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申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

摘要：本发明属于光学设计领域，具体涉及一种能够全天时观测恒星实现导航的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特点是：结构紧凑、能够有效抑制背景光、且扫面范围大。该光学结构包括扫描反射镜、带通滤波片、第一负透镜、平面反射镜、主反射镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜；第一负透镜为孔径光阑，主反射镜的发射面为凹型的二次非球面，平面反射镜中心开设有通孔；入射光依次通过扫描反射镜、带通滤波片、第一负透镜后被平面反射镜反射至主反射镜,主反射镜再次反射的光路依次通过平面反射镜的通孔、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜后出射至外部成像单元。

主权项：1.一种全天时星跟踪器光学结构，其特征在于：包括扫描反射镜1、带通滤波片2、第一负透镜3、平面反射镜4、主反射镜5、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9；第一负透镜为孔径光阑，主反射镜的发射面为凹型的二次非球面，平面反射镜中心开设有通孔；入射光依次通过扫描反射镜1、带通滤波片2、第一负透镜3后被平面反射镜4反射至主反射镜5,主反射镜5再次反射的光路依次通过平面反射镜4的通孔、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9后出射至外部成像单元10；所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的焦距分别是：第一负透镜的焦距为-164f′＜f′1＜-162f′；第二负透镜的焦距为0.1f′＜f′2＜0.3f′；第一正透镜的焦距为-0.3f′＜f′3＜-0.1f′；第二正透镜的焦距为-0.3f′＜f′4＜-0.1f′；第三负透镜的焦距为0.8f′＜f′5＜0.9f；f′1、f′2、f′3、f′4、f′5分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9的焦距，f′为光学系统的整体焦距；所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的折射率分别是：第一负透镜的折射率为1.65＜n1＜1.9；第二负透镜的折射率为1.65＜n2＜1.75；第一正透镜的折射率为1.75＜n3＜1.9；第二正透镜的折射率为1.4＜n4＜1.55；第三负透镜的折射率为1.75＜n5＜1.9；其中，n1、n2、n3、n4、n5分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9的折射率；所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜中每一个透镜的两个面的曲率半径分别是：对于第一负透镜：-210f′1＜R1＜-214f′1；-208f′1＜R2＜-212f′1；对于第二负透镜：-1.4f′2＜R3＜-1.2f′2；-0.5f′2＜R4＜-0.4f′2；对于第一正透镜：0.9f′3＜R5＜1.1f′3；-3.8f′3＜R6＜-4f′3；对于第二正透镜：-0.9f′4＜R7＜-f′4；-0.25f′4＜R8＜-0.35f′4；对于第三负透镜：0.04f′5＜R9＜0.06f′5；0.06f′5＜R10＜0.08f′5；其中，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9共十个面的曲率半径。

全文数据：一种宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构技术领域[0001]本发明属于光学设计领域，具体涉及一种能够全天时观测恒星实现导航的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构。背景技术[0002]惯性陀螺仪是具有高瞬时姿态测量精度的导航设备。但是在长时间工作的情况下，其漂移量造成的误差较大，需要增加外部校正误差装备。与之相比，星敏感器利用恒星的位置导航，无姿态累积误差，探测的结果更为准确。因此，将惯性导航系统和星光结合从而实现长时间的高精度导航是目前研究的热点方向。[0003]惯性星光组合导航凭借其高测量精度，在航空航天领域中具有广泛应用。但是由于白天天空背景辐射非常强，导致白天观测恒星时的对比度比夜间观测恒星的对比度相差IO5倍，因此给在大气层内工作的需要全天时观星的星敏感器带来了很大的困难。[0004]美国对于全天时星敏感器的研究从上世纪八十年代末开始。2006年，美国Microcosm公司系统采用三个视场来观测三个不同方向的原理，研发出了DayStar系统，其口径为76mm，视场角30°，可以在白天的海平面上观测到7.IMv恒星（参见文章Microcosmannouncesadvancesindaytimestellarimaging。但三个镜头同时观测的方式所需要的系统硬件十分复杂。[0005]BLAST系统使用IOOmrn口径和200mm焦距的大口径长焦距镜头加4英尺长的遮光罩在高空气球平台实现了白昼观星参见文章BLASTautonomousdaytimestarcameras。[0006]九十年代，国内中国科学院长春光机所曾用350mm口径，3000mm焦距的电影经炜仪实现在白天观测3Mv星，但是其体积较大，质量较重，不适用于诸如飞行器等需要轻小型化系统的场合。[0007]专利CN201310390501.0提出一种全天时小型化恒星跟踪光学系统，该系统将扫描光路和成像光路重叠，需要的额外通光孔径很大，导致非工作口径较大，非成像光线直接照射在光学系统的次镜上，引入了很强的背景辐射光并且难以抑制。发明内容[0008]为了解决背景技术中提到的杂散光抑制问题，本发明提供了一种结构紧凑、能够有效抑制背景光、且具有扫面范围大等特点的一种宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构。[0009]本发明的具体技术解决方案是：[0010]本发明提供的光学机构包括扫描反射镜、带通滤波片、第一负透镜、平面反射镜、主反射镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜；[0011]其中，第一负透镜为孔径光阑，主反射镜的发射面为凹型的二次非球面，平面反射镜中心开设有通孔；[0012]入射光依次通过扫描反射镜、带通滤波片、第一负透镜后被平面反射镜反射至主反射镜，主反射镜再次反射的光路依次通过平面反射镜的通孔、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜后出射至外部成像单元。其中，平面反射镜用于转折压缩光路使得系统尺寸减小，实现小型化;入射光与入射光经平面反射镜发射之后的光路之间的夹角为30±5。。[0013]基于上述基本方案，本发明还可作如下优化限定和改进：[0014]进一步地，上述主反射镜的表面顶点半径1000〜1250mm。[0015]进一步地，上述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的焦距分别是：[0016]第一负透镜的焦距为-164ff;[0017]第二负透镜的焦距为0.;[0018]第一正透镜的焦距为-OJfvSf^〈-O.Ifv;[0019]第二正透镜的焦距为-OJfv^4_0.Ifv;[0020]第三负透镜的焦距为Ο.δίΎΡβΟΑί·。[0021]进一步地，上述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的折射率分别是：[0022]第一负透镜的折射率为1.65m1.9;[0023]第二负透镜的折射率为1.65n21.75;[0024]第一正透镜的折射率为1.75n31.9;[0025]第二正透镜的折射率为1.4m1.55;[0026]第三负透镜的折射率为1·75η51·9。[0027]进一步地，上述述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜中每一个透镜中两个面的曲率半径分别是：[0028]对于第一负透镜：[0029]-210fiRi-214fi；-208fiR2-212fi；[0030]对于第二负透镜：[0031]-1.4f2R3-1.2f2；-0.5f2R4-0.4f2；[0032]对于第一正透镜：[0033]0.9f3R5I-If73;-3.8f3R6-4f3；[0034]对于第二正透镜：[0035]-0.9f4R7-f4；-0.25f4R8-0.SSf74;[0036]对于第三负透镜：[0037]〇.〇4f5R90.06f5；0.06f5Rio0.OSf75[0038]其中，R1HU9为光的入射面;R2、R4、R6、R8、Ri〇均为光的出射面。[0039]进一步地，上述扫描反射镜背光面为遮光面。[0040]进一步地，上述述宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构的瞬时视场小于2°，其可观测到天顶40°〜70°空域之间的区域，采用SOOnm〜1700nm的宽谱段，避开了天空背景辐射最强的谱段，有利于提高白天观测恒星能力。此外，本发明中扫描光路与成像光路并不重置，可以对成像光路更有效的进彳丁杂光抑制。[0041]进一步地，上述第一负透镜、第一正透镜、第三负透镜的材料均为H-ZF52A;第二负透镜的材料为H-ZF6,第二正透镜的材料为H-ZK3,通过三种玻璃的色散系数搭配将光学系统的色差校正到±2μπι以内。[0042]本发明具有以下优点：[0043]1、本发明将扫描光路和成像光路分离，设计成为独立模块。扫描反射镜背光处可以遮挡天空背景辐射，同时将第一负透镜设置为孔径光阑，使得系统通光开口尺寸小，有利于系统的杂光抑制。[0044]2、本发明系统瞬时视场小于2°，利用扫描反射镜实现对天顶40°〜70°空域之间区域的观测，有效地增加了星敏感器可探测的区域。[0045]3、本发明选取800nm〜1700nm宽谱段成像，避开了太阳辐射能量最强的谱段，有利于实现全天时观测恒星。[0046]4、本发明采用反射镜转折光路，有效地缩短了系统长度，实现小型化设计。[0047]5、本发明焦距较长，可以减小天空背景辐射的相对强度，提高恒星探测能力。[0048]6、本发明后四片小型透镜（即第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜采取“负、正、正、负”的光焦度分配，有利于场曲的校正。[0049]7、本发明800nm〜1700nm内全视场80%能量集中在36μπι内，弥散斑形状接近圆形，能量分布为高斯分布，质心偏差较小，有利于实现高精度导航定位。[0050]8、本发明仅采用了三种玻璃，分别为第一负透镜、第一正透镜、第三负透镜的材料均为H-ZF52A，第二负透镜的材料为H-ZF6，第二正透镜的材料为Η-ΖΚ3，通过三种玻璃的色散系数搭配将光学系统的色差校正到±2μπι以内。[0051]9、本发明对环境温度适应性很好，在-40°C〜80°C内均可保持系统成像质量。[0052]10、本发明提供的光学系统在全视场无渐晕。附图说明[0053]图1为本发明的光学结构示意图。[0054]图2为本发明的光学系统点列图。[0055]图3为本发明的光学系统最佳像面不同视场弥散斑能量分布曲线图。[0056]图4为本发明的光学系统最佳像面畸变网格图。[0057]图5为本发明的倍率色差曲线。具体实施方式[0058]参见图1，本发明是一种可以进行全天时观测恒星的追踪导航系统的光学系统，该系统包括扫描反射镜1、带通滤波片2、第一负透镜3、平面反射镜4、主反射镜5、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9,其中，第一负透镜3为光阑，平面反射镜4中心为通孔，主反射镜5镜面型为凹的二次非球面；[0059]入射光依次通过扫描反射镜1、带通滤波片2、第一负透镜3后被平面反射镜4反射至主反射镜5,主反射镜5再次反射的光路依次通过平面反射镜4的通孔、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9后出射至外部成像单元10;其中，入射光与入射光经平面反射镜发射之后的光路之间的夹角为30±5°。[0000]该光学系统的瞬时视场为2°，扫描反射镜视场为40°〜70°。[0061]本发明选取了恒星辐射能量大于太阳辐射能量的800nm〜1700nm宽谱段，实现了全天时观测恒星。[0062]本发明仅采用三种玻璃，其中高折射率材料较多，使得折射面曲率减小，从而可以减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，各视场弥散较均匀。此外，通过采用不同色散系数的玻璃配对使用可以校正色差。[0063]本发明为了避免胶合面脱落或者胶性能发生改变影响系统成像质量，并未使用胶合面，同时，为了获得大通光孔径，采用全视场无渐晕的设计方案。[0064]为了获得良好的成像质量，本发明采取如下参数配置：[0065]对于第一负透镜3，[0066][0067][0068]对于平面反射镜4:[0069]中间为通孔，通孔直径为平面反射镜直径的I[0070]对于主反射镜5:[0071]表面顶点半径1000〜1250mm;[0072]对于第二负透镜6，[0073][0074][0075]对于第一正透镜7，[0076][0077][0078]对于第二正透镜8，[0079][0080][0081]对于第三负透镜9，[0082][0083][0084]上述参数中分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9共十个面的曲率半径，!!^^、^、!^!^分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9的折射率，5分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9的焦距，f分别为第一负透镜3、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜8和第三负透镜9的焦距，f为光学系统的整体焦距。[0085]本发明提供的光学系统焦距为623mm，有效入曈直径70mm。参见图2,在800nm〜1700nm内全视场弥散斑形状接近圆形，成像质量好，质心位置偏差很小;参见图3,弥散斑的能量在30μπι内高于80%，满足覆盖2X2个探测器像元，并具有高能量集中度;参见图4,系统畸变在全视场内小于5wii，像点偏差小，有利于后期的星图处理;参见图5,各色光相对于主色光Ι.ΐμπι的倍率色差在±2μπι以内，有效地实现了在800nm〜1700nm全谱段内消色差。

权利要求：1.一种宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:包括扫描反射镜（I、带通滤波片（2、第一负透镜（3、平面反射镜4、主反射镜（5、第二负透镜（6、第一正透镜7、第二正透镜⑻和第三负透镜9;第一负透镜为孔径光阑，主反射镜的发射面为凹型的二次非球面，平面反射镜中心开设有通孔；入射光依次通过扫描反射镜（1、带通滤波片（2、第一负透镜（3后被平面反射镜4反射至主反射镜5，主反射镜⑸再次反射的光路依次通过平面反射镜4的通孔、第二负透镜6、第一正透镜7、第二正透镜⑻和第三负透镜⑼后出射至外部成像单元10。2.根据权利要求1所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的焦距分别是：第一负透镜的焦距为-IeAfvSfv1S-Iesfv;第二负透镜的焦距为IlfvSfv2SOJfv;第一正透镜的焦距为-0.SfvSfv3S-O.If;第二正透镜的焦距为-0.If;第三负透镜的焦距为o.sfsf3.根据权利要求2所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜的折射率分别是：第一负透镜的折射率为1.65m1.9;第二负透镜的折射率为1.65n21.75;第一正透镜的折射率为1.75n31.9;第二正透镜的折射率为1.4m1.55;第三负透镜的折射率为1.75n51.9。4.根据权利要求3所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述第一负透镜、第二负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜中每一个透镜的两个面的曲率半径分别是：对于第一负透镜：-210fiRi-214fi；-208fiR2-212fi；对于第二负透镜：-1.4f2R3-1.2f^5-0.5f2R4-0.4f2；对于第一正透镜：0.9f3R5l.If^5-3.8f3R6-4f3；对于第二正透镜：-0.9f4R7-f^5-0.25f4Rs-0.SSf74;对于第三负透镜：0.04f5R90.06f7S50.06f5Rio0.OSf75其中，1?1、1?3、1?5、1?7、1?9为光的入射面;1?2、1?4、1?6、1?8、1?1均为光的出射面。5.根据权利要求4所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述主反射镜的表面顶点半径1〇〇〇〜1250mm。6.根据权利要求5所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:扫描反射镜背光面为遮光面。7.根据权利要求6所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构的瞬时视场小于2°，采用800nm〜1700nm的宽谱段，其可观测到天顶40°〜70°空域之间的区域。8.根据权利要求7所述的宽幅低杂光全天时星跟踪器光学结构，其特征在于:所述第一负透镜、第一正透镜、第三负透镜的材料均为H-ZF52A;第二负透镜的材料为H-ZF6，第二正透镜的材料为H-ZK3。

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