一种小F数空间碎片广域探测光学系统的制作方法

一种小f数空间碎片广域探测光学系统
技术领域
1.本发明属于空间光学系统技术领域，具体涉及一种小f数空间碎片广域探测的光学系统。


背景技术：

2.太空中无序的散布着完成任务的航天器涂层碎片、火箭上级残骸、用于保护卫星的整流罩残骸、报废的卫星等空间碎片，其速度超过20马赫。日益增加的空间碎片影响着通信、导航、遥感、气象和空间探测等活动，对未来空间开发利用造成了许多困难。空间碎片如果与航天器发生碰撞将造成航天器表面损伤，改变航天器表面性能，导致航天器系统故障。因此发射航天器之前必须观察并确定航天器的发射轨道和运行轨道上经过的空间碎片数量。
3.现探测空间碎片常使用空间碎片广域探测光学系统，空间碎片广域探测光学系统不同于一般的光学探测系统，其光学设计要求主要有以下几个方面：
4.(1)f的数值越小，探测能力越强，弱小空间碎片目标可以被探测；
5.(2)空间碎片广域探测光学系统视场大，短时间内即可完成目标区域内的碎片探测；
6.(3)视场内弥散斑直径与探测器2*2或3*3像元接近；
7.(4)各个视场弥散斑大小分布均匀恒定；
8.(5)系统光谱范围较宽，光谱宽度至少为400nm。
9.空间碎片广域探测光学系统中焦距、视场、孔径、光谱范围增大直接影响光学系统的球差、慧差、畸变、场曲和垂轴色差。特别是在空间碎片广域探测光学系统焦距一定的情况下减小f数，会极大的增加光学系统的设计难度。目前公布的空间碎片广域探测光学系统存在着以下问题：若视场大f数，则畸变较大，系统探测能力有限；若f数小，则视场角较小，系统时效性较低，同时光谱范围较窄，不能满足大视场、小f数空间碎片广域探测的光学系统需求。


技术实现要素：

10.为了解决现有空间碎片广域探测光学系统中若f数小，则视场角较小，系统时效性较低，同时光谱范围较窄，不能满足大视场、小f数空间碎片广域探测的光学系统需求的问题。
11.本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：
12.提供了一种小f数空间碎片广域探测光学系统，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、第二正透镜、孔径光阑、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，其中第三负透镜有一表面为高次非球面，第四负透镜有一表面为二次曲面；
13.第一负透镜的材料为silica，厚度为19mm～25.7mm；
14.第一正透镜的材料折射率为1.51～1.77，厚度为31mm～36mm，第一正透镜的前表面到第一负透镜后表面的间隔为1.55mm～5.65mm；
15.第二负透镜的材料折射率为1.617～1.753，厚度为13mm～18.3mm，第二负透镜前表面到第一正透镜后表面的间隔为8mm～11mm；
16.第二正透镜的材料折射率为1.45～1.585，厚度为31mm～45mm，第二正透镜前表面到第二负透镜后表面的间隔为1.3mm～3.8mm；
17.孔径光阑到第二正透镜的后表面间隔为1mm～2.5mm；
18.第三正透镜的材料折射率为1.65～1.78，厚度为31mm～47mm，第三正透镜前表面到孔径光阑的间隔为0.5mm～1.8mm；
19.第四正透镜的材料折射率为1.41～1.64，厚度为43mm～48mm，第四正透镜前表面到第三正透镜后表面的间隔为1.2mm～7.3mm；
20.第三负透镜的材料折射率为1.53～1.79，厚度为9.9mm～16mm，第三负透镜前表面到第四正透镜后表面的间隔为30mm～45.2mm；
21.第五正透镜的材料折射率为1.40～1.55，厚度为42.5mm～48mm，第五正透镜前表面到第三负透镜后表面的间隔为1.1mm～5.5mm；
22.第四负透镜的材料折射率为1.51～1.72，厚度为6.5mm～8.1mm，第四负透镜前表面到第五正透镜后表面的间隔为61mm～75mm，第四负透镜后表面到探测器像面距离为4.5mm～9mm。
23.进一步的，第一负透镜的焦距f1与系统焦距f关系为：
‑
2.3f<f1<
‑
1.1f；
24.第一正透镜其焦距f2与系统焦距f的关系为：1.3f<f2<1.85f；
25.第二负透镜其焦距f3与系统焦距f的关系为：
‑
1.75f<f3<
‑
1.48f；
26.第二正透镜其焦距f4与系统焦距f的关系为：2.12f<f4<2.55f；
27.第三正透镜其焦距f5与系统焦距f的关系为：2.73f<f5<2.87f；
28.第四正透镜其焦距f6与系统焦距f的关系为：1.65f<f6<1.85f；
29.第三负透镜其焦距f7与系统焦距f的关系为：
‑
1.5f<f7<
‑
1.1f；
30.第五正透镜其焦距f8与系统焦距f的关系为：0.99f<f8<1.22f；
31.第四负透镜其焦距f9与系统焦距f的关系为：
‑
1.1f<f8<
‑
0.61f。
32.进一步的，第一负透镜的前后表面的曲率半径r1、r2分别为：
‑
1.2f<r1<0.92f和6f<r2<8.3f；
33.第一正透镜前后表面的曲率半径r3、r4分别为：1.95f<r3<2.38f和
‑
2.37f<r4<
‑
2.11f；
34.第二负透镜前后表面的曲率半径r5、r6分别为：
‑
1.95f<r5<
‑
1.68f和1.87f<r6<2.91f；
35.第二正透镜前后表面的曲率半径r7、r8分别为：1.73f<r7<1.92f和
‑
2.25f<r8<
‑
1.88f；
36.第三正透镜前后表面的曲率半径r9、r
10
分别为：0.73f<r9<0.92f和1.99f<r
10
<2.42f；
37.第四正透镜前后表面的曲率半径r
11
、r
12
分别为：0.65f<r
11
<0.85f和6.55f<r
12
<7.88f；
38.第三负透镜前后表面的曲率半径r
13
、r
14
分别为：
‑
3.8f<r
13
<
‑
3.25f和1.05f<r
14
<1.71f；
39.第五正透镜前后表面的曲率半径r
15
、r
16
分别为：0.49f<r
15
<0.57f和
‑
2.85f<r
16
<
‑
2.41f；
40.第四负透镜前后表面的曲率半径r
17
、r
18
分别为：
‑
0.42f<r
17
<
‑
0.35f和
‑
9.2f<r
18
<
‑
8.35f。
41.进一步的，第三负透镜的后表面为高次非球面，表达式如下：
[0042][0043]
其中k＝4.276，a＝
‑
1.764e
‑
007，b＝6.193e
‑
012，c＝2.738e
‑
016
[0044]
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，r为透镜半径，a、b、c为高次非球面高次项的系数。
[0045]
进一步的，第四负透镜的前表面为二次非球面，表达式如下：
[0046][0047]
其中k＝
‑
0.3074，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，r为透镜半径。
[0048]
进一步的，光学系统各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
[0049][0050]
其中f
i
为各个透镜的焦距，n
i
为各个透镜的折射率。
[0051]
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。
[0052]
本发明的有益效果是：
[0053]
1.本发明的光学系统中各个透镜光焦度采用
‘
负
‑
正
‑
负
‑
正
‑
正
‑
正
‑
负
‑
正
‑
负’的布局形式，同时结合了相应折射率组合，从而校正了场曲及色差；
[0054]
2.本发明的第一负透镜采用负光焦度用来增加视场，材料采用silica抗辐射，避免该系统使用口径超过200mm防辐射平板窗口，大大减轻系统重量，减小系统长度；
[0055]
3.本发明采用高次非球面及二次非球面校正系统球差，使得光学系统20
°
*20
°
视场范围最80％弥散圆直径控制在12μm
‑
15μm范围内，系统全视场内弥散斑直径变化小于3μm，系统全视场内弥散斑均衡；
[0056]
4.本发明的光学系统光谱范围较宽，达到450nm，同时系统畸变相对较小，最大畸变小于0.2％；
附图说明
[0057]
图1为一种小f数空间碎片广域探测光学系统结构示意图；
[0058]
图2为本实施例提供的光学系统在0
°
、2
°
、4
°
、8
°
的能量集中度曲线；
[0059]
图3为本实施例提供的光学系统10
°
、12
°
、14
°
、
‑
14
°
的能量集中度曲线；
[0060]
图4为本实施例提供的光学系统80％能量圆直径；
[0061]
图5为本实施例提供的光学系统的畸变曲线；
[0062]
图6为本实施例提供的光学系统弥散斑全视场显示图。
[0063]
附图标记如下：
[0064]
1.第一负透镜，2.第一正透镜，3.第二负透镜，4.第二正透镜，stop、孔径光阑，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.孔径光阑，11.探测器像面。
具体实施方式
[0065]
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。
[0066]
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。
[0067]
实施例
[0068]
如图一所示，本实施例提供的一种小f数空间碎片广域探测光学系统的具体结构，该实施例的光学系统f数为1.1，光谱范围450nm
‑
900nm。视场角20
°
*20
°
。
[0069]
其主要组成部分包括沿光传播方向，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、第二正透镜4、孔径光阑10、第三正透镜5、第四正透镜6、第三负透镜7、第五正透镜8、第四负透镜9，其中第三负透镜7有一表面为高次非球面，第四负透镜6有一表面为二次曲面。
[0070]
第一负透镜1的材料为silica，其作为光学系统的防辐射窗口同时也可校正系统像差，同时光学系统采用负透镜可以增加系统视场，其焦距f1与系统焦距f关系为：
‑
2.3f<f1<
‑
1.1f(本实施例中系统焦距f为175mm，优选f1为
‑
354.799mm)。前后表面的曲率半径r1、r2分别为：
‑
1.2f<r1<0.92f和6f<r1<8.3f(本实施例中优选r1为
‑
188.002mm、本实施中优选r2为1185.299mm)，厚度为19mm～25.7mm(本实施例中优选第一负透镜1的厚度为20mm)。
[0071]
第一正透镜2的材料折射率为1.51～1.77，其焦距f2为：1.3f<f2<1.85f(本实施例中优选f2为291.702mm)。前后表面的曲率半径r3、r4分别为：1.95f<r3<2.38f和
‑
2.37f<r4<
‑
2.11f(本实施例中优选r3为359.364mm、本实施例中优选r4‑
380.843mm)，厚度为31mm～36mm(本实施例中优选第一正透镜2厚度为35mm)，第一正透镜2前表面到第一负透镜1后表面的间隔为1.55mm～5.65mm(本实施例中优选第一正透镜2前表面到第一负透镜1后表面的间隔为3.6mm)。
[0072]
第二负透镜3的材料折射率为1.617～1.753，其焦距f3为
‑
1.75f<f3<
‑
1.48f(本实施例中优选f3为
‑
292.536mm)。前后表面的曲率半径r5、r6分别为：
‑
1.95f<r5<
‑
1.68f和1.87f<r6<2.91f(本实施例中优选r5为
‑
300.806mm、本实施例中优选r6为486.994mm)，厚度为13mm～18.3mm(本实施例中优选第二负透镜3的厚度为15mm)，第二负透镜3前表面到第一正透镜2后表面的间隔为8mm～11mm(本实施例中优选第二负透镜3前表面到第一正透镜2后表面的间隔为9.50mm)。
[0073]
第二正透镜4的材料折射率为1.45～1.585，其焦距f4为：2.12f<f4<2.55f(本实施
例中优选f4为404.945mm)。前后表面的曲率半径r7、r8分别为：1.73f<r7<1.92f和
‑
2.25f<r8<
‑
1.88f(本实施例中优选r7为323.969mm、本实施例中优选r8为
‑
368.291mm)，厚度为31mm～45mm(本实施例中优选第二正透镜4厚度为32.63mm)，第二正透镜4前表面到第二负透镜3后表面的间隔为1.3mm～3.8mm(本实施例中优选第二正透镜4前表面到第二负透镜3后表面的间隔为2.55mm)。
[0074]
光学系统孔径光阑10位于第二正透镜后面，孔径光阑10与第二正透镜4后表面的间隔为1mm～2.5mm(本实施例中优选孔径光阑10与第二正透镜4后表面的间隔为1.75mm)。
[0075]
第三正透镜5的材料折射率为1.65～1.78，其焦距f5为：2.73f<f5<2.87f(本实施例中优选f5为499.626mm)。前后表面的曲率半径r9、r
10
分别为：0.73f<r9<0.92f和1.99f<r
10
<2.42f(本实施例中优选r9为142.167mm、本实施例中优选r
10
为388.613mm)，厚度为31mm～47mm(本实施例中优选第三正透镜5的厚度为32.04mm)，第三正透镜5前表面到孔径光阑10的间隔为0.5mm～1.8mm(本实施例中优选第三正透镜5前表面到孔径光阑10的间隔为1.15mm)。
[0076]
第四正透镜6的材料折射率为1.41～1.64，其焦距f6为：1.65f<f6<1.85f(本实施例中优选f6为307.061mm)。前后表面的曲率半径r
11
、r
12
分别为：0.65f<r
11
<0.85f和6.55f<r
12
<7.88f(本实施例中优选r
11
为122mm、本实施例中优选r
12
为1361.202mm)，厚度为43mm～48mm(本实施例中优选第四正透镜6的厚度为44.4mm)；第四正透镜6前表面到第三正透镜5后表面的间隔为1.2mm～7.3mm(本实施例中优选第四正透镜到6前表面第三正透镜5后表面的间隔为4.25mm)。
[0077]
第三负透镜7的材料折射率为1.53～1.79，其焦距f7为：
‑
1.5f<f7<
‑
1.1f(本实施例中优选f7为
‑
233.821mm)。前后表面的曲率半径r
13
、r
14
分别为：
‑
3.8f<r
13
<
‑
3.25f和1.05f<r
14
<1.71f(本实施例中优选r
13
为
‑
591.053mm、本实施例中优选r
14
为197.909mm)，厚度为9.9mm～16mm(本实施例中优选第三负透镜7的厚度为10mm)；第三负透镜7前表面到第四正透镜6后表面的间隔为30mm～45.2mm(本实施例中优选第三负透镜7前表面到第四正透镜6后表面的间隔为37.6mm)，其中第三负透镜7的后表面为高次非球面，主要用来平衡系统初级、高级球差，表达式如下：
[0078][0079]
其中k＝4.276，a＝
‑
1.764e
‑
007，b＝6.193e
‑
012，c＝2.738e
‑
016
[0080]
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，r为透镜半径，a、b、c为高次非球面高次项的系数。
[0081]
第五正透镜8的材料折射率为1.40～1.55，其焦距f8为：0.99f<f8<1.22f(本实施例中优选f8为178.882mm)。前后表面的曲率半径r
15
、r
16
分别为：0.49f<r
15
<0.57f和
‑
2.85f<r
16
<
‑
2.41f(本实施例中优选r
15
为90.203mm、本实施例中优选r
16
为
‑
456.425mm)，厚度为42.5mm～48mm(本实施例中优选第五正透镜8的厚度为45mm)；第五正透镜8前表面到第三负透镜7后表面的间隔为1.1mm～5.5mm(本实施例中优选第五正透镜8前表面到第三负透镜7后表面的间隔为3.3mm)。
[0082]
第四负透镜9的材料折射率为1.51～1.72，其焦距f9为：
‑
1.1f<f8<
‑
0.61f(本实施例中优选f9为
‑
131.891mm)。前后表面的曲率半径r
17
、r
18
分别为：
‑
0.42f<r
17
<
‑
0.35f和
‑
9.2f<r
18
<
‑
8.35f(本实施例中优选r
17
为
‑
73.161mm、本实施例中优选r
18
为
‑
1482.94mm)，厚度为厚度为6.5mm～8.1mm(本实施例中优选第四负透镜9的厚度为8mm)；第四负透镜9到第五正透镜8的间隔为61mm～75mm(本实施例中优选第四负透镜9前表面到第五正透镜8后表面的间隔为68mm)，第四负透镜9后表面到探测器像面11距离为4.5mm～9mm(本实施例中优选第四负透镜9后表面到探测器像面的间隔为6.75mm)；其中第四负透镜的9前表面为二次曲面，主要用来进一步平衡系统初级、高级球差，表达式如下：
[0083][0084]
其中k＝
‑
0.3074，上式中，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为透镜半径，k为非球面口径。
[0085]
光学系统各透镜的焦距与其对应的折射率满足下列关系式：
[0086][0087]
其中f
i
为各个透镜焦距，n
i
为各个透镜对应折射率，上式接近于零则系统场曲得到校正。
[0088]
如图2和图3所示的上述实施例光学系统在0
°
、2
°
、4
°
、8
°
、10
°
、12
°
、14
°
、
‑
14
°
的能量集中度曲线。结合图4可以看出全视场内系统80％能量圆直径均小于15μm，能量圆直径主要位于12.85μm
‑
14.51μm区间。
[0089]
如图5所示的上述实施例提供的光学系统畸变曲线图，可以看出，全视场畸变小于0.2％。
[0090]
图6为上述实施例提供的光学系统弥散斑全视场显示图，从图中可以看出本光学系统的全视场弥散斑大小均衡，像质优良。
[0091]
由此可见，本发明的一种小f数空间碎片广域探测光学系统的光学系统，校正了场曲及色差，减轻了系统的重量，使得系统全视场内弥散斑直径变化小，弥散斑分布均匀，系统畸变小。