一种超宽谱段长焦距星敏感器光学系统的制作方法

本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种超宽谱段长焦距星敏感器光学系统。

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，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：

本发明型要解决的技术问题是：现有的星敏感器光学系统实现高精度的同时系统尺寸长，难以校正宽光谱下的二级光谱像差。

本发明提供一种超宽谱段长焦距星敏感器光学系统，提高光谱范围和测量精度，同时大幅度缩短光学系统的长度尺寸，有效实现轻小型。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种超宽谱段长焦距星敏感器光学系统，包括沿光线射入方向自前向后依次设置前透镜组、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，所述第二透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第三透镜为双凹负光焦度透镜，所述第四透镜为弯月形正光焦度透镜，所述第三透镜和第四透镜组成双胶合透镜；所述次反射镜和主反射镜均为球面型；

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，次反射镜为凸面反射镜，主反射镜为凹面反射镜，所述次反射镜和主反射镜的反射面相对，所述主反射镜的中部开有通孔；所述主反射镜的反射面上设有孔径光阑；

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。

本发明的有益效果是：本光学系统采用折反射式光学系统结构型式，通过两个反射镜折叠光路，大幅缩短了长焦距星敏感器光学系统的长度尺寸，有效实现轻小化，提高恒星光信号收集效率。

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为球面面型。

本发明光学系统光焦度分配合理，结构匀称，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。

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则和满足：

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，所述光学系统的总长为l，其中l为第一透镜的前表面到像面的距离，所述光学系统的焦距为f，则l与f满足：

l/f≤0.275。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的前表面曲率半径为3488.5mm，后表面曲率半径为-783.6mm，中心厚度为11mm，通光口径为所述第二透镜的前表面曲率半径为-266.7mm，后表面曲率半径为-455.6mm，中心厚度为7mm，通光口径为所述次反射镜的曲率半径为-141.6mm；所述主反射镜的曲率半径为-406.8mm；所述第三透镜的前表面曲率半径为-77.8mm，后表面曲率半径为37.8mm，中心厚度为7mm；所述第四透镜的前表面曲率半径为37.8mm，后表面曲率半径为90.1mm，中心厚度为5mm。

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

本光学系统采用折反射式光学系统结构型式，通过两个反射镜折叠光路，可以获得光学系统长度远小于焦距的设计结果，有效实现轻小化，实现接近于衍射极限的像质，提高恒星光信号收集效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一部分实施例，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是本实施例光学系统的组成结构示意图；

图2是本实施例光学系统的光学传递函数曲线；

图3是本实施例光学系统的能量集中度曲线；

图4是本实施例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发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，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，均属于本发明保护的范围。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1，一种超宽谱段长焦距星敏感器光学系统，包括沿光线射入方向自前向后依次设置前透镜组100、反射镜组200、后透镜组300和像面400，所述前透镜组100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300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为弯月形负光焦度透镜，所述第三透镜301为双凹负光焦度透镜，所述第四透镜302为弯月形正光焦度透镜，所述第三透镜301和第四透镜302组成双胶合透镜；

所述反射镜组200包括自前向后依次设置的次反射镜201和主反射镜202，次反射镜201为凸面反射镜，主反射镜202为凹面反射镜，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的中部开有通孔203；所述主反射镜202的反射面上设有孔径光阑204；

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203后依次通过第三透镜301和第四透镜302，最终在像面400成像。

所述通孔203用于通过次反射镜201形成的反射光。

所述前透镜组100的组合光焦度接近于零，所述前透镜组100中的第一透镜101和第二透镜102形成双分离透镜。

所述次反射镜201和主反射镜202均为球面型，同时第一透镜101、第二透镜102、第三透镜301和第四透镜302均为球面型，降低加工、检测的难度及成本，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组合光焦度接近于零的前透镜组100，光线传播方向基本不变，然后通过为球面型的次反射镜201和主反射镜202进行光信号的聚集，反射镜组200承担了光学系统的主要光焦度。由于次反射镜201和主反射镜202均为球面型，产生大量的球差、彗差等像差，这些像差主要通过前透镜组100进行校正。当前透镜组100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，反射镜组200不产生色差，这就为光学系统实现超宽谱段的光信号收集奠定了基础。残余的球差、彗差及色差通过后透镜组小口径的双胶合透镜进行校正。

本光学系统采用折反射式光学系统结构型式，通过两个反射镜折叠光路，大幅缩短了长焦距星敏感器光学系统的长度尺寸，有效实现轻小化，实现接近于衍射极限的像质，提高恒星光信号收集效率。

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

l/f≤0.275。

本光学系统采用反射镜组200实现光路折叠，缩短光学系统的尺寸。

所述次反射镜201的反射面为反射入射光束的面，所述主反射镜202的反射面也为反射入射光束的面。

本光学系统采用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，并且能够获得十分紧凑的结构布局。通过两个反射镜折叠光路，可以获得光学系统长度远小于焦距的设计结果，这就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。

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则和满足：

进一步作为优选的实施方式，所述反射镜组200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300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，所述第一透镜101的前表面曲率半径为3488.5mm，后表面曲率半径为-783.6mm，中心厚度为11mm，通光口径为所述第二透镜102的前表面曲率半径为-266.7mm，后表面曲率半径为-455.6mm，中心厚度为7mm，通光口径为所述次反射镜201的曲率半径为-141.6mm；所述主反射镜202的曲率半径为-406.8mm；所述第三透镜301的前表面曲率半径为-77.8mm，后表面曲率半径为37.8mm，中心厚度为7mm；所述第四透镜302的前表面曲率半径为37.8mm，后表面曲率半径为90.1mm，中心厚度为5mm。

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

本实施例中所述第一透镜101和第二透镜102的材质为同种冕牌玻璃。

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8mm，所述第二透镜102的后表面到主反射镜202的前表面的距离为157.2mm，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152.2mm，次反射镜201的后表面与所述第三透镜301的前表面的距离为160.8mm，所述第四透镜302的后表面到像面400的距离为14.1mm。

本实施例中的超宽谱段长焦距星敏感器光学系统达到的技术指标为：

焦距：795mm；

相对孔径：f/6.8；

视场：1.5°；

光谱范围：450nm～1100nm；

相对畸变：≤0.001％；

光学总长：≤213.3mm。

本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″。

参考图2，图2表征了本发明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0.45以上，接近衍射极限像质，成像质量优异。

参考图3，图3表征了本发明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表征了本发明实例中光学系统的相对畸变设计结果，畸变不超过0.001％，接近于零，避免了畸变引起恒星位置的测量误差。

本发明光学系统设计紧凑，实现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。同时本发明光学系统采用全球面光学元件，大幅降低加工及制造成本，实现接近于衍射极限的像质，提高恒星光信号收集效率。

以上对本发明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发明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。