CN111830687A - 一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，该光学***采用七片式透镜结构，包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和滤光片，通过优化了每个透镜的参数，使整个光学***性能指标优良，入瞳直径可达130mm‑140mm，光谱范围450nm‑850nm，能够在26°*26°视场范围内满足空间碎片广域探测的使用要求。

Description

一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***
技术领域
本发明属于空间光学***技术领域，具体涉及一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***。
背景技术
随着空间技术的不断发展，人类从最开始探索如何进入空间到目前已初步具有成果的利用空间能力，到未来人类可能控制空间的发展趋势，空间资源逐渐展示出了对国家战略发展的重要意义。空间碎片主要是在开展卫星运载活动时的遗留物，大量卫星工作状态中撞击事故发生的碎片，或者年限已到的被销毁或者遗弃的卫星组成。这些碎片分布在卫星运载的轨道上，干扰目前在轨工作的卫星，发生撞击，重复生成碎片形成恶性循环，严重影响了空间环境的健康。这些在轨物体不但占用了大量的空间资源，同时为后期的空间活动带来挑战。大视场空间碎片广域探测技术可以对空间碎片进行搜索、发现，为空间碎片规避和空间安全提供信息基础。
空间碎片广域探测***不同于一般的光学***，其光学设计要求主要有以下几个方面：
(1)光学***孔径大，探测能力越强，弱小空间碎片目标可以被探测；
(2)光学***视场大，视场越大，***的时效性越强；
(3)视场内弥散斑直径与探测器2*2或3*3像元接近；
(4)各个视场弥散斑大小分布均匀恒；
(5)***光谱范围较宽，光谱宽度大于等于400nm；
(6)***定位精度要求较高，光学***焦距一般大于150mm；
光学***视场、孔径、光谱范围增大直接影响光学***的球差、慧差、畸变、场曲和垂轴色差，极大的增加了***的设计难度。目前公布的光学***存在视场大的入瞳直径较小，***探测能力有限。入瞳直径大的视场角较小，***时效性较低。同时光谱范围较窄，不能满足大视场空间碎片广域探测的需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其性能指标优良，入瞳直径可达130mm-140mm，光谱范围450nm-850nm，能够在26°*26°视场范围内满足空间碎片广域探测的使用要求。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：
本发明提供的一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和滤光片；
第一负透镜的材料为SILICA，其可以作为***的防辐射窗口同时也可校正***像差；第一负透镜前表面曲率半径为149.3mm～153.2mm；第一负透镜后表面的曲率半径为115.1mm～120.3mm；第一负透镜厚度为25.3mm～47mm，第一负透镜前表面、后表面通光口径分别为185mm、162.7mm；
第一正透镜的材料折射率为1.411～1.565；第一正透镜前表面的曲率半径为124.05mm～128mm，第一正透镜后表面的曲率半径383.3mm～395.39mm；第一正透镜厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜前表面与第一负透镜后表面的距离为5.55mm～6.65mm，第一正透镜前表面、后表面通光口径分别为162mm、153.4mm；
第二负透镜的材料折射率为1.67～1.73；第二负透镜前表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-284.65mm～-295.14mm，第二负透镜后表面的曲率半径分别为391.88mm～397.45mm；第二负透镜厚度为18mm～20mm；第二负透镜前表面与第一正透镜后表面之间的距离为47.3mm～50mm；第二负透镜前表面、后表面通光口径分别为124mm、117.2mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面的距离为12mm～14mm；
第二正透镜的材料折射率为1.433～1.485，该透镜的玻璃材料位于正常玻璃P-v(部分色散P对阿贝数v)曲线之外，主要用来校正色差；第二正透镜前表面的曲率半径为131.48mm～137.2mm，第二正透镜后表面的曲率半径为-260mm～-263.5mm，第二正透镜厚度为35mm～40mm；第二正透镜前表面与孔径光阑之间的距离为3mm～5.1mm，第二正透镜前表面、后表面通光口径分别为135.8mm、132.7mm；
第三正透镜的材料折射率为1.42～1.51；第三正透镜前表面的曲率半径为110.2mm～113.4mm，第三正透镜后表面的曲率半径为-213mm～-218mm；第三正透镜厚度为40mm～47mm；第三正透镜前表面与第二正透镜后表面之间距离为2.5mm～5.3mm，第三正透镜前表面、后表面通光口径分别为136mm、131.2mm；
第三负透镜的材料折射率为1.73～1.81；第三负透镜后表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-150mm～-154mm，第三负透镜后表面的曲率半径为-279mm～-282mm，第三负透镜厚度为23mm～25.2mm；第三负透镜前表面与第三正透镜后表面之间距离为5.9mm～7.3mm，第三负透镜前表面、后表面通光口径分别为124.4mm、124mm；
第四负透镜的材料折射率为1.51～1.58；第四负透镜前表面的曲率半径为-70mm～-73mm，第四负透镜后表面为平面，第四负透镜厚度为5.95mm～7.5mm；第四负透镜前表面与第三负透镜后表面之间的距离为88mm～92mm，第四负透镜前表面、后表面通光口径分别为88.7mm、95mm；
滤光片前表面、后表面均为平面；滤光片前表面与第四负透镜后表面之间的距离为1.3mm～2mm，滤光片后表面到探测器像面的距离为3mm～4mm，滤光片前表面、后表面通光口径分别为95.5mm、97.2mm。
进一步地，滤光片的材料为SILICA，滤光片上镀设有450nm-850nm带通增透膜，厚度为5.5mm～6.5mm。
进一步地，第一负透镜的焦距为***焦距的-7.2～-6.97倍；第一正透镜的焦距为***焦距的1.7～1.93倍；第二负透镜的焦距为***焦距的-1.2～-0.9倍；第二正透镜的焦距为***焦距的0.8～1倍；第三正透镜的焦距为***焦距的0.7～0.9倍；第三负透镜的焦距为***焦距的-2.5～-1.9倍；第四负透镜的焦距为***焦距的-2.4～-1.8倍，
进一步的，光学***中各个透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure BDA0002594320540000051
其中，fi为各个透镜焦距
ni为各个透镜的折射率。
进一步地，第二负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure BDA0002594320540000052
其中，K＝9.6409，A＝-2.8784e-009，B＝3.2869e-012，C＝-1.0545e-016；
z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数。
进一步地，第三负透镜的高次非球面的表达式具体为：
Figure BDA0002594320540000053
其中，K＝-22.978，A＝-3.4691e-008，B＝1.379e-011，C＝-1.7834e-015；
z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数。
以上所述各透镜中前表面为即正对光传播方向的表面，与前表面相对的表面为后表面。
与现有技术相比，本发明光学***的有益效果为：
1、本发明的光学***中各个透镜光焦度采用“负-正-负-正-正-负-负”的组合及其对应折射率，使得光学***场曲像差接近于零，校正了***场曲。
2、本发明考虑空间使用环境，采用玻璃P-V曲线之外的光学玻璃校正了***色差，避免使用大口径胶合透镜校正***色差。
3、本发明的第一负透镜材料采用SILICA作为抗辐射窗口，避免空间透射相机的大口径防辐射平板窗口，减少了光学元件的同时降低了***重量，同时负透镜可以增加***视场。
4、本发明的第二负透镜前表面、第三负透镜的后表面采用高次非球面用于校正***负球差，可以实现26°*26°视场范围80％弥散圆直径控制在15μm-18μm范围内，***全视场内弥散斑均衡。
5、本发明中滤光片靠近探测器像面布置，使得整个光学***口径较小，重量较小，从而减轻了整个光学***的重量。
附图说明
图1为本发明光学***的结构示意图；
图2为本发明提供的光学***能量集中度曲线及80％能量圆直径分布图；
图3为本发明提供的光学***弥散斑全视场显示图。
附图标记如下：
1-第一负透镜，2-第一正透镜，3-第二负透镜，4-、孔径光阑，5-第三正透镜，6-第四正透镜，7-第三负透镜，8-第四负透镜，9-滤光片，10-探测器像面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***的具体结构，如图1所示，采用七片式透镜结构，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一负透镜1、第一正透镜2、第二负透镜3、孔径光阑4、第二正透镜5、第三正透镜6、第三负透镜7、第四负透镜8和滤光片9；
第一负透镜1的材料为SILICA，其可以作为***的防辐射窗口同时也可校正***像差，其焦距为光学***焦距的-7.2～-6.97倍，第一负透镜1前表面、后表面的曲率半径分别为：149.3mm～153.2mm和115.1mm～120.3mm，第一负透镜1厚度为25.3mm～47mm，第一负透镜1前表面、后表面的通光口径分别为185mm、162.7mm；
第一正透镜2的材料折射率为1.411～1.565，其焦距为光学***焦距的1.7～1.93倍，第一正透镜2前表面、后表面的曲率半径分别为：124.05mm～128mm和383.3mm～395.39mm，第一正透镜厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜2前表面与第一负透镜后表面的之间距离为5.55mm～6.65mm，第一正透镜2前表面、后表面的通光口径分别为162mm、153.4mm；
第二负透镜3的材料折射率为1.67～1.73，其焦距为光学***焦距的-1.2～-0.9倍，第二负透镜3前表面、后表面的曲率半径分别为：-284.65mm～-295.14mm和391.88mm～397.45mm，第二负透镜3厚度为18mm～20mm；第二负透镜3前表面与第一正透镜后表面之间的距离为47.3mm～50mm，第二负透镜3前表面、后表面的通光口径分别为124mm、117.2mm；其中，第二负透镜3的前表面为高次非球面，主要用来校正***的负球差，表达式如下：
Figure BDA0002594320540000081
其中K＝9.6409，A＝-2.8784e-009，B＝3.2869e-012，C＝-1.0545e-016
上式中，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数；
孔径光阑4与第二负透镜3后表面之间的距离为12mm～14mm；
第二正透镜5的材料折射率为1.433～1.485，该材料位于正常玻璃P-v(部分色散P对阿贝数v)曲线之外，主要用来校正色差，其焦距为光学***焦距的0.8～1倍，第二正透镜5前表面、后表面的曲率半径分别为：131.48mm～137.2mm和-260mm～-263.5mm，第二正透镜5厚度为35mm～40mm；第二正透镜5前表面与孔径光阑之间的距离为3mm～5.1mm，第二正透镜5前表面、后表面的通光口径分别为135.8mm、132.7mm；
第三正透镜6的材料折射率为1.42～1.51，其焦距为光学***焦距的0.7～0.9倍，第三正透镜6前表面、后表面的曲率半径分别为：110.2mm～113.4mm和-213mm～-218mm，第三正透镜6厚度为40mm～47mm；第三正透镜6前表面与第二正透镜后表面之间的距离为2.5mm～5.3mm，第三正透镜6前表面、后表面的通光口径分别为136mm、131.2mm；
第三负透镜7的材料折射率为1.73～1.81，其焦距为光学***焦距的-2.5～-1.9倍，第三负透镜7前表面、后表面的曲率半径分别为：-150mm～-154mm和-279mm～-282mm，第三负透镜7厚度为23mm～25.2mm；第三负透镜7前表面与第三正透镜6后表面之间的距离为5.9mm～7.3mm，第三负透镜7前表面、后表面的通光口径分别为124.4mm、124mm；其中，第三负透镜7的后表面为高次非球面，主要用来校正***负球差，表达式如下：
Figure BDA0002594320540000091
其中K＝-22.978，A＝-3.4691e-008，B＝1.379e-011，C＝-1.7834e-015
上式中，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数；
第四负透镜8的材料折射率为1.51～1.58，其焦距为光学***焦距的-2.4～-1.8倍，第四负透镜8前表面的曲率半径为：-70mm～-73mm，第四负透镜8后表面为平面，第四负透镜8厚度为5.95mm～7.5mm；第四负透镜8前表面与第三负透镜7后表面之间的距离为88mm～92mm，第四负透镜8前表面、后表面的通光口径分别为88.7mm、95mm；
滤光片9的材料为SILICA，滤光片前表面、后表面均为平面，滤光片上镀有450nm-850nm带通增透膜，厚度为5.5mm～6.5mm，滤光片前表面到第四负透镜8后表面的距离为1.3mm～2mm，滤光片后表面到探测器像面10的距离为3mm～4mm，滤光片前表、面后表面通光口径分别为95.5mm、97.2mm；
光学***各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure BDA0002594320540000101
上式中fi与ni分别为各个透镜焦距及对应折射率，上式为零则***场曲得到校正；
适用于空间碎片广域探测的透射式光学***入瞳直径为130mm，光谱范围450nm-850nm。视场角26°*26°，需考虑到探测器对***像质的影响，设计时探测器各光谱权重如下表所示：
波长 450 500 550 600 700 750 850
权重 31 70 72 99 81 58 52
图2为本发明光学***能量集中度曲线及80％能量圆直径分布图；(图2中的上半部分为光学***能量集中度曲线，下半部分为上半部分中各个视场80％能量圆直径具体数值)，由图2可以看出全视场内***80％能量圆直径均小于20微米，图2表明各视场***80％能量圆直径位于15μm-18μm区间。
图3为本发明光学***弥散斑全视场显示，由该图可以看出本光学***的全视场弥散斑大小均衡，像质优良。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜、孔径光阑、第二正透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四负透镜和滤光片；
第一负透镜的材料为SILICA，第一负透镜前表面曲率半径为149.3mm～153.2mm；第一负透镜后表面的曲率半径为115.1mm～120.3mm；第一负透镜厚度为25.3mm～47mm，第一负透镜前表面、后表面通光口径分别为185mm、162.7mm；
第一正透镜的材料折射率为1.411～1.565；第一正透镜前表面的曲率半径为124.05mm～128mm，第一正透镜后表面的曲率半径383.3mm～395.39mm；第一正透镜厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜前表面与第一负透镜后表面之间的距离为5.55mm～6.65mm，第一正透镜前表面、后表面通光口径分别为162mm、153.4mm；
第二负透镜的材料折射率为1.67～1.73；第二负透镜前表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-284.65mm～-295.14mm，第二负透镜后表面的曲率半径分别为391.88mm～397.45mm；第二负透镜厚度为18mm～20mm；第二负透镜前表面与第一正透镜后表面之间的距离为47.3mm～50mm；第二负透镜前表面、后表面通光口径分别为124mm、117.2mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面的距离为12mm～14mm；
第二正透镜的材料折射率为1.433～1.485，该透镜的玻璃材料位于正常玻璃P-v曲线之外；第二正透镜前表面的曲率半径为131.48mm～137.2mm，第二正透镜后表面的曲率半径为-260mm～-263.5mm，第二正透镜厚度为35mm～40mm；第二正透镜前表面与孔径光阑之间的距离为3mm～5.1mm，第二正透镜前表面、后表面通光口径分别为135.8mm、132.7mm；
第三正透镜的材料折射率为1.42～1.51；第三正透镜前表面的曲率半径为110.2mm～113.4mm，第三正透镜后表面的曲率半径为-213mm～-218mm；第三正透镜厚度为40mm～47mm；第三正透镜前表面与第二正透镜后表面之间的距离为2.5mm～5.3mm，第三正透镜前表面、后表面通光口径分别为136mm、131.2mm；
第三负透镜的材料折射率为1.73～1.81；第二负透镜后表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-150mm～-154mm，第三负透镜后表面的曲率半径为-279mm～-282mm，第三负透镜厚度为23mm～25.2mm；第三负透镜前表面与第三正透镜后表面之间距离为5.9mm～7.3mm，第三负透镜前表面、后表面通光口径分别为124.4mm、124mm；
第四负透镜的材料折射率为1.51～1.58；第四负透镜前表面的曲率半径为-70mm～-73mm，第四负透镜后表面为平面，第四负透镜厚度为5.95mm～7.5mm；第四负透镜前表面与第三负透镜后表面之间的距离为88mm～92mm，第四负透镜前表面、后表面通光口径分别为88.7mm、95mm；
滤光片前表面、后表面均为平面；滤光片前表面与第四负透镜后表面之间的距离为1.3mm～2mm，滤光片后表面到探测器像面的距离为3mm～4mm，滤光片前表面、后表面通光口径分别为95.5mm、97.2mm。
2.根据权利要求1所述的适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：滤光片的材料为SILICA，滤光片上镀设有450nm-850nm带通增透膜，厚度为5.5mm～6.5mm。
3.根据权利要求1所述的适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：第一负透镜的焦距为***焦距的-7.2～-6.97倍；第一正透镜的焦距为***焦距的1.7～1.93倍；第二负透镜的焦距为***焦距的-1.2～-0.9倍；第二正透镜的焦距为***焦距的0.8～1倍；第三正透镜的焦距为***焦距的0.7～0.9倍；第三负透镜的焦距为***焦距的-2.5～-1.9倍；第四负透镜的焦距为***焦距的-2.4～-1.8倍。
4.根据权利要求1所述的适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：光学***中各个透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure FDA0002594320530000031
其中，fi为各个透镜焦距
ni为各个透镜的折射率。
5.根据权利要求1所述的适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：第二负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure FDA0002594320530000041
其中，K＝9.6409，A＝-2.8784e-009，B＝3.2869e-012，C＝-1.0545e-016；
z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数。
6.根据权利要求1所述的适用于空间碎片广域探测的透射式光学***，其特征在于：第三负透镜的高次非球面的表达式具体为：
Figure FDA0002594320530000042
其中，K＝-22.978，A＝-3.4691e-008，B＝1.379e-011，C＝-1.7834e-015；
z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，k为非球面口径，A、B、C为高次非球面高次项的系数。
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