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專利名稱：短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種物鏡系統(tǒng)，特別涉及短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在軌飛行的兩個(gè)飛行器實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)接，需要采用特殊的對(duì)接機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的光電設(shè)備中，對(duì)目標(biāo)飛行器位置姿態(tài)測(cè)量通常采用星敏感器對(duì)恒星成像，由所成恒星像通過查找星歷表進(jìn)而確定目標(biāo)飛行器的姿態(tài)位置。但星敏感器是對(duì)無窮遠(yuǎn)恒星成像，對(duì)無窮遠(yuǎn)恒星成像焦面位于CCD表面，但跟蹤飛行器在與目標(biāo)飛行器不斷靠近過程中，同一視場(chǎng)目標(biāo)飛行器上的標(biāo)志燈成像在跟蹤飛行器上的星敏感器CXD上將產(chǎn)生較大的像移，無法準(zhǔn)確計(jì)算標(biāo)志燈質(zhì)心位置，尤其軸外視場(chǎng)標(biāo)志燈質(zhì)心位置將隨兩飛行器相對(duì)距離的變化而發(fā)生大幅度變化，造成計(jì)算電路計(jì)算姿態(tài)位置測(cè)量的錯(cuò)誤，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)在有限距離、跟蹤飛行器與目標(biāo)飛行器在軌對(duì)接時(shí)對(duì)目標(biāo)飛行器實(shí)時(shí)姿態(tài)位置測(cè)量的要求。短波紅外光源指780nm 3000nm范圍內(nèi)的電磁波。采用短波紅光源外作為標(biāo)志燈發(fā)出的信號(hào)光可以避開太陽強(qiáng)輻照譜段光對(duì)空間跟蹤捕捉物鏡成像影響。如果從目標(biāo)飛行器上若干個(gè)標(biāo)志燈發(fā)出或反射的信號(hào)光在跟蹤飛行器上的跟蹤捕捉物鏡成像，所得標(biāo)志燈質(zhì)心像通過鑲嵌在跟蹤飛行器內(nèi)部的計(jì)算電路與存儲(chǔ)的姿態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)在一定物距范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)飛行器進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度姿態(tài)測(cè)量。這種方法需要飛行器姿態(tài)位置測(cè)量物鏡對(duì)目標(biāo)飛行器上標(biāo)志燈成像，且要求同一視場(chǎng)的標(biāo)志燈在一定物距范圍內(nèi)成像位置不變，即要求此物鏡具有一定的像方遠(yuǎn)心特性，同時(shí)工作波長(zhǎng)適合工作在太空環(huán)境中?，F(xiàn)有技術(shù)中的像方遠(yuǎn)心物鏡達(dá)不到飛行器姿態(tài)位置測(cè)量物鏡的要求，例如:申請(qǐng)?zhí)枮?01210095425.6的中國(guó)專利揭露了一種高投射比投影物鏡，該高投射比投影物鏡具有正光焦度的第一鏡組、具有正光焦度的第二鏡組、光闌及顯示芯片，具有像方遠(yuǎn)心的性質(zhì)。該物鏡光學(xué)總長(zhǎng)123.61mm，具有兩個(gè)非球面。此鏡頭含有11片透鏡，兩個(gè)非球面，無法滿足結(jié)構(gòu)緊湊輕量化、透鏡元件加工檢測(cè)難度低的目的，同時(shí)該物鏡適用于可見光波段，無法在近紅外波段良好成像。申請(qǐng)?zhí)枮?00910206333.9的中國(guó)專利揭露了一種定焦鏡頭，該定焦鏡頭包括三個(gè)透鏡群，具有正光焦度的第一透鏡群、具有正光焦度的第二透鏡群、具有正光焦度的第三透鏡群，共7片透鏡，有較小的像方視場(chǎng)角。該鏡頭具有8個(gè)非球面，存在一定的加工檢測(cè)難度，同時(shí)該定焦鏡頭適用于可見光波段，無法在近紅外波段良好成像。申請(qǐng)?zhí)枮?00910020932.1的中國(guó)專利揭露了一種全反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)由5片反射鏡構(gòu)成，具有像方遠(yuǎn)心、高分辨觀測(cè)、不受使用波長(zhǎng)嚴(yán)格限制的光學(xué)性質(zhì)。但系統(tǒng)中含有一片拋物反射面、一片雙曲面反射面、一片高次非球面、一片凹橢球面，對(duì)于加工檢測(cè)存在較大難度，同時(shí)該光學(xué)系統(tǒng)口徑較大導(dǎo)致體積過大，較小的視場(chǎng)導(dǎo)致在物距不大時(shí)觀測(cè)視場(chǎng)范圍過小。
上述專利中的成像設(shè)備在有限物距發(fā)生變化時(shí)，某一視場(chǎng)的入射光在像面成像能量質(zhì)心位置將發(fā)生變化，同時(shí)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)將占用較大的空間體積，空間適應(yīng)性未知，其自身重量帶來的發(fā)射成本也將會(huì)相應(yīng)增加。因此發(fā)明一種大視場(chǎng)、，體積小巧、占用空間少、有限物距變化下全視場(chǎng)成像質(zhì)心位置穩(wěn)定、適應(yīng)太空溫度變化大的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)是亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案在于，短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng):自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片、前鏡組、后鏡組和CCD ;前鏡組從左至右依次為第一彎月透鏡、第二彎月透鏡，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向CXD ;后鏡組從左至右依次為第三彎月透鏡、雙凸透鏡，第三彎月透鏡彎向前鏡組；前鏡組和后鏡組中的透鏡均為球面鏡；信號(hào)光經(jīng)過平板濾波片、前鏡組和后鏡組后成像在CXD上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1、該物鏡系統(tǒng)可以克服用CXD對(duì)不同距離目標(biāo)飛行器跟蹤捕捉存在的成像缺陷，該物鏡系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑、0.5 130m物距范圍內(nèi)各視場(chǎng)信號(hào)光在像面位置穩(wěn)定，常溫下(20°C)各視場(chǎng)絕對(duì)畸變小于lym，-70°C +70°C、0.5 130m物距范圍內(nèi)各視場(chǎng)信號(hào)光絕對(duì)畸變小于±1.5 ii m,彌散圓幾何形狀中心對(duì)稱、能量集中度好；2、光學(xué)兀件徑向尺寸小，最大通光直徑小于16.3mm ;結(jié)構(gòu)緊湊，光學(xué)總長(zhǎng)小于40mm ;重量輕，光學(xué)總重量小于9.73g，空間占有體積小，節(jié)約發(fā)射成本、節(jié)省安裝空間；3、系統(tǒng)主要采用5片透鏡(I片平板濾波片，3片彎月透鏡，I片雙凸透鏡)，沒有采用非球面光學(xué)表面，沒有采用衍射元件，制造、檢測(cè)難度大大降低；4、全系統(tǒng)無膠合面，沒有采用特種光學(xué)玻璃，環(huán)境溫度變化較大情況下絕對(duì)畸變變化量較小，彌散圓能量集中度較好、定焦距的設(shè)計(jì)使其空間工作可靠性高；5、全視場(chǎng)內(nèi)無漸暈，各視場(chǎng)信號(hào)光在像面成像照度均勻性好。


圖1為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下0.5m物距畸變圖。圖3為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下Im物距畸變圖。圖4為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下130m物距畸變圖。圖5為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下0.5m物距彌散圓幾何分布圖。圖6為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下Im物距彌散圓幾何分布圖。圖7為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下130m物距彌散圓幾何分布圖。圖8為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下0.5m物距彌散圓能量分布圖。圖9為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下Im物距彌散圓能量分布圖。圖10為短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)在850nm光源波長(zhǎng)下130m物距彌散圓能量分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，一種短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片1、前鏡組2、后鏡組3和(XD4 ;前鏡組2從左至右依次為第一彎月透鏡2-1、第二彎月透鏡2-2，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向(XD4 ;后鏡組3從左至右依次為第三彎月透鏡3-1、雙凸透鏡3-2，第三彎月透鏡彎向前鏡組2 ;前鏡組2和后鏡組3中的透鏡均為球面鏡；光經(jīng)過平板濾波片1、前鏡組2和后鏡組3后成像在(XD4上。以上透鏡的光學(xué)參數(shù)如下:表I
權(quán)利要求
1.短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征是，自左至右同軸設(shè)置:平板濾波片(I)、前鏡組(2)、后鏡組(3)和CXD (4);前鏡組(2)從左至右依次為第一彎月透鏡(2-1)、第二彎月透鏡(2-2)，第一彎月透鏡(2-1)及第二彎月透鏡(2-2)都彎向CXD (4);后鏡組(3)從左至右依次為第三彎月透鏡(3-1)、雙凸透鏡(3-2)，第三彎月透鏡彎向前鏡組(2);前鏡組(2)和后鏡組(3)中的透鏡均為球面鏡；光經(jīng)過平板濾波片(I)、前鏡組(2)和后鏡組(3)后成像在CXD (4)上；以上透鏡的光學(xué)參數(shù)如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，平板濾波片(I)左邊同軸設(shè)置平板玻璃，作為該物鏡系統(tǒng)的保護(hù)玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，平板濾波片(1-2)前后表面鍍制減反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，第一彎月透鏡(2-1)為正光焦度，第二彎月透鏡(2-2)為負(fù)光焦度，第三彎月透鏡(3-1)為正光焦度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，CXD (4)左邊同軸設(shè)置平板玻璃，作為CXD (4)的保護(hù)玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，其特征在于，該物鏡系統(tǒng)適用波段0.79 0.88 iim，全視場(chǎng)2 彡32°，焦距f' =20mm，相對(duì)孔徑:D/f' =1/2.85，分辨率在全視場(chǎng)、0.5m 130m、全波段絕對(duì)畸變小于1.5iim，色偏差(0.5iim，工作 溫度:-70°C +70°C。
全文摘要
短波紅外大視場(chǎng)輕小型飛行器捕捉跟蹤物鏡系統(tǒng)，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)自左至右同軸設(shè)置平板濾波片、前鏡組、后鏡組和CCD；前鏡組從左至右依次為第一彎月透鏡、第二彎月透鏡，第一彎月透鏡及第二彎月透鏡都彎向CCD；后鏡組從左至右依次為第三彎月透鏡、雙凸透鏡，第三彎月透鏡彎向前鏡組；前鏡組和后鏡組中的透鏡均為球面鏡；信號(hào)光經(jīng)過平板濾波片、前鏡組和后鏡組后成像在CCD上，該系統(tǒng)適用波段0.79～0.88μm，全視場(chǎng)2ω≥32°，焦距f′=20mm，相對(duì)孔徑D/f′=1/2.85，分辨率在全視場(chǎng)、0.5m～130m、全波段絕對(duì)畸變小于1.5μm，色偏差≤0.5μm，工作溫度-70℃～+70℃。
文檔編號(hào)G01C21/24GK103207444SQ20131009489
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者劉偉奇, 呂博, 張大亮, 姜珊, 康玉思 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所