7)为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜(6)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；
所述第四双凸正透镜(8)为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜(7)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；
所述第二双凹负透镜(9)为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜(8)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；
所述第五双凸正透镜(10)为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜(9)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；
所述弯月负透镜(11)靠近探测器窗口玻璃(12)的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜(10)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10。
2.根据权利要求1所述的一种姿态敏感器光学系统，其特征在于所述的弯月正透镜(3)、第四双凸正透镜(8)采用冕类玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种姿态敏感器光学系统，其特征在于所述的正透镜(2)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)采用火石类玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种姿态敏感器光学系统，其特征在于所述的第二双凹负透镜(9)、弯月负透镜(11)采用重火石类玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种姿态敏感器光学系统，其特征在于所述的第五双凸正透镜(10)采用镧火石类玻璃。
全文摘要
一种姿态敏感器光学系统，本发明的光栏位于光学系统石英窗口平板玻璃的第一个面，有利于减小光学系统尺寸，有利于消除杂光，光学系统利用四种普通光学材料即可同时实现大视场、大孔径和消色差，使用多组密接型正负透镜组校正像差，有效缩短光学系统尺寸，采用本发明的布局形式可以在保证全视场弥散斑比较均匀的同时具有较高的MTF(调制传递函数)，因此可以兼顾星敏感器光学成像和具有高分辨率要求的光学敏感器成像。
文档编号G01C21/02GK101762871SQ20091024328
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者郝云彩 申请人:北京控制工程研究所