专利名称：一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学设计领域，涉及一种利用恒星作为参照系进行导航定位的星敏感器光学系统，尤其涉及一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统。
背景技术：
星敏感器是一种以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度的空间姿态测量装置，是迄今为止最精密且漂移最小的姿态测量部件，经常为卫星、洲际战略导弹，宇宙飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航的能力，具有极为重要的应用价值。近些年来，随着空间技术的发展，空间任务更强调规模化、小型化与廉价，未来的星敏感器将向着微型化的方向发展，这无疑对星敏感器在系统体积、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决于成像系统中星光探测的性能。作为星敏感器重要组成部分的光学系统是决定总系统成像性能好坏的关键，其设计的难点就在于保证恒星像质的特殊要求。目前，国内星敏感器光学系统缺点是所采用的光学系统一般相对孔径较小，光谱范围窄，造成探测星等等级低，探测能力弱，不利于系统姿态测量的提高。另外，现在的星敏感器在体积、重量、功耗及成本与飞行器平台对光学有效载荷轻量化，小型化的目标要求不符，现有的星敏感相机结构复杂、庞大。因此，本发明的目的在于提供一种具有良好像质的宽光谱、大孔径的星敏感器光学系统，可为星敏感器实现对高极限星等恒星的探测、足够高的恒星捕获概率和探信噪比打下坚实的基础，同时满足体积小、重量轻的优点，满足飞行器对有效载荷轻量化的需求。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种结构简单小巧轻便的宽光谱大孔径星敏感器光学系统。一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统，含有6块透镜，其特征在于:系统采用远摄型系统；六块透镜的材料分别CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透镜轴心在一直线上依次排开，分别为第一正透镜1，第一负透镜2，第二正透镜3，第三正透镜4，第二负透镜5，第四正透镜6 ;第一正透镜I和第一负透镜2为正负透镜胶合件；光阑设在第一正透镜I上。在本发明中，上述第一正透镜I的材料为晶体CaF2，上述第一负透镜2的材料为特火石玻璃TF5，上述第二正透镜3的材料为晶体CaF2，上述第三正透镜4的材料为晶体CaF2，上述第二负透镜5的材料为镧火石玻璃LaF2，上述第四正透镜6的材料为重火石玻璃ZF6。本发明采用摄远系统，实现筒长小于焦距，具有体积小重量轻的优点。本发明系统的相对孔径为1: 2，实现增大相对孔径，提高通光能量。由于星敏感器光学系统对于成像质量的特殊要求，而且光谱范围较宽，所以首要解决的问题是复消色差难点。由于正透镜产生负色差、负透镜产生正色差，所以，本发明通过正负透镜以适当的曲率胶合和组合，实现校正色差。同时本发明中为实现校正二级光谱、实现复消色差，采用特殊光学材料，选用低折射率、低色散材料的萤石(CaF2，晶体)。除此之外，利用镧冕玻璃比同等系列冕牌玻璃具有更小的色散，而重火石玻璃相对于火石玻璃有更大的色散的特点，即色散的较大差异对校正色差极为有利，所以本发明采取镧冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF)匹配来校正色差。因此，本发明的目的在于提供一种具有良好像质的宽光谱、大孔径的星敏感器光学系统，可为星敏感器实现对高极限星等恒星的探测、足够高的恒星捕获概率和探信噪比打下坚实的基础，同时满足体积小、重量轻的优点，满足飞行器对有效载荷轻量化的需求。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明实施例的传递函数图，图3是本发明实施例的弥散斑能量分布图，图4是本发明实施例的色差曲线图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进行详述:一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统，含有6块透镜，其特征在于系统采用远摄型系统；六块透镜的材料分别CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透镜轴心在一直线上依次排开，分别为第一正透镜1，第一负透镜2，第二正透镜3，第三正透镜4，第二负透镜5，第四正透镜6 ;第一正透镜I和第一负透镜2为正负透镜胶合件；光阑设在第一正透镜I上。在本发明中，上述第一正透镜I的材料为晶体CaF2，上述第一负透镜2的材料为特火石玻璃TF5，上述第二正透镜3的材料为晶体CaF2，上述第三正透镜4的材料为晶体CaF2，上述第二负透镜5的材料为镧火石玻璃LaK2，上述第四正透镜6的材料为重火石玻璃ZF6。本发明采用摄远系统，实现筒长小于焦距，就有体积小重量轻的优点。本发明系统的相对孔径为1: 2，实现增大相对孔径，提高通光能量。由于星敏感器光学系统对于成像质量的特殊要求，在光学系统的结构设计中对于各级像差的校正很重要。因为光谱范围较宽，所以首要解决的问题是复消色差难点。由于正透镜产生负色差、负透镜产生正色差，所以，本发明通过正负透镜以适当的曲率胶合和组合，实现校正色差。为实现系统的复消色差，选用低折射率、低色散材料——萤石(CaF2，晶体)作胶合透镜组中的正透镜，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做负透镜。用CaF2和TF5构成前组的胶合组，考虑到光焦度的分配，可在单透镜后再放置一个相同型号的正透镜，材料仍可选用CaF2。负透镜组拟米用正负分离的方式。另外可米取冕牌玻璃和火石玻璃配合使用，可用CaF2或镧冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF6)匹配。这里主要是利用镧冕玻璃比同等系列冕牌玻璃具有更小的色散，而重火石玻璃相对于火石玻璃有更大的色散，色散的较大差异对校正色差极为有利。对于质量要求特别高的光学仪器或长焦距、宽谱段以及一些高分辨率的成像光学系统来说，二级光谱的校正是设计中必须要解决的重要问题。它会使成像的对比度降低，出现色交叉现象，不仅造成分辨率下降，还会降低色饱和度和色亮度。这不能满足星敏感器中光学元件的成像质量要求，因此必须考虑二级光谱的校正问题。为校正二级光谱、实现复消色差的最有效方法是采用特殊光学材料，选用低折射率、低色散材料的萤石(CaF2，晶体)。本发明为实现系统的复消色差，选用低折射率、低色散材料——萤石(CaF2，晶体)作胶合透镜组中的正透镜，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做负透镜。用CaF2和TF5构成前组的胶合组，考虑到光焦度的分配，可在单透镜后再放置一个相同型号的正透镜，材料仍可选用CaF2。负透镜组拟采用正负分离的方式。通常要求弥散斑85%以上的能量落在2X2或3X3个像元的大小范围内。考虑离焦后暗星信噪比会明显下降，为保证星像能量均匀性及内插求中心的精度满足要求，课题要求弥散圆直径30 μ m,故选择3 X 3个像元满足要求。显然，图中宽光谱大孔径星敏感器光学系统由6片光学透镜构成，其中的两片透镜胶合成一片胶合透镜。系统采用远摄系统。为了校正色差采用正负透镜胶合，胶合透镜组中的正透镜，用高折射率、高色散玻璃的火石玻璃做负透镜，用CaF2和TF5构成前组的胶合组，同时为了校正二级光谱，选用低折射率、低色散材料的CaF2晶体。利用以上的合理配置组合，解决了宽光谱、大孔径的星敏感器光学系统像差校正难点，可为星敏感器实现对高极限星等恒星的探测、足够高的恒星捕获概率和探信噪比打下坚实的基础，同时满足体积小、重量轻的优点，满足飞行器对有效载荷轻量化的需求。其总长108.4mm,后截距28.4mm,通光口径为62。图中的镜头，其焦距128mm，光学视场3.6°，在30线对时，M TF彡0.8，波段500nm IOOOnm, F 数 2。通过图2、图3和图4可以看出，实施例的宽光谱大孔径星敏感器光学系统在60线对下，MTF > 0.8，满足高分辨率要求；能量集中度很好，基本上80%的能量都集中在IOum以内，色差为3.5um。`
权利要求
1.一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统，其特征在于:含有6块透镜，六块透镜的材料分别CaF2，TF5，CaF2，CaF2，LaK2，ZF6 ;透镜轴心在一直线上依次排开，分别为第一正透镜I，第一负透镜2，第二正透镜3，第三正透镜4，第二负透镜5，第四正透镜6 ;第一正透镜I和第一负透镜2为正负透镜胶合件；光阑设在第一正透镜I上。
2.根据权利I要求所述的宽光谱大孔径星敏感器光学系统，其特征在于:系统采用远摄型系统。
3.根据权利I要求所述的宽光谱大孔径星敏感器光学系统，其特征在于:通过正负透镜以适当的曲率胶合和组合，实现校正色差。采取镧冕玻璃(LaK)和重火石玻璃(ZF)匹配来校正色差，采用材料CaF2来校正二级光谱。
4.根据权利I要求所述的宽光谱大孔径星敏感器光学系统，其特征在于:本发明系统的相对孔径为1:2。
5.根据权利要求2所述的宽光谱大孔径星敏感器光学系统，其特征在于:焦距128_，光学视场为3.6°，在30 线对时，MTF≥0.8，波段500nm 1000nm，F数达到2，基本上80%的能量都集中在IOum以内，色差为3.5um。
全文摘要
本发明涉及一种利用恒星作为参照系进行导航定位的星敏感器光学系统，尤其涉及一种宽光谱大孔径星敏感器光学系统；光学系统采用远摄型系统，含有6块透镜，透镜轴心在一直线上依次排开，光阑设在第一正透镜1上；通过选取具有色散相差较大的正负透镜以适当的曲率胶合和组合，实现校正色差。同时采用特殊光学材料，选用低折射率、低色散材料的CaF2晶体实现校正二级光谱、实现复消色差；本发明提供的一种具有良好像质的宽光谱、大孔径的星敏感器光学系统，可为星敏感器实现对高极限星等恒星的探测、足够高的恒星捕获概率和探信噪比打下坚实的基础，同时满足体积小、重量轻的优点，满足飞行器对有效载荷轻量化的需求。
文档编号G02B13/00GK103149666SQ20121035893
公开日2013年6月12日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者钱义先, 洪雪婷, 邵杰 申请人:浙江师范大学