一种低成本小尺度空间碎片广域探测光学系统

技术领域

本发明涉及一种空间光学系统，具体涉及一种低成本小尺度空间碎片广域探测光学系统。

背景技术

在空间碎片研究过程中，最令人担忧的是“凯斯勒综合症”(KesslerSyndrome)，即空间碎片相互碰撞后必然会产生更多、更小的空间碎片，类似于雪崩式反应，导致空间碎片的数量急剧增加。唐纳德凯斯勒指出：若空间碎片的一系列碰撞到达一个触发点，则可能会产生链式反应，使空间碎片问题不断恶化。以高于28000km/h速度运行的空间碎片可以刺穿宇航员的宇航服，或使航天飞机的窗户产生严重裂痕，直径为10cm的空间碎片可以摧毁一颗遥感卫星或通信卫星，或者其他昂贵的太空资产，而卫星表面的保护罩只能保护其不受直径小于1cm空间碎片的撞击。

目前，我们面临的最大威胁是高速运行的空间碎片，它们可能撞毁通信卫星、关键航天器，甚至危害宇航员生命，同时坠落的碎片也可能造成其他财产损失，甚至伤亡事故，空间碎片甚至直接会损坏航天器功能部件，导致航天器系统故障或失效。

因此，通过对小尺度空间碎片的探测，可以精确掌握太空中在轨工作航天器及空间碎片的轨道信息，才能规避风险、防止撞击事件的发生，可以实现空间碎片监测预警。

为探测更小的空间碎片，需要增加光学系统的口径、光谱范围。而光学系统口径、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，极大的增加了系统的设计难度。现公布的光学系统存在视场大的入瞳直径较小，系统探测能力有限；或光学系统元件数、非球面数量过多，使得系统成本较高，不能满足空间碎片广域探测的光学系统需求。

发明内容

本发明提供了一种低成本小尺度空间碎片广域探测光学系统，其性能指标优良，入瞳直径超过100mm，光谱范围450nm-850nm，能够在22°*22°视场范围满足空间碎片广域探测的使用要求，用于解决目前光学系统存在视场大的入瞳直径较小，系统探测能力有限的问题，以及现有光学系统元件数和非球面数量过多，使得系统成本较高的问题。

为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

一种低成本小尺度空间碎片广域探测光学系统，其特殊之处在于：包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一正透镜、第二负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜以及相面；

所述第一正透镜用于校正系统正球差、负彗差和正象散；第一正透镜1的前表面为高次非球面，用于校正系统球差；

所述第一负透镜用于校正系统正球差、正彗差和负畸变；

所述第二正透镜用于校正系统色差；

所述第三正透镜用于校正系统正轴向色差；

所述第二负透镜用于校正系统正球差和正畸变；

所述第三负透镜用于校正系统正场曲和正畸变。

进一步地，所述第一正透镜的焦距f1与系统焦距f关系为1.5f

所述第一负透镜的焦距f2与系统焦距f关系为：-1.25f

所述第二正透镜的焦距f3与系统焦距f关系为：0.75f

所述第三正透镜的焦距f4与系统焦距f关系为：1.25f

所述第二负透镜的焦距f5与系统焦距f关系为：-2.3f

所述第三负透镜的焦距f6与系统焦距f关系为：-0.8f

进一步地，所述第一正透镜中前表面的曲率半径R1为0.53f

所述第一负透镜中前表面的曲率半径R3为1.21f

所述第二正透镜中前表面的曲率半径R5为0.51f

所述第三正透镜中前表面的曲率半径R7为-3.1f

所述第二负透镜中前表面的曲率半径R9为-0.4f

所述第三负透镜中前表面的曲率半径R11为-0.45f

进一步地，所述第一正透镜的厚度t1为0.09f

所述第一负透镜的厚度t2为0.079f

所述第二正透镜的厚度t3为0.11f

所述第三正透镜的厚度t4为0.09f

所述第二负透镜的厚度t5为0.05f

所述第三负透镜的厚度t6为0.025f

进一步地，第一负透镜的前表面到第一正透镜的后表面的距离d1为0.14f

第二正透镜前表面到第一负透镜的后表面之间的距离d2为0.18f

第三正透镜的前表面到第二正透镜的后表面的距离d3为0.21f

第二负透镜前表面到第三正透镜后表面的距离d4为0.03f

第三负透镜的前表面到第二负透镜的后表面的距离d5为0.35f

第三负透镜后表面到像面的距离d6为0.02f

进一步地，所述第一正透镜的前表面为高次非球面，主要用来校正系统球差，其表达式如下：

其中K＝-4～-0.5，A＝-9.4e-009～-7.4e-011，B＝-1.3e-010～-2.5e-14，C＝-3.3e-015～-2.7e-19，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为非球面口径，K为二次曲面系数，A、B、C为高次非球面高次项的系数。

进一步地，焦距f为250mm；

所述第一正透镜的折射率为1.43，阿贝数为90，焦距f1为441.33mm，前表面的曲率半径R1为191.34mm，后表面为平面，厚度t1为24.94mm；

所述第一负透镜中的折射率为1.6，阿贝数为45，焦距f2为-296.18mm，前表面的曲率半径R3为328.81mm，后表面的曲率半径R4为117.02mm，厚度t2为20mm；第一负透镜的前表面到第一正透镜的后表面的距离d1为39.17mm；

所述第二正透镜的折射率为1.45，阿贝数为92，焦距f3为195.80mm，前表面的曲率半径R5为136.77mm，后表面的曲率半径R6为-208.95mm，厚度t3为30mm，第二正透镜的前表面到第一负透镜的后表面的距离d2为48.45mm；

所述第三正透镜折射率为1.44，阿贝数为88，焦距f4为329.34mm，前表面的曲率半径R7为：-741.85mm，后表面的曲率半径R8为-122.11mm，厚度t4为25mm，第三正透镜的前表面到第二正透镜的后表面的距离d3为58mm；

所述第二负透镜的折射率为1.69，阿贝数为40，焦距f5为-549.51mm，前表面的曲率半径R9为-96.81mm，后表面的曲率半径R10为-140.7mm，厚度t5为15mm，第二负透镜的前表面到第三正透镜的后表面的距离d4为8.35mm；

所述第三负透镜的折射率为1.5，阿贝数为61，焦距f6为-175.68mm。前表面的曲率半径R11为-103.39mm，后表面的曲率半径R12为757.56mm，厚度t6为7.5mm；第三负透镜前表面到第二负透镜后表面的距离d5为95.27mm；第三负透镜后表面到像面的距离d6为7mm。

进一步地，入瞳口径为100mm，设计波长为450nm～850nm；视场角为22°，焦距f为200mm

所述第一正透镜的折射率为1.65，阿贝数为82，焦距f1为353.06mm，前表面的曲率半径R1为153.71mm，后表面为平面，厚度为t1为19.63mm；

所述第一负透镜的折射率为1.43，阿贝数为45，焦距f2为-236.96mm，前表面的曲率半径R3为262.59mm，后表面的曲率半径R4为93.69mm，厚度t2为15.99mm，第一负透镜的前表面到第一正透镜的后表面的距离d1为31.34mm；

所述第二正透镜的折射率为1.44，阿贝数为81，焦距f3为156.64mm，前表面的曲率半径R5为109.82mm，后表面的曲率半径R6为-166.05mm，厚度t3为24mm，第二正透镜的前表面到第一负透镜的后表面的距离d2为38.58mm；

所述第三正透镜的折射率为1.4，阿贝数为80，焦距f4为263.47mm，前表面的曲率半径R7为：-573.37mm，后表面的曲率半径R8为-97.45mm，厚度t4为20mm，第三正透镜的前表面到第二正透镜的后表面的距离d3为46.7mm；

所述第二负透镜的材料折射率为1.6，阿贝数为37，焦距f5为-439.6mm，前表面的曲率半径R9为-77.52mm，后表面的曲率半径R10为-112.38mm，厚度t5为12mm，第二负透镜的前表面到第三正透镜的后表面的距离d4为6.6mm；

所述第三负透镜的折射率为1.55，阿贝数为65，焦距f6为-140.54mm。前表面的曲率半径R11为-82.46mm，后表面的曲率半径R12为618.5mm，厚度t6为6mm；第三负透镜前表面到第二负透镜后表面的距离d5为76.54mm；第三负透镜后表面到像面的距离d6为6.6mm。

进一步地，所述第一透镜的前表面为高次非球面，表达式如下：

其中K＝-1.7003，A＝-8.4025e-009，B＝-1.3796e-012，C＝-3.3116e-017，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为非球面口径，K为二次曲面系数，A、B、C为高次非球面高次项的系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明中采用多个镜片相互配合使用，以及第一正透镜的前表面为非球面，实现了入瞳直径超过100mm，并且在22°视场范围内80％弥散圆直径控制在12μm-18μm范围内，光学系统全视场内弥散斑均衡。

2.本发明中第一正透镜前表面为高次非球面，后表面为平面，可以透过后表面检测前表面，加工检测难度较小，同时本光学系统中非球面和元件数量少，成本较低。

附图说明

图1为本发明大尺度低畸变空间碎片探测光学系统的结构示意图。

图2为本发明实施例一中大尺度低畸变空间碎片探测光学系统探测得到的能量集中度曲线

图3为本发明实施例一中大尺度低畸变空间碎片探测光学系统探测得到的80％能量圆直径。

图4为本发明实施例一中大尺度低畸变空间碎片探测光学系统探测得到的像差畸变曲线。

图5为本发明实施例二中大尺度低畸变空间碎片探测光学系统探测得到的能量集中度曲线

图6为本发明实施例二中大尺度低畸变空间碎片探测光学系统探测得到的80％能量圆直径。

其中，1、第一正透镜，2、第一负透镜，3、第二正透镜，4、第三正透镜，5、第二负透镜，6、第三负透镜，7、相面。

具体实施方式

下面结合具体实施方案与附图对本发明做进一步阐述。

一种低成本小尺度空间碎片广域探测光学系统，如图1所示，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的第一正透镜1、第二负透镜2、第二正透镜3、第三正透镜4、第二负透镜5、第三负透镜6以及相面7，其中第一正透镜1的前表面为高次非球面。

第一正透镜1主要用来校正系统正球差、负彗差和正象散，其折射率为1.42～1.73，阿贝数为78～95，焦距f1与系统焦距f关系为1.5f

其中K＝-4～-0.5，A＝-9.4e-009～-7.4e-011，B＝-1.3e-010～-2.5e-014，C＝-3.3e-015～-2.7e-19，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为非球面口径，K为二次曲面系数，A、B、C为高次非球面高次项的系数。

第一负透镜2主要用来校正系统正球差、正彗差和负畸变，其折射率为1.4～1.75，阿贝数为41～45，焦距f2为：-1.25f

第二正透镜3主要用来校正系统色差，其折射率为1.4～1.75，阿贝数为69～92，焦距f3为：0.75f

第三正透镜4主要用来校正系统正轴向色差，其折射率为1.39～1.69，阿贝数为77～88，焦距f4为：1.25f

第二负透镜5主要用来校正系统正球差和正畸变，其材料折射率为1.43～1.7，阿贝数为35～41，焦距f5为：-2.3f

第三负透镜6主要用来校正系统正场曲和正畸变，其折射率为1.49～1.75，阿贝数为60～69，焦距f6为：-0.8f

实施例一

入瞳口径为125mm，设计波长为450nm～850nm，视场角22°，焦距f为250mm，使得能量集中度80％能量集中在直径18μm圆内，并且畸变小于1％。

第一正透镜1的折射率为1.43，阿贝数为90，焦距f1为441.33mm，前表面的曲率半径R1为：191.34mm，后表面为平面，厚度为t1为24.94mm；其中第一透镜的前表面为高次非球面，主要用来校正系统球差，表达式如下：

其中K＝-1.7003，A＝-9.4025e-009，B＝-1.3796e-012，C＝-3.3116e-017，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为非球面口径，K为二次曲面系数，A、B、C为高次非球面高次项的系数。

第一负透镜2的折射率为1.6，阿贝数为45，其焦距f2为-296.18mm，前表面的曲率半径R3为328.81mm，后表面的曲率半径R4为117.02mm，厚度t2为20mm；第一负透镜2的前表面到第一正透镜1的后表面的距离d1为39.17mm。

第二正透镜3的折射率为1.45，阿贝数为92，焦距f3为195.80mm，前表面的曲率半径R5为136.77mm，后表面的曲率半径R6为-208.95mm，厚度t3为30mm；第二正透镜3的前表面到第一负透镜2的后表面的距离d2为48.45mm。

第三正透镜4的折射率为1.44，阿贝数为88，焦距f4为329.34mm，前表面的曲率半径R7为：-741.85mm，后表面的曲率半径R8为-122.11mm，厚度t4为25mm，第三正透镜4的前表面到第二正透镜3的后表面的距离d3为58mm。

第二负透镜5的折射率为1.69，阿贝数为40，焦距f5为-549.51mm，前表面的曲率半径R9为-96.81mm，后表面的曲率半径R10为-140.7mm，厚度t5为15mm，第二负透镜5的前表面到第三正透镜4的后表面的距离d4为8.35mm。

第三负透镜6的折射率为1.5，阿贝数为61，焦距f6为-175.68mm。前表面的曲率半径R11为-103.39mm，后表面的曲率半径R12为757.56mm，厚度t6为7.5mm；第三负透镜6前表面到第二负透镜5后表面的距离d5为95.27mm；第三负透镜6后表面到像面7的距离d6为7mm。

如图2所示的上述实施例提供的光学系统在0°、3°、7°、11°的能量集中度曲线，如图3所示可以看出全视场内系统80％能量圆直径均小于18μm，能量圆直径大小范围控制在13.85μm-17.43μm之内。

如图4所示的上述实施例提供的光学系统畸变曲线图，可以看出全视场小于0.1％。

实施例二

若将系统口径、焦距或视场减小，系统弥散斑将同时减小。

入瞳口径为100mm，设计波长为450nm～850nm；视场角为22°，且为圆视场，焦距f为200mm，使得能量集中度80％能量集中在直径14μm圆内，并且畸变小于1％。

第一正透镜1的折射率为1.65，阿贝数为82，焦距f1为353.06mm，前表面的曲率半径R1为：153.71mm，后表面为平面，厚度为t1为19.63mm；其中第一透镜的前表面为高次非球面，主要用来校正系统球差，表达式如下：

其中K＝-1.7003，A＝-8.4025e-009，B＝-1.3796e-012，C＝-3.3116e-017，z为不同口径下非球面矢高，c为非球面曲率，r为非球面口径，K为二次曲面系数，A、B、C为高次非球面高次项的系数。

第一负透镜2的折射率为1.43，阿贝数为45，其焦距f2为-236.96mm，前表面的曲率半径R3为262.59mm，后表面的曲率半径R4为93.69mm，厚度t2为15.99mm；第一负透镜2的前表面到第一正透镜1的后表面的距离d1为31.34mm。

第二正透镜3的折射率为1.44，阿贝数为81，焦距f3为156.64mm，前表面的曲率半径R5为109.82mm，后表面的曲率半径R6为-166.05mm，厚度t3为24mm；第二正透镜3的前表面到第一负透镜2的后表面的距离d2为38.58mm。

第三正透镜4的折射率为1.4，阿贝数为80，焦距f4为263.47mm，前表面的曲率半径R7为：-573.37mm，后表面的曲率半径R8为-97.45mm，厚度t4为20mm，第三正透镜4的前表面到第二正透镜3的后表面的距离d3为46.7mm。

第二负透镜5的材料折射率为1.6，阿贝数为37，焦距f5为-439.6mm，前表面的曲率半径R9为-77.52mm，后表面的曲率半径R10为-112.38mm，厚度t5为12mm，第二负透镜5的前表面到第三正透镜4的后表面的距离d4为6.6mm。

第三负透镜6的折射率为1.55，阿贝数为65，焦距f6为-140.54mm。前表面的曲率半径R11为-82.46mm，后表面的曲率半径R12为618.5mm，厚度t6为6mm；第三负透镜6前表面到第二负透镜5后表面的距离d5为76.54mm；第三负透镜6后表面到像面7的距离d6为6.6mm。

如图5所示的上述实施例提供的光学系统在0°、3°、7°、11°的能量集中度曲线，如图6所示可以看出全视场内系统80％能量圆直径均小于14μm，能量圆直径大小范围控制在11.08μm-13.95μm之内。