基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头

1.本发明涉及一种基于有源像素传感器(aps)的大视场星敏感光学镜头，属于航天器姿态控制领域。


背景技术：

2.aps星敏感器是一种姿态测量器件。当星敏感器处于外太空在轨运行时，由于其所处环境温度变化剧烈，热环境恶劣，且根据不同的星体安装位置差异，结构温度包括温度变化都不同。这种工作环境给光学系统在轨运行，尤其长期运行时其工作状态正常以及成像质量带来隐患。
3.通常的光学系统只考虑一般条件成像，而处在深空当中的光学镜头所承受的温度，压力，太阳辐射等外界因素干扰都远比地面要大，其中对于一个光学系统而言，在镜片未发生损失，镜片位置未发生偏移时，对成像质量影响最大的就是温度变化，不同温度所带来的温度效应造成了不同温度下的像差，进而制约了星敏感器的定位精度。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，该镜头能够实现在太空环境温度变化明显的情况下仍旧保持较好的结构稳定性，从而保证光学系统的成像质量，维持较高的星敏感器定位精度。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
6.本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，包括八面采用不同玻璃的球面透镜。其中所述的光学镜头前端的第一片透镜、第二片透镜为球面透镜，可见光光束经第一片透镜、第二片透镜四次折射实现对可见光光束的畸变与少量慧差的校正。可见光光束经第三片透镜、第四片透镜的两次折射实现对可见光光束的球差的校正，第三片透镜在校正球差的过程中引入了新的慧差，而在第四片透镜的配合下消除所述引入的新的慧差，并在第四片透镜处设置孔径光阑。可见光光束在经过第五片球面透镜、第六片球面透镜、第七片球面透镜、第八片球面透镜时，通过八次折射实现对可见光光束，像散，畸变，剩余球差的控制与校正。
7.第一片透镜为石英玻璃。第三片透镜、第四片透镜、第八片透镜为重火石玻璃，第二片透镜、第五片透镜、第六片透镜、第七片透镜为镧冕玻璃，不同种类，不同型号玻璃在温度发生变化时，其自身的折射率，膨胀系数各不相同，通过匹配上述镜片折射率、膨胀系数实现被动无热化成像。并且通过选用具有不同的膨胀系数，但其膨胀系数线性效果良好的玻璃，实现当温度变化时，各个玻璃的膨胀结果互相抵消，进而更好地实现被动无热化成像。
8.通过在不同透镜采用石英玻璃、重火石玻璃、镧冕玻璃不同种类具有不同且具有线性膨胀系数的玻璃进行配合，使得在温度变化时，各个玻璃的膨胀结果与折射率变化结果能互相抵消，从而保证结构设计上的温度稳定性。
9.当光学系统所处环境温度为20摄氏度时，所述的第一片透镜厚度为2.004mm～2.0042mm，前表面曲率半径为66.265mm～66.365mm，后表面曲率半径为66.170mm～66.178mm，材料为silica；优选第一片透镜厚度为2.004mm，前表面曲率半径为66.266mm,后表面曲率半径为66.176mm,材料为石英玻璃；
10.所述的第二片透镜厚度为6.010mm～6.019mm，前表面曲率半径为45.216mm～45.230mm，后表面曲率半径为381.550mm～381.560mm，材料为n-lak33；优选第二片透镜厚度为6.017mm，前表面曲率半径为45.229mm,后表面曲率半径为381.555mm,材料为镧冕玻璃；
11.所述的第三片透镜厚度为1.900mm～2.005mm，前表面曲率半径为-50.549mm～-50.580mm，后表面曲率半径为-202.400mm～-202.405mm，材料为zf4；优选第三片透镜厚度为2.001mm，前表面曲率半径为-50.574mm,后表面曲率半径为-202.404mm,材料为重火石玻璃；
12.所述的第四片透镜厚度为9.990mm～10.000mm，前表面曲率半径为163.616mm～163.695mm，后表面曲率半径为29.240mm～29.255mm，材料为zf4；优选第四片透镜厚度为9.997mm，前表面曲率半径为163.695mm,后表面曲率半径为29.254mm,材料为重火石玻璃
13.所述的第五片透镜厚度为9.990mm～10.000mm，前表面曲率半径为32.140mm～32.155mm，后表面曲率半径为-67.840mm～-67.870mm，材料为n-lak33；优选第五片透镜厚度为9.998mm，前表面曲率半径为32.155mm,后表面曲率半径为-67.867mm,材料为镧冕玻璃
14.所述的第六片透镜厚度为9.990mm～10.000mm，前表面曲率半径为21.730mm～21.740mm，后表面曲率半径为16.045mm～16.054mm，材料为n-lak33；优选第六片透镜厚度为9.998mm，前表面曲率半径为21.738mm,后表面曲率半径为16.053mm,材料为镧冕玻璃；
15.所述的第七片透镜厚度为7.540mm～7.545mm，前表面曲率半径为23.560mm～23.575mm，后表面曲率半径为-43.085mm～-43.099mm，材料为n-lak33；优选第七片透镜厚度为7.545mm，前表面曲率半径为23.575mm,后表面曲率半径为-43.099mm,材料为镧冕玻璃；
16.所述的第八片透镜厚度为3.810mm～3.815mm，前表面曲率半径为-28.900mm～-28.920mm，后表面曲率半径为40.240mm～40.260mm，材料为zf4；优选第八片透镜厚度为3.815mm，前表面曲率半径为-28.920mm,后表面曲率半径为40.259mm,材料为重火石玻璃；
17.基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头中的探测谱段为：0.45～0.75μm；口径大小为20mm～25mm视场范围为10
°
～15
°×
10
°
～15
°
；f数为1.0～1.5；系统单像元尺寸为：10μm～17μm
×
10μm～17μm；aps面阵数为n*n＝1024*1024。
18.口径大小为22.912mm视场范围为13
°×
13
°
；f数为1.25；系统单像元尺寸为：15μm
×
15μm；aps面阵数为n*n＝1024*1024。
19.本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头的工作方法为：采用八片球面透镜实现该大视场星敏感光学镜头优良的成像质量，并通过在不同透镜采用石英玻璃、重火石玻璃、镧冕玻璃不同种类具有不同且具有线性膨胀系数的玻璃进行配合，在太空环境温度变化明显的情况下各个玻璃的膨胀结果与折射率变化结果能互相抵消从而保证结构设计上的温度稳定性，进而保持较好的结构稳定性，保证光学系统的成像质量，维持较高的星敏感器定位精度。
20.有益效果：
21.1、现有的常规的aps星敏感器探测中，为了实现较好的成像质量通常会采用复杂的光学表面来增强其探测精度，但这在太空环境温度变化明显的情境下，复杂表面的稳定性较差，容易出现成像质量，光轴偏移随温度变化较大从而大幅度降低探测精度的问题。本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，采用八片球面透镜实现较好的成像质量，不仅显著降低加工装调的难度，同时也增强其结构稳定性。
22.2、本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，采用无热化光学结构优化方法，通过在不同透镜采用石英玻璃，重火石玻璃，镧冕玻璃等不同种类具有不同且具有线性膨胀系数的玻璃进行配合，实现在太空环境温度变化明显的情况下各个玻璃的膨胀结果与折射率变化结果能互相抵消从而保证结构设计上的温度稳定性，进而保持较好的结构稳定性，保证光学系统的成像质量，维持较高的星敏感器定位精度。
23.3、对于在轨的探测有效载荷要求仪器的体积和重量要尽可能的小，本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，采用共轴折射式系统，避免在大视场，大口径的情况下，光学镜面太大，或者离轴系统空间分布不够紧凑的缺点，实现仪器的体积和重量的小型化。
附图说明
24.图1基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头的结构图；
25.图2基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在-30℃的点列图；
26.图3基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在20℃的点列图；
27.图4基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在50℃的点列图；
28.图5基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在-30℃的mtf曲线图；
29.图6基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在20℃的mtf曲线图；
30.图7基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在50℃的mtf曲线图；
31.图8基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在-30℃的包围圆能量曲线图；
32.图9基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在20℃的包围圆能量曲线图；
33.图10基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在50℃的包围圆能量曲线图；
34.其中，1—第一片透镜、2—第二片透镜、3—第三片透镜、4—第四片透镜、5—第五片透镜、6—第六片透镜、7—第七片透镜、8—第八片透镜。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步解释。
36.实施例1
37.如图1所示，本实施例公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，包括八面采用不同玻璃的球面透镜。其中所示的光学镜头前端的第一透镜1，第二片透镜2为球面透镜，可见光光束经第一片透镜，第二片透镜四次折射实现对可见光光束的畸变与少量慧差的校正。随后可见光光束经第三片透镜3，第四片透镜4的两次折射实现对可见光光束的球差的校正，第三片透镜在校正球差的过程中引入了新的慧差，而在第四片透镜的配合下消除这部分新的慧差，并在第四片透镜处设置孔径光阑。可见光光束在经过第五片透镜
5，第六片透镜6，第七片透镜7，第八片透镜8球面透镜时，通过八次折射实现对可见光光束、像散、畸变、剩余球差的控制与校正。
38.其中第一片透镜1为石英玻璃，第三片透镜3，第四片透镜4，第八片8透镜为重火石玻璃，第二片透镜2，第五片透镜5，第六片透镜6，第七片透镜7为镧冕玻璃，不同种类，不同型号玻璃在温度发生变化时，其自身的折射率，膨胀系数各不相同，通过匹配上述镜片折射率、膨胀系数实现被动无热化成像。并且通过选用具有不同的膨胀系数，但其膨胀系数线性效果良好的玻璃，实现当温度变化时，各个玻璃的膨胀结果互相抵消，即抵消光学元件折射率、曲率半径、中心厚度、镜片与镜片之间的间隔随温度的变化，进而更好地实现被动无热化成像。
39.当光学系统所处环境温度为20摄氏度时，优选第一片透镜1厚度为2.004mm，前表面曲率半径为66.266mm,后表面曲率半径为66.176mm,材料为silica；
40.优选第二片透镜2厚度为6.017mm，前表面曲率半径为45.229mm,后表面曲率半径为381.555mm,材料为n-lak33；
41.优选第三片透镜3厚度为2.001mm，前表面曲率半径为-50.574mm,后表面曲率半径为-202.404mm,材料为zf4；
42.优选第四片透镜4厚度为9.997mm，前表面曲率半径为163.695mm,后表面曲率半径为29.254mm,材料为zf4；；
43.优选第五片透镜5厚度为9.998mm，前表面曲率半径为32.155mm,后表面曲率半径为-67.867mm,材料为n-lak33；
44.优选第六片透镜6厚度为9.998mm，前表面曲率半径为21.738mm,后表面曲率半径为16.053mm,材料为n-lak33；
45.优选第七片透镜7厚度为7.545mm，前表面曲率半径为23.575mm,后表面曲率半径为-43.099mm,材料为n-lak33；
46.优选第八片透镜8厚度为3.815mm，前表面曲率半径为-28.920mm,后表面曲率半径为40.259mm,材料为zf4；
47.技术指标：f数为1.25；视场大小为
±
13
°
；系统单像元尺寸为：15μm
×
15μm，aps面阵数n*n＝1024*1024。口径为22.912mm，焦距为37mm，视场大小为2ω＝
±
13
°
；全系统体积小于80
×
45.824
×
45.824mm3。
48.图2，图3，图4分别给出了基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，-30℃，20℃，50℃的点列图，从图中可以看出：系统在20℃可见光波段中，最大的rms值为13.199μm，在中心视场处，rms仅为8.729μm。系统在-30℃可见光波段中，最大的rms值为11.731μm，在中心视场处，rms仅为5.837μm。系统在50℃可见光波段中，最大的rms值为17.267μm，在中心视场处，rms仅为13.554μm。
49.图5，图6，图7分别给出了基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在-30℃，20℃，50℃的mtf曲线图，从图中可以看出：系统在-30℃可见光波段时mtf值大于0.6，系统在20℃可见光波段时mtf值大于0.4，系统在50℃可见光波段时mtf值大于0.5。
50.图8，图9，图10分别给出了基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头在-30℃，20℃，50℃的包围圆能量曲线图，从图中可以看出：系统在-30℃可见光波段时15μm几何圈入能量大于0.8，系统在20℃可见光波段时15μm几何圈入能量大于0.7，系统在50℃可见
光波段时15μm几何圈入能量大于0.77。
51.综上所述，本发明的天基可见光基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，采用球面透镜折射结构实现良好的成像质量降低系统加工装调的难度，同时减小系统的体积和重量。通过光学材料和，结构材料的合理搭配以及透镜组光焦度的合理分配降低温度变化对光学系统性能的影响，系统在较宽的温度范围内具有良好的成像质量，环境适应性优异。本发明可以应用于航天星敏感器领域。
52.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
28.920mm，后表面曲率半径为40.240mm～40.260mm，材料为zf4。9.如权利要求2所述的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，其特征在于：第一片透镜厚度为2.004mm，前表面曲率半径为66.266mm,后表面曲率半径为66.176mm,材料为石英玻璃；第二片透镜厚度为6.017mm，前表面曲率半径为45.229mm,后表面曲率半径为381.555mm,材料为镧冕玻璃；第三片透镜厚度为2.001mm，前表面曲率半径为-50.574mm,后表面曲率半径为-202.404mm,材料为重火石玻璃；第四片透镜厚度为9.997mm，前表面曲率半径为163.695mm,后表面曲率半径为29.254mm,材料为重火石玻璃第五片透镜厚度为9.998mm，前表面曲率半径为32.155mm,后表面曲率半径为-67.867mm,材料为镧冕玻璃第六片透镜厚度为9.998mm，前表面曲率半径为21.738mm,后表面曲率半径为16.053mm,材料为镧冕玻璃；第七片透镜厚度为7.545mm，前表面曲率半径为23.575mm,后表面曲率半径为-43.099mm,材料为镧冕玻璃；第八片透镜厚度为3.815mm，前表面曲率半径为-28.920mm,后表面曲率半径为40.259mm,材料为重火石玻璃。10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，其特征在于：基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头中的探测谱段为：0.45～0.75μm；口径大小为20mm～25mm视场范围为10
°
～15
°×
10
°
～15
°
；f数为1.0～1.5；系统单像元尺寸为：10μm～17μm
×
10μm～17μm；aps面阵数为n*n＝1024*1024；口径大小为22.912mm视场范围为13
°×
13
°
；f数为1.25；系统单像元尺寸为：15μm
×
15μm；aps面阵数为n*n＝1024*1024。

技术总结
本发明公开的基于有源像素传感器的大视场星敏感光学镜头，属于航天器姿态控制领域。本发明包括八面采用不同玻璃的球面透镜。其中所述的光学镜头前端的第一片透镜、第二片透镜为球面透镜，可见光光束经第一片透镜、第二片透镜四次折射实现对可见光光束的畸变与少量慧差的校正。可见光光束经第三片透镜、第四片透镜的两次折射实现对可见光光束的球差的校正，第三片透镜在校正球差的过程中引入了新的慧差，而在第四片透镜的配合下消除所述引入的新的慧差，并在第四片透镜处设置孔径光阑。可见光光束在经过第五片球面透镜、第六片球面透镜、第七片球面透镜、第八片球面透镜时，通过八次折射实现对可见光光束，像散，畸变，剩余球差的控制与校正。的控制与校正。的控制与校正。


技术研发人员：邢阳光 张梓扬 李林 刘越 黄一帆
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/10/15