一种星敏感器光学成像系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种空间光学成像系统，公开了一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑和五个镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜。本实用新型正负透镜相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀。
【专利说明】
一种星敏感器光学成像系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种空间光学成像系统，尤其涉及一种适合航天空间环境高低轨 道长期应用的、工程化的、轻小型化的星敏感器光学成像系统。
【背景技术】
[0002] 光学敏感器技术利用对星空成像，利用恒星的间距和方位信息不变形作为参考系 进行飞行器姿态导航定位的惯性姿态敏感器。由于具有测量精度高、长时间使用无漂移的 优点，从二十世纪五十年代研制成功以来获得了极大的发展。而光学敏感器光学技术尤以 星敏感器光学系统的技术发展为先导。
[0003] 国内已刊登的2004年《光子学报》中"轻小型星敏感器光学系统设计"提出的焦距 为22.7mm，相对孔径1:1.4,视场角为17.1° X 17.1° (方视场）的光学系统，该系统入瞳直径 较小，仅为16.2mm;申请号为200610170214.9的申请文件公布了星敏感光学系统结构采用7 片式近远心的结构形式，焦距为49mm，相对孔径为1:1.2,视场角为14.14° X 14.14° (圆视 场）的光学系统。该系统成像质量较好，但可用视场角较小；中国专利ZL 201120363264.5， 名称为《基于APS探测器的星敏感器光学系统》采用了 8片球面镜片，并且考虑了光学系统的 长寿命设计;上述公布的设计实例均采用球面透镜的折射式系统结构，并且元件片数较多。
[0004] 近年来，随着技术的发展和进步，星敏感器光学系统的发展也向质量、体积、使用 寿命等方面提出了更高的要求。非球面技术应用到星敏感器系统的需求日益加大，目前使 用的非球面主要有椭球面、双曲面、抛物面等，相对于传统的球面透镜，非球面有着变化的 曲率半径，不能像球面透镜那样采用样板进行加工和检测，加工及检测难度急剧提高。现今 非球面主要为塑料模压和玻璃模压，精度较低，主要用于成像质量要求较低的批量照明系 统和投影系统。塑料材质使用温度范围较窄，而玻璃模压种类较少。德国Jena公司较早开展 了星敏感器镜头的非球面化，并将其应用到实际产品当中，取得了较好的效果。其开发的 ASTR0-15星敏感光学系统采用两片高次非球面透镜进行球差校正，采用胶合镜进行色差 校正。而该系统的后工作距非常短，不到2mm。国内的星敏感器光学系统杜绝使用胶合镜避 免光胶在空间环境下变质脱落，而不到2_的后工作距也给探测器组件的装配带来了较大 的难度。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型提供一种星敏感器光学成像系统，该光学成像系统通过特有的五片式 结构，以及正负透镜的相互交替，采用非球面透镜、高折射率材料，使折射面曲率减少，从而 减少轴外像差，使整个视场范围内像面畸变场曲较小，做到各视场弥散斑直径分布均匀，解 决了星敏感器光学成像系统普遍存在的技术问题。
[0006] 本实用新型的技术方案如下：
[0007] -种星敏感器光学成像系统，其特殊之处在于：该成像系统包括一个光阑和五个 镜片，五个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片；
[0008] 所述光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中， 光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片的中心轴线同轴；
[0009] 所述第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透 镜，第四镜片为球面正透镜。
[0010] 上述光阑固定在第一镜片上。
[0011]上述第一镜片与第三镜片的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式
[0012] 其中，r2 =x2+/,C=^，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在光轴方向上坐 R 标，κ为非球面圆锥系数。
[0013] 上述第一镜片的光学特性为：
[0014] l.Of7 <fi7 <1.2f7 ,1.4<ηι<1.6,0.5^7 <Ri<fi7 ,-1.5fi7 <R2<-2fi7 ,-1<k <〇;
[0015] 第二镜片的光学特性为：
[0016] -2.Of7 <f2/ <-1.5^ a.6<n2<1.8,l.〇f2/ <R3<0.5f2/ ,-8f27 <R4<-8.5f2/ ；
[0017] 第三镜片的光学特性为：
[0018] l.Of7 <f37 <1.5^ a.4<n3<1.6,0.5f3/ <R5<1.0f3/ ,-1.5f37 <R6<-1.0f3/ ,- 1<k<〇；
[0019] 第四镜片的光学特性为：
[0020] l.Of7 <f47 <1.5^ ,1.6<n4<1.8,0.5f4/ <R7<1.0f4/ ,-Ιβ?^ <R8<-14f4/ ；
[0021] 第五镜片的光学特性为：
[0022] -l.Of7 <f57 <-0.5^ a.6<n5<1.8,l.〇f5/ <R9<0.5f5/ ,Rio<-5f5/ ；
[0023] 其中^为该光学系统的焦距，f/、f/、f/、f，、fV分别为五个透镜的焦距，Ri、R2、 R3......Rio分别为五个透镜十个面的曲率半径，m、n2、n3......ns分别为五个透镜的折射率，κ 为非球面圆锥系数。
[0024] 上述光阑与第一镜片的距离-5mm<di<-3mm，第一镜片与第二镜片的距离lmm<d2 <4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm<d3<9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm<d4< 8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm<d5<5mm。
[0025]上述第一镜片与第三镜片采用熔融石英材料JGS1;第二镜片与第五镜片采用重火 石玻璃材料ZF4;第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9。
[0026] 上述第二镜片采用ZF404或者ZF504,第五镜片采用ZF404或者ZF504,第四镜片采 用 ZK509或者 ZK409。
[0027]本实用新型具有以下优点：
[0028] 1、本实用新型采用透射分离式分非球面结构，光阑前置，系统入瞳位于光阑，五个 镜片中的正负透镜分离，有利于校正场曲；
[0029] 2、光阑固定在第一镜片上可以减少外形尺寸，进而减小镜头总质量，获得更大的 入瞳直径；
[0030] 3、性能优异:第一镜片与第三镜片采用非球面设计，并且正负透镜交替组合的五 片式结构，使得光学系统相对孔径1:1.2，入瞳直径36mm，视场角Φ 20°的范围内成像质量优 良。
[0031] 4、寿命长:采用该星敏感器光学系统成像结构，第一镜和第三镜采用耐辐照性能 优异的熔融石英玻璃，第二镜片可采用ZF404或者ZF504，第五镜片可采用ZF404或者ZF504， 第四镜片可采用ΖΚ509或者ΖΚ409等耐辐照玻璃材料替换原有普通光学玻璃材料，便可满足 空间环境高低轨道10年使用寿命以上要求。
[0032] 5、轻小型化:整个系统结构中采用镜片数量少，且镜片所采用的玻璃材料折射率 较高，所以镜片相对较薄，使得整个系统轻量化，体积小。
[0033] 6、采用高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视场角范围 内像面较平整，做到各视场弥散直径大小均匀。
【附图说明】
[0034] 图1为本实用新型星敏感器光学系统结构示意图；
[0035]其中附图1标记为：1-第一镜片，2-第二镜片，3-第三镜片，4-第四镜片，5-第五镜 片，6-光阑，7-探测器保护窗口；
[0036] 图2为采用本实用新型不同视场弥散斑的能量分布图；
[0037] 图3为采用本实用新型的畸变分布曲线图；
[0038] 图4为本实用新型寿命前期和寿命后期透过率的分布曲线图。
【具体实施方式】
[0039] 如图1所示:一种星敏感器光学成像系统，该成像系统包括一个光阑6、五个镜片和 一个探测器保护窗口 7构成，第一至第五镜片依次排列，其中，第一镜片1、第三镜片3和第四 镜片4均为正透镜，第二镜片2与第五镜片5为负透镜;光阑6设置在第一镜片1之前，探测器 保护窗口 7设置在第五镜片5之后，其中，第一镜片1和第三镜片3均为非球面正透镜，第二镜 片2和第五镜片5为球面负透镜，第四镜片4为球面正透镜。
[0040] 图1给出了本实用新型的结构示意图，包括一个光阑6和五个镜片，五个镜片分别 为第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4和第五镜片5;光阑、第一镜片、第二镜片、 第三镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，且光阑、第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜 片和第五镜片的中心轴线同轴，其中，第一镜片和第三镜片均为非球面正透镜，第二镜片和 第五镜片为球面负透镜，第四镜片为球面正透镜;使用本实用新型时，可将探测器保护窗 口置于第五镜片之后，探测器之前。
[0041] 本实用新型采用透射分离式分非球面结构，光阑前置，系统入瞳位于光阑；五个镜 片中的正负透镜分离，有利于校正场曲。
[0042]光阑固定在第一镜片上，可以减少外形尺寸，进而减小镜头总质量，获得更大的入 瞳直径。
[0043]第一镜片1与第三镜片3的前表面为二次椭球面面型，其面型符合公式
光轴方向上坐标，K为非球面圆锥系数。 ，其中r2=x2+/,c.=4，R为非球面顶点曲率半径，x，y为非球面在 K
[0044] 二次以上的高次非球面虽然具有更好的校正像差的能力，但是其加工和检测更难 以控制，理想和实际应用之间的差异较大，风险较大，因此，本实用新型选用较为成熟的二 次曲面。
[0045] 第一镜片的光学特性为：
[0046] l.Of7 <fi7 <1.2f7 ,1.4<ηι<1.6,0.5^7 <Ri<fi7 ,-1.5fi7 <R2<-2fi7 ,-1<k <〇;
[0047] 第二镜片的光学特性为：
[0048] -2.Of7 <f2/ <-1.5^ a.6<n2<1.8,l.〇f2/ <R3<0.5f2/ ,-8f27 <R4<-8.5f2/ ；
[0049] 第三镜片的光学特性为：
[0050] l.Of7 <f37 <1.5^ a.4<n3<1.6,0.5f3/ <R5<1.0f3/ ,-1.5f37 <R6<-1.0f3/ ,- 1<k<〇；
[0051] 第四镜片的光学特性为：
[0052] l.Of7 <f47 <1.5^ ,1.6<n4<1.8,0.5f4/ <R7<1.0f4/ ,-Ιβ?^ <R8<-14f4/ ；
[0053] 第五镜片的光学特性为：
[0054] -l.Of7 <f57 <-0.5^ a.6<n5<1.8,l.〇f5/ <R9<0.5f5/ ,Rio<-5f5/ ；
[0055] 其中f"为该光学系统的焦距，如图1，第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和 第五镜片自左向右依次排列，每个透镜均包括了两个面，分别为左面和右面;f/、fV、f/、 分别为五个透镜的焦距;Ri、R2分别为第一镜片左面和右面的曲率半径，R3、R4分别为 第二镜片左面和右面的曲率半径，R5、R6分别为第三镜片左面和右面的曲率半径，R?、R 8分 别为第四镜片左面和右面的曲率半径，R9、R1Q分别为第五镜片左面和右面的曲率半径;m、 ……n 5分别为五个透镜的材料折射率，κ为非球面圆锥系数。
[0050] 光学系统光阑与第一镜片的距离-5mm <di<-3mm，第一镜片与第二镜片的距离 lmm<d2<4mm，第二镜片与第三镜片的距离6mm<d3<9mm，第三镜片与第四镜片的距离5mm <d4<8mm，第四镜片与第五镜片的距离2mm<d5<5mm。
[0057]本实用新型第一镜片和第三镜片光学镜片设计为非球面，材料采用熔融石英材 料，具有密度小、抗辐照、抗腐蚀、热膨胀系数小优点。第二镜片、第四镜片和第五镜片采用 普通玻璃，也可采用抗辐照光学玻璃替换完成对系统的长寿命升级。
[0058]本实用新型没有采用非常规色散玻璃材料，第一镜片和第三镜片采用JGS1熔融石 英材料，利于后期非球面加工和抗辐照设计。如果考虑使用材料的成熟度，第二镜片与第五 镜片采用重火石玻璃材料ZF4;第四镜片采用重冕玻璃材料ZK9JF4和ZK9具有折射率高的、 物理化学性能良好且吸收小的特点，如果考虑长寿命及耐辐照因素后，第二镜片采用ZF404 或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409，即将ZF4更换成 相同折射率、相同色散系数的耐辐照光学玻璃材料ZF504或者ZF404,将ZK9更换成相同折射 率、相同色散系数的耐辐照光学玻璃ZK509或者ZK409,即可以对系统进行长寿命升级。
[0059] 下面结合说明书附图，详细说明本实用新型的【具体实施方式】：
[0060] 附图1为本实用新型所设计的轻小型长寿命光学镜头结构示意图，从图中可以看 出，所设计的轻小型长寿命光学镜头有五个透镜，为三正二负，其光学系统排列次序为:光 阑6、第一镜片1为非球面正透镜、第二镜片2为球面负透镜、第三镜片3为非球面正透镜、第 四镜片4为球面正透镜、第五镜片5为球面负透镜、保护玻璃7,整个镜头无胶合镜、无渐晕。 其中，表1为该光学系统中的各个透镜的焦距，曲率半径和折射率的列表。
[0061] 表1光学系统元件焦距、折射率和曲率半径值
[0062]
[0064] 通过表1表述的本实用新型光学系统，可以实现焦距约43mm，通光口径36mm，视场 角20°的光学镜头，其光学系统全视场内弥散斑大于10um，小于49um;其光学系统在全视场 内的绝对畸变小于等于± 3μηι。
[0065] 这种轻小型长寿命光学系统，通过更换第二镜、第四境和第五镜材料，能完成对光 学系统长寿命的升级。
[0066] 本实用新型还具有以下有益效果：
[0067] 普通光学系统在高轨道8~15年以上工作时，穿透能力较强的空间粒子会很容易 的穿透玻璃元件表面膜层到达光学材料内部，其主要表现在普通光学材料受辐照后会失去 原有的透亮效果，发黑变色，致使光学系统失效。而长寿命光学系统可以有效的抵抗空间粒 子辐照环境，所选用的材料对空间粒子辐照不太敏感，不会产生发黑变色现象。
[0068] 本实用新型考虑了光学系统的抗高能粒子辐照、近地轨道的原子氧侵蚀及低能电 子辐照特性。首先考虑整个光学系统采用球面，对球面进行优化设计，然后在优化的最后阶 段选出哪个面对光学系统的性能影响最大，再将该面的圆锥曲线常数作为变量加入优化。
[0069] 本实用新型采用高折射率材料，使折射面曲率减少，从而减少轴外像差，使整个视 场角范围内像面较平整，做到各视场弥散均匀。通过采用不同色散系数的玻璃配对使用校 正色差。如表2所示，可以实现0.8归一化视场内，不同波长相对于0.62μπι波长的弥散斑能 量质心偏差绝对值<4μπι。
[0070] 在校正畸变时，采用S型畸变校正法，对边缘视场和0.8视场内的畸变同时进行校 正。
[0071] 从表3和图4中均可看出该光学系统可以满足长寿命的使用要求，光学系统在不同 轨道经受lESRad辐照剂量后光学系统透过率下降有限，不会影响系统探测信噪比。
[0072] 表2不同波长弥散斑质量中心相对于0·62μπι波长像高(能量质心）的偏差值y(ym)
[0073]
[0074] 表3长寿命光学系统寿命初期和寿命末期透过率值
[0075]
【主权项】
1. 一种星敏感器光学成像系统，其特征在于:该成像系统包括一个光阔和五个镜片，五 个镜片分别为第一镜片、第二镜片、第Ξ镜片、第四镜片和第五镜片； 所述光阔、第一镜片、第二镜片、第Ξ镜片、第四镜片和第五镜片依次排列，其中，光阔、 第一镜片、第二镜片、第Ξ镜片、第四镜片和第五镜片的中屯、轴线同轴； 所述第一镜片和第Ξ镜片均为非球面正透镜，第二镜片和第五镜片为球面负透镜，第 四镜片为球面正透镜。2. 根据权利要求1所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于： 所述光阔固定在第一镜片上。3. 根据权利要求2所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于： 所述第一镜片与第Ξ镜片的前表面为二次楠球面面型，其面型符合公式其中，r2=x2 + /，e=^，R为非球面顶点曲率半径，χ，y为非球面在光轴方向上坐标，κ为 民 非球面圆锥系数。4. 根据权利要求1至3任一所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于:所述第一镜片 的光学特性为：1.Of' <f' 1< 1.2f'，1.4<ni< 1.6，0.5f' i<I?i<f' 1，-1.5f' i<R2<-2f' 1，- l<K<〇； 第二镜片的光学特性为： -2.0f' <f'2<-1.5f'，1.6<n2<1.8，1.0f'2<I?3<0.5f'2，-8f'2<R4<-8.5f'2; 第Ξ镜片的光学特性为： l.Of' <f'3<1.5f'，1.4<n3<1.6,0.5f'3<R5<1.0f'3，-1.5f'3<R6<-1.0f'3，-l<K <0; 第四镜片的光学特性为： l.Of' <f'4<1.5f'，1.6<n4<l.8,0.5f'4<I?7<1.0f'4，-16f'4<R8<-14f'4; 第五镜片的光学特性为： -1.Of' <f' 5<-0.5f'，1.6<ns< 1.8，1. Of' 5<化<0.5f' 5，Ri0<-5f'已； 其中f/为该光学系统的焦距，f/l、f/2、f/3、f%、f/5分别为五个透镜的焦距，Rl、R2、 R3……Rio分别为五个透镜十个面的曲率半径，ηι、η2、Π 3……η日分别为五个透镜的折射率，κ 为非球面圆锥系数。5. 根据权利要求4所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于:所述光阔与第一镜片的 距离-5mm<di<-3mm，第一镜片与第二镜片的距离lmm<d2<4mm，第二镜片与第Ξ镜片的距 离6mm<d3<9mm，第Ξ镜片与第四镜片的距离5mm<d4<8mm，第四镜片与第五镜片的距离 2mm<d5<5mm〇6. 根据权利要求5所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于:所述第一镜片与第Ξ镜 片采用烙融石英材料JGS1;第二镜片与第五镜片采用重火石玻璃材料ZF4;第四镜片采用重 冕玻璃材料ZK9。7. 根据权利要求5所述的星敏感器光学成像系统，其特征在于：所述第二镜片采用 ZF404或者ZF504，第五镜片采用ZF404或者ZF504，第四镜片采用ZK509或者ZK409。
【文档编号】G02B27/00GK205608278SQ201620194851
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】薛要克, 王虎, 刘阳, 王灵光, 林上民, 刘美莹, 陈苏
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所