CN111897108A - 一种大口径空间碎片广域探测光学*** - Google Patents

一种大口径空间碎片广域探测光学*** Download PDF

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CN111897108A CN202010706483.2A CN202010706483A CN111897108A CN 111897108 A CN111897108 A CN 111897108A CN 202010706483 A CN202010706483 A CN 202010706483A CN 111897108 A CN111897108 A CN 111897108A
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Abstract

本发明公开了一种大口径空间碎片广域探测光学***，该光学***采用九片式透镜结构，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、第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜、第四负透镜以及滤光片；通过优化了各个透镜的参数，使得整个光学***性能指标优良，入瞳直径可达160mm～170mm，光谱范围450nm‑850nm，能够在20°*20°视场范围满足空间碎片广域探测的使用要求。

Description

一种大口径空间碎片广域探测光学***
技术领域
本发明属于空间光学***技术领域，具体涉及一种大口径空间碎片广域探测的光学***。
背景技术
空间碎片泛指地表100km以外空间的运行的所有人造物体，大到废弃的卫星、运载火箭末级，小到固体火箭的发动机燃烧后的AL2O3小颗粒或从航天器上剥落下来的漆片。这些人造物体长期运行于空间轨道上，并随着人类航天活动的扩展日益增多。这些空间碎片不仅占用着太空的资源，更是严重威胁着航天器运行的安全。这也就加大了对于空间环境安全的要求。因此为了保证航天器正常的运行与工作，便于持续开发利用太空资源，对此类空间碎片的探测技术也就变得愈发重要。
同时为了应对空间日益严峻的安全问题，各国都竞相开展了对空间碎片探测技术的研究以提高自身的航天实力。无论从保护空间环境，安全持续地开发和利用空间资源，还是从提高空间航天器在轨运行寿命，保障载人航天安全出发，都需要加强对空间碎片的探测和防护研究。空间碎片广域探测技术可以对空间碎片进行搜索、发现，获取探测目标的形状、尺寸、轨道等特性，并对目标特性数据进行归类和分发，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，弱小空间碎片目标可以被探测，其孔径一般大于100mm；
(2)光学***视场大，短时间内即可完成目标区域内的碎片探测；
(3)碎片定位精度要求较高，使得***焦距一般大于150mm；
(4)视场内弥散斑直径与探测器2*2或3*3像元接近；
(5)各个视场弥散斑大小分布均匀恒；
(6)***光谱范围较宽，光谱宽度大于等于400nm；
而光学***焦距、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、大口径空间碎片广域探测的大口径光学***需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种大口径空间碎片广域探测光学***，其性能指标优良，入瞳直径可达160mm～170mm，光谱范围450nm-850nm，能够在20°*20°视场范围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：
本发明提供的一种大口径空间碎片广域探测光学***，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、第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜、第四负透镜以及滤光片；
第一负透镜的材料为SILICA，第一负透镜前表面的曲率半径为269mm～275mm，第一负透镜后表面的曲率半径为176.2mm～180mm；第一负透镜厚度为25.3mm～30mm，第一负透镜前表面、后表面通光口径分别为230.4mm、210mm；
第一正透镜的材料折射率为1.52～1.565；第一正透镜前表面的曲率半径为220mm～225mm，第一正透镜后表面的曲率半径为496mm～501.2mm；第一正透镜厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜前表面到第一负透镜后表面之间的距离14.55mm～16.65mm；
第二负透镜的材料折射率为1.627～1.653，第二负透镜前表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-218.65mm～-220.14mm，第二负透镜后表面的曲率半径为776.88mm～780.45mm；第二负透镜厚度为15mm～18.3mm；第二负透镜前表面到第一正透镜后表面的距离为100mm～112.9mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面之间的距离为20mm～25mm；
第二正透镜的材料折射率为1.431～1.515，第二正透镜前表面的曲率半径为342mm～348mm，第二正透镜后表面的曲率半径为：-245mm～-255mm；第二正透镜厚度为50mm～54.5mm；第二正透镜前表面与孔径光阑之间的距离为1.2mm～2.7mm；
第三正透镜的材料折射率为1.42～1.45，该透镜的玻璃材料位于正常玻璃P-v曲线之外，主要用来校正色差；第三正透镜前表面的曲率半径为169mm～173.2mm，第三正透镜后表面的曲率半径为1246mm～1255mm；第三正透镜厚度为40mm～47mm；第三正透镜前表面到第二正透镜后表面之间的距离为1.5mm～3.3mm；
第四正透镜的材料折射率为1.41～1.44，第四正透镜前表面的曲率半径为142mm～148.25mm，第四正透镜后表面的曲率半径为-650mm～-655mm，第四正透镜厚度为50mm～58mm；第四正透镜前表面与第三正透镜后表面之间的距离为1.2mm～2.3mm；
第三负透镜的材料折射率为1.55～1.66，第三负透镜前表面的曲率半径为-241mm～-245mm，第三负透镜后表面为高次非球面，后表面的曲率半径为1139mm～1145mm；第三负透镜厚度为14.95mm～17mm；第三负透镜前表面与第四正透镜后表面之间的距离为21mm～24.9mm；
第五正透镜的材料折射率为1.425～1.455，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，第五正透镜前表面的曲率半径为255mm～260mm，第五正透镜后表面的曲率半径为-310mm～-317.6mm；第五正透镜厚度为32.95mm～38.23mm；第五正透镜前表面与第三负透镜后表面之间的距离为1.1mm～2.5mm；
第四负透镜的材料折射率为1.58～1.62，第四负透镜前表面的曲率半径为-90mm～-95mm，第四负透镜后表面为平面，第四负透镜厚度为6.5mm～8.1mm；第四负透镜前表面与第五正透镜后表面之间的距离为65mm～70mm；
滤光片前表面、后表面均为平面，滤光片前表面、后表面的通光口径分别为74.6mm、74mm，滤光片前表面与第四负透镜后表面之间的距离为4mm～6mm，滤光片后表面到探测器像面的距离为1.5mm～4mm。
进一步地，上述滤光片的材料为SILICA，滤光片上镀有450nm-850nm带通增透膜，滤光片厚度为5.2mm～6.1mm。
进一步地，第一负透镜的焦距f1与光学***焦距f关系为：-6f<f1<-5f；
第一正透镜的焦距f2与光学***焦距f关系为：2f<f2<3.4f；
第二负透镜的焦距f3与光学***焦距f关系为：-2f<f3<-1.1f；
第二正透镜的焦距f4与光学***焦距f关系为：1.5f<f3<2.7f；
第三正透镜的焦距f5与光学***焦距f关系为：2f<f5<2.7f；
第四正透镜的焦距f6与光学***焦距f关系为：1.3f<f6<2.1f；
第三负透镜的焦距f7与光学***焦距f关系为：-1.6f<f7<-0.9f；
第五正透镜的焦距f8与光学***焦距f关系为：1.1f<f8<2.2f；
第四负透镜的焦距f9与光学***焦距f关系为：-1f<f8<-0.5f。
进一步的，光学***各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure BDA0002594953570000051
其中，fi为各个透镜焦距
ni为各个透镜的折射率。
进一步地，上述第二负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure BDA0002594953570000061
其中K＝1.464，A＝7.893e-009，B＝5.545e-013，C＝-1.358e-018
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。
进一步地，上述第三负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure BDA0002594953570000062
其中K＝0，A＝6.8447e-008，B＝-7.066e-013，C＝-3.42e-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。
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-正-负-正-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***空间应用及光学透镜口径较大，采用位于正常玻璃P-v(部分色散P阿贝数v)曲线之外的玻璃材料校正***色差，避免了大口径胶合透镜；
3、本发明的第一负透镜为负光焦度，目的是为了增加视场，材料采用SILICA抗辐射，避免该***使用口径超过230mm防辐射平板窗口，大大减轻***重量，减小***长度。
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，主要用来校正***正球差，使得光学***20°*20°视场范围80％弥散圆直径控制在17.56μm-18.9μm范围内，***全视场内弥散斑直径变化小于2μm，***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***MTF曲线图。
图4为本发明提供光学***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-第二正透镜，6-第三正透镜，7-第四正透镜，8-第三负透镜，9-第五正透镜，10-第四负透镜、11-滤光片。
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大口径空间碎片广域探测光学***的具体结构，如图1所示，采用九片式透镜结构，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、第四正透镜7、第三负透镜8、第五正透镜9、第四负透镜10以及滤光片11；
其中，第二负透镜3、第三负透镜8各有一表面为高次非球面；
第一负透镜1的材料为SILICA，其作为光学***的防辐射窗口同时也可校正***像差，同时光学***采用第一负透镜1可以增加***视场，其焦距f1与光学***焦距f关系为：-6f<f1<-5f，第一负透镜1前表面、后表面的曲率半径分别为：269mm～275mm和176.2mm～180mm，厚度为25.3mm～30mm，第一负透镜1前表面、后表面通光口径分别为230.4mm、210mm；
第一正透镜2的材料折射率为1.52～1.565，其焦距f2与光学***焦距f关系为：2f<f2<3.4f，第一正透镜2前表面、后表面的曲率半径分别为：220mm～225mm和496mm～501.2mm，第一正透镜2厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜2前表面与第一负透镜后表面之间的距离为14.55mm～16.65mm；
第二负透镜3的材料折射率为1.627～1.653，其焦距f3与光学***焦距f关系为：-2f<f3<-1.1f，第二负透镜3前表面、后表面的曲率半径分别为：-218.65mm～-220.14mm和776.88mm～780.45mm，第二负透镜3厚度为15mm～18.3mm；第二负透镜3前表面与第一正透镜2后表面之间的距离为100mm～112.9mm；其中，第二负透镜3的前表面为高次非球面，主要用来平衡***初级、高级球差，表达式如下：
Figure BDA0002594953570000091
其中K＝1.464，A＝7.893e-009，B＝5.545e-013，C＝-1.358e-018
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20mm～25mm；
第二正透镜5的材料折射率为1.431～1.515，其焦距f4与光学***焦距f关系为：1.5f<f3<2.7f，第二正透镜5前表面、后表面的曲率半径分别为：342mm～348mm和-245mm～-255mm，第二正透镜5厚度为50mm～54.5mm；第二正透镜5前表面与孔径光阑4之间的距离为1.2mm～2.7mm；
第三正透镜6的材料折射率为1.42～1.45，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，其焦距f5与光学***焦距f关系为：2f<f5<2.7f，第三正透镜6前表面、后表面的曲率半径分别为：169mm～173.2mm和1246mm～1255mm，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5后表面之间的距离为1.5mm～3.3mm；
第四正透镜7的材料折射率为1.41～1.44，其焦距f6与光学***焦距f关系为：1.3f<f6<2.1f，第四正透镜7前表面、后表面的曲率半径分别为：142mm～148.25mm和-650mm～-655mm，第四正透镜7厚度为50mm～58mm；第四正透镜7前表面与第三正透镜6后表面之间的距离为1.2mm～2.3mm；
第三负透镜8的材料折射率为1.55～1.66，其焦距f7与光学***焦距f关系为：-1.6f<f7<-0.9f；第三负透镜8前表面、后表面的曲率半径分别为：-241mm～-245mm和1139mm～1145mm，第三负透镜8厚度为14.95mm～17mm；第三负透镜8前表面与第四正透镜7后表面之间的距离为21mm～24.9mm；其中第三负透镜8的后表面为高次非球面，主要用来平衡***初级、高级球差，表达式如下：
Figure BDA0002594953570000101
其中K＝0，A＝6.8447e-008，B＝-7.066e-013，C＝-3.42e-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；
第五正透镜9的材料折射率为1.425～1.455，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，其焦距f8与光学***焦距f关系为：1.1f<f8<2.2f；第五正透镜9前表面、后表面的曲率半径分别为：255mm～260mm和-310mm～-317.6mm，第五正透镜9厚度为32.95mm～38.23mm；第五正透镜9前表面与第三负透镜8后表面之间的距离为1.1mm～2.5mm；
第四负透镜10的材料折射率为1.58～1.62，其焦距f9与光学***焦距f关系为：-1f<f8<-0.5f；第四负透镜10前表面的曲率半径为：-90mm～-95mm，第四负透镜10后表面为平面，第四负透镜10厚度为6.5mm～8.1mm；第四负透镜10前表面与第五正透镜9后表面之间的间隔为65mm～70mm；
滤光片11的材料为SILICA，滤光片11前表面、后表面均为平面，滤光片上镀有450nm-850nm带通增透膜，滤光片11厚度为5.2mm～6.1mm，滤光片11前表面、后表面的通光口径分别为74.6mm、74mm，滤光片11前表面与第四负透镜10后表面之间的距离为4mm～6mm，滤光片11后表面与探测器像面之间的距离为1.5mm～4mm。
光学***各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure BDA0002594953570000111
上式中fi与ni分别为各个透镜焦距及对应折射率，上式接近于零则***场曲得到校正。
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中的左半部分为光学***能量集中度曲线，右半部分为左半部分中各个视场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17.56μm-18.9μm区间，全视场内光学弥散斑均衡。
图3为本实施例的光学***MTF曲线图，有该图可以看出该光学***全视场MTF在50lp/mm时均大于0.27。
图4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)

1.一种大口径空间碎片广域探测光学***，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、第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜、第四负透镜以及滤光片；
第一负透镜的材料为SILICA，第一负透镜前表面的曲率半径为269mm～275mm，第一负透镜后表面的曲率半径为176.2mm～180mm；第一负透镜厚度为25.3mm～30mm，第一负透镜前表面、后表面通光口径分别为230.4mm、210mm；
第一正透镜的材料折射率为1.52～1.565；第一正透镜前表面的曲率半径为220mm～225mm，第一正透镜后表面的曲率半径为496mm～501.2mm；第一正透镜厚度为30.5mm～35mm；第一正透镜前表面到第一负透镜后表面之间的距离14.55mm～16.65mm；
第二负透镜的材料折射率为1.627～1.653，第二负透镜前表面为高次非球面，前表面的曲率半径为-218.65mm～-220.14mm，第二负透镜后表面的曲率半径为776.88mm～780.45mm；第二负透镜厚度为15mm～18.3mm；第二负透镜前表面到第一正透镜后表面的距离为100mm～112.9mm；
孔径光阑与第二负透镜后表面之间的距离为20mm～25mm；
第二正透镜的材料折射率为1.431～1.515，第二正透镜前表面的曲率半径为342mm～348mm，第二正透镜后表面的曲率半径为：-245mm～-255mm；第二正透镜厚度为50mm～54.5mm；第二正透镜前表面与孔径光阑之间的距离为1.2mm～2.7mm；
第三正透镜的材料折射率为1.42～1.45，该透镜的玻璃材料位于正常玻璃P-v曲线之外，主要用来校正色差；第三正透镜前表面的曲率半径为169mm～173.2mm，第三正透镜后表面的曲率半径为1246mm～1255mm；第三正透镜厚度为40mm～47mm；第三正透镜前表面到第二正透镜后表面之间的距离为1.5mm～3.3mm；
第四正透镜的材料折射率为1.41～1.44，第四正透镜前表面的曲率半径为142mm～148.25mm，第四正透镜后表面的曲率半径为-650mm～-655mm，第四正透镜厚度为50mm～58mm；第四正透镜前表面与第三正透镜后表面之间的距离为1.2mm～2.3mm；
第三负透镜的材料折射率为1.55～1.66，第三负透镜前表面的曲率半径为-241mm～-245mm，第三负透镜后表面为高次非球面，后表面的曲率半径为1139mm～1145mm；第三负透镜厚度为14.95mm～17mm；第三负透镜前表面与第四正透镜后表面之间的距离为21mm～24.9mm；
第五正透镜的材料折射率为1.425～1.455，该透镜的玻璃材料位于正常玻璃P-v曲线之外，第五正透镜前表面的曲率半径为255mm～260mm，第五正透镜后表面的曲率半径为-310mm～-317.6mm；第五正透镜厚度为32.95mm～38.23mm；第五正透镜前表面与第三负透镜后表面之间的距离为1.1mm～2.5mm；
第四负透镜的材料折射率为1.58～1.62，第四负透镜前表面的曲率半径为-90mm～-95mm，第四负透镜后表面为平面，第四负透镜厚度为6.5mm～8.1mm；第四负透镜前表面与第五正透镜后表面之间的距离为65mm～70mm；
滤光片前表面、后表面均为平面，滤光片前表面、后表面的通光口径分别为74.6mm、74mm，滤光片前表面与第四负透镜后表面之间的距离为4mm～6mm，滤光片后表面到探测器像面的距离为1.5mm～4mm。
2.根据权利要求1所述大口径空间碎片广域探测光学***，其特征在于：所述滤光片的材料为SILICA，滤光片上镀有450nm-850nm带通增透膜，滤光片厚度为5.2mm～6.1mm。
3.根据权利要求1所述大口径空间碎片广域探测光学***，其特征在于：所述第一负透镜的焦距f1与光学***焦距f关系为：-6f<f1<-5f；
第一正透镜的焦距f2与光学***焦距f关系为：2f<f2<3.4f；
第二负透镜的焦距f3与光学***焦距f关系为：-2f<f3<-1.1f；
第二正透镜的焦距f4与光学***焦距f关系为：1.5f<f3<2.7f；
第三正透镜的焦距f5与光学***焦距f关系为：2f<f5<2.7f；
第四正透镜的焦距f6与光学***焦距f关系为：1.3f<f6<2.1f；
第三负透镜的焦距f7与光学***焦距f关系为：-1.6f<f7<-0.9f；
第五正透镜的焦距f8与光学***焦距f关系为：1.1f<f8<2.2f；
第四负透镜的焦距f9与光学***焦距f关系为：-1f<f8<-0.5f。
4.根据权利要求1所述大口径空间碎片广域探测光学***，其特征在于：光学***各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
Figure FDA0002594953560000041
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所述大口径空间碎片广域探测光学***，其特征在于：上述第二负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure FDA0002594953560000042
其中K＝1.464，A＝7.893e-009，B＝5.545e-013，C＝-1.358e-018
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。
6.根据权利要求1所述大口径空间碎片广域探测光学***，其特征在于：上述第三负透镜中高次非球面的表达式具体为：
Figure FDA0002594953560000043
其中K＝0，A＝6.8447e-008，B＝-7.066e-013，C＝-3.42e-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。
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