捆绑式星探光学系统

摘要

本发明涉及一种捆绑式星探光学系统涉及天文光学镜头装置，它由高斯量、分辨率一致的四个光学镜头捆绑式地组合成一体，以对空间目标及碎片进行探测，由四个镜头对空间同一目标成像，后把四幅CCD图像叠加在一起，显然受光面积是一个镜头的四倍，也就是倍增了光学系统的相对孔径，有效地解决了在单个镜头上提高相对孔径的技术、工艺和生产制作时难以解决的问题，在相同孔径的镜头中，展现非凡的探测能力。

权利要求

1.一种捆绑式星探光学系统，其特征在于：由高斯量和分辨率一致的四个镜头捆绑式地组合成一个光学系统；

对于单个镜头，其光路结构中沿光线自左向右入射方向依次设有平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D、正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H；

所述单个镜头中平凸透镜A与正月牙透镜B之间的空气间隔为149.34mm，正月牙透镜B与双凹透镜C之间的空气间隔为36.29mm，双凹透镜C与平凸透镜D之间的空气间隔为

0.75mm，平凸透镜D与正月牙透镜E之间的空气间隔为108.84mm， 正月牙透镜E与正月牙透镜F之间的空气间隔为28.26mm，正月牙透镜F与平凹透镜G之间的空气间隔为6.36mm，平凹透镜G与正月牙透镜H之间的空气间隔为14.33mm；

所述单个镜头包括主镜筒及连接于主镜筒后方的调焦镜筒，所述平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D安装于主镜筒内，正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H安装于调焦镜筒内。

2.根据权利要求1所述的捆绑式星探光学系统，其特征在于：所述调焦镜筒外周部上设有两个呈120°角分布的电机，所述两个电机的输出轴经齿轮与调焦环啮合，所述调焦环与调焦镜筒之间设有钢球，并依靠调焦环后侧的调焦压圈进行固定，所述调焦环外周部通过梯形螺纹与调焦座连接，所述调焦座通过径向设置的导钉与调焦镜筒相连，所述调焦座后部通过连接螺钉与摄像机连接法兰相连，所述摄像机连接法兰通过一偏摆球面调整机构与摄像机安装板相连接， CCD摄像机安装在所述摄像机安装板上。

3.根据权利要求2所述的捆绑式星探光学系统，其特征在于：所述调焦镜筒与调焦座之间沿周侧均布有两排12个径向消间隙机构，所述径向消间隙机构包括与调焦座固定连接径向消间隙座，径向消间隙座与调焦镜筒之间设有一轴承，所述轴承与调焦镜筒接触，所述轴承的轴承座设于径向消间隙座内，并由弹簧及弹簧压圈压紧。

4.根据权利要求2所述的捆绑式星探光学系统，其特征在于：所述偏摆球面调整机构包括设于摄像机连接法兰上的螺纹孔的开口球头螺母，所述开口球头螺母的开口内设有连接螺钉，所述连接螺钉穿过开口球头螺母与摄像机安装板实现连接，所述球头螺母与摄像机连接法兰之间设有球型垫圈，所述连接螺钉的螺帽与球头螺母之间也设有球型垫圈。

5.根据权利要求2所述的捆绑式星探光学系统，其特征在于：所述调焦座后部还设有方位调整机构，所述方位调整机构包括固定连接于调节座外周部的调整座，所述调整座一侧设有左方位调整螺栓，另一侧设有右方位调整螺栓，两调整螺栓之间设有方位调整挡板。

6.根据权利要求2所述的捆绑式星探光学系统，其特征在于：所述调焦座与调焦镜筒之间均布有6根拉簧。

说明书

捆绑式星探光学系统

技术领域

[0001] 本发明属于空间探测领域，特别涉及一种捆绑式星探光学系统。

背景技术

[0002] 为了提高光电系统对空间中、高轨道目标的搜索和探测能力，增强光学系统的集光能力，提高镜头的分辨率是最有效的途径；为此，必须极力提高镜头的相对孔径。在本发明前，在光学镜头的设计和制作上，只能“孤军备战”，为增大镜头的相对孔径和有效口径，尽管在设计和工艺攻关方面做足了文章，但是对相对孔径的提高是有限的，无法达到倍增的效果，利用单一光学镜头增大口径来增大它的集光能力，在大相对孔径的光学镜头中，欲再增大相对孔径，它受到了光学设计技术、镜片材料、加工工艺及镜头自重、结构支撑等方面的制约，无法实现倍增的目标。

[0003] 发明内容

[0004] 本发明针对现有技术中的问题，提出了一种倍增相对孔径的途径，提供了一种焦距长、相对孔径大、视场角大、分辨率高的空间目标探测镜头，再把高斯量、分辨率一致的四个探测镜头捆绑式地组合成一体成为星探光学系统，它由四个镜头对空间同一目标成像，后把四幅CCD图像叠加在一起，从而倍增了光学系统的相对孔径，极大地提高了光学系统对空间目标的探测能力。

[0005] 本发明的技术方案是：一种捆绑式星探光学系统，其特征在于：由高斯量和分辨率一致的四个镜头捆绑式地组合成一个光学系统。

[0006] 对于单个镜头，其光路结构中沿光线自左向右入射方向一次设有平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D、正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H。

[0007] 所述单个镜头中平凸透镜A与正月牙透镜B之间的空气间隔为149.34mm，正月牙透镜B与双凹透镜C之间的空气间隔为36.29mm，双凹透镜C与平凸透镜D之间的空气间隔为0.75mm，平凸透镜D与平凸透镜E之间的空气间隔为108.84mm，正月牙透镜E与正月牙透镜F之间的空气间隔为28.26mm，正月牙透镜F与平凹透镜G之间的空气间隔为6.36mm，平凹透镜G与正月牙透镜H之间的空气间隔为14.33mm。

[0008] 所述单个镜头包括主镜筒及连接于主镜筒后方的调焦镜筒，所述平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D安装于主镜筒内，正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H安装于调焦镜筒内。

[0009] 所述调焦镜筒外周部上设有两个呈120°角分布的电机，所述两个电机的输出轴经齿轮与调焦环啮合，所述调焦环与调焦镜筒之间设有钢球，并依靠调焦环后侧的调焦压圈进行固定，所述调焦环外周部通过梯形螺纹与调焦座联接，所述调焦座通过径向设置的导钉与调焦镜筒相连，所述调焦座后部通过联接螺钉与摄像机联接法兰相连，所述摄像机联接法兰通过一偏摆球面调整机构与摄像机安装板相连接， CCD摄像机安装在所述摄像机安装板上。

[0010] 所述调焦镜筒与调焦座之间沿周侧均布有两排12个径向消间隙机构，所述径向消间隙机构包括与调焦座固定连接径向消间隙座，径向消间隙座与调焦镜筒之间设有一轴承，所述轴承与调焦镜筒接触，所述轴承的轴承座设于径向消间隙座内，并由弹簧及弹簧压圈压紧。

[0011] 所述偏摆球面调整机构包括设于摄像机联接法兰上的螺纹孔的开口球头螺母，所述开口球头螺母的开口内设有联接螺钉，所述连接螺钉穿过开口球头螺母与摄像机安装板实现联接，所述球头螺母与摄像机连接法兰之间设有球型垫圈，所述连接螺钉的螺帽与球头螺母之间也设有球型垫圈。

[0012] 所述调焦座后部还设有方位调整机构，所述方位调整机构包括固定联接于调节座外周部的调整座，所述调整座一侧设有左方位调整螺栓，另一侧设有右方位调整螺栓，两调整螺栓之间设有方位调整挡板。

[0013] 所述调焦座与调焦镜筒之间均布有6根拉簧。

附图说明

[0014] 图1为本发明的光路结构示意图。

[0015] 图2为本发明的镜筒结构示意图。

[0016] 图3为本发明的调焦机构的结构示意图。

[0017] 图4为本发明的径向消间隙机构的结构示意图。

[0018] 图5为本发明的偏摆调整机构的结构示意图。

[0019] 图6为本发明的CCD摄像机方位调整机构的结构示意图。

[0020] 图7为图6的A-A剖面图。

具体实施方式

[0021] 参见图（一），本发明由高斯量和分辨率一致的四个镜头及CCD摄像机捆绑式地组合成一摄像系统，单一镜头由平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D、正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H构成。

[0022] 透镜A与透镜B之间的空气间隔149.34mm、透镜B与透镜C之间的空气间隔36.29mm、透镜C与透镜D之间的空气间隔0.75mm、透镜D与透镜E之间的空气间隔108.84mm、透镜E与透镜F之间的空气间隔28.26mm、透镜F与透镜G之间的空气间隔
6.36mm、透镜G与透镜H之间的空气间隔14.33mm。

[0023] 为 了 达 到 光 学 系 统 在 温 度 变 化 和 在 运 动 过 程 中，图 像 在 坐标上的不一致性小于1/4各象元要求，机构设计采用以下的实施方案：

[0024] （1）结构温度效应的设计

[0025] 为了适应温度变化对像质的影响，以满足技术条件对像质的要求，对镜头结构的温度效应进行设计，根据技术协议该镜筒的工作温度为－40℃～＋60℃，而加工检验及装配温度为20℃，与最低工作温度有60℃的温差；为了保证镜筒在工作温度环境下不受材料热胀冷缩的应力影响，镜筒材料采用线胀系数与玻璃材料线胀系数相近的低合金锰钢，其-6线胀系数为8.31×10 mm/℃，从而消除温度对光学系统的影响，保证光学系统的精密度。采用的光学玻璃参数如表一所示：

[0026] 表一

[0027]

[0028] 利用表一的参数可以计算出各镜片与镜框在60℃温差收缩时的空间尺寸差为ΔI=φ实际口径×（α镜框-α玻璃）×工作温度，得到在-40℃时材料的收缩差如表二所示：

[0029] 表二 单位mm

[0030]

[0031] 设计时镜框和镜片的配合间隙必须大于表二给出的间隙尺寸，为了保证各镜片之间的同轴度以保证镜筒的象质要求，取镜框与镜片之间的配合为H8/f7，各镜片与镜框之间的配合公差尺寸如表三所示：

[0032] 表三 单位mm

[0033]

[0034] 从表三中可知，各序号间最小配合间隙如表四所示

[0035] 表四 单位mm

[0036]

[0037] 从表二和表四中可以知道，采用热胀系数为8.31×10-6mm/℃的低合金锰钢做镜框，完全能满足工作温度变化，而不影响系统的质量。

[0038] 为了在运动过程中，图像质量的稳定，对镜筒进行刚度设计。由于镜筒采用合金钢材料以满足热胀冷缩要求，考虑到加工变形及镜筒强度和刚度要求，我们把镜筒的壁厚取7～8mm之间，根据光学设计、总体结构联接及技术条件的要求，做如图2所示结构，总重约
140Kg，分析核算镜筒自重及受力对像素的影响。

[0039] 所述单个镜头包括主镜筒1及连接于主镜筒后方的调焦镜筒2，所述平凸透镜A、正月牙透镜B、双凹透镜C、平凸透镜D安装于主镜筒内，正月牙透镜E、正月牙透镜F、平凹透镜G和正月牙透镜H安装于调焦镜筒内。

[0040] 对镜筒的主要受力件联接筒进行有限元分析，分析结果为联接筒在受到横向载荷为40000N的作用下，联接筒所受的最大应力为 ，最大位移为0.00223mm，把受力变形的结果代入光学程序计算，得到的新的斑点图与原斑点误差很小，能满足技术要求。

[0041] 由于镜框和镜片之间有间隙，镜片只与压圈和镜筒端面磨擦止动，因此在大转动惯量时有可能使镜框中作周上运动，特别是前四片，若有周向运动，对像质的影响较大，因此对镜筒和镜框之间采用6704硅胶灌封处理，以加大镜框和镜片之间的磨擦系数，以保证光学系统的要求。

[0042] 参考图3，由于温度变化，镜头玻璃材料和镜筒的材料的热胀冷缩，使镜头的后截距发生变化。若没有采取措施，CCD靶面会离焦，导致图像质量下降，甚至使图像模糊不清，因此设计调焦机构对温度效应进行补偿。

[0043] 所述调焦镜筒外周部上设有两个呈120°角分布的电机3，所述两个电机的输出轴经齿轮与调焦环4啮合，所述调焦环与调焦镜筒之间设有钢球5，并依靠调焦环后侧的调焦压圈6进行固定，所述调焦环外周部通过梯形螺纹与调焦座15联接，所述调焦座通过径向设置的导钉7与调焦镜筒相连，所述调焦座后部通过联接螺钉8与摄像机联接法兰16相连，所述摄像机联接法兰通过一偏摆球面调整机构9与摄像机安装板10相连接， CCD摄像机11安装在所述摄像机安装板上。

[0044] 其调焦原理为：电机组件的齿轮旋转，齿轮与调焦环齿轮啮合，带动调焦环旋转，调焦环与调焦镜筒之间加钢球，用调焦压圈固定，使调焦环相对调焦筒之间采用钢球滚动，以减小摩擦力，调焦环通过梯形螺纹与调焦座联接，并通过导钉，使调焦座作轴上的直线运动，而调焦座通过联接螺钉与联接法兰、摄像机安装板及CCD摄像机联接在一起，因此当电机作正反向旋转运动时，CCD摄像机在轴上作直线运动，从而移动摄像机靶面的位置，使CCD靶面的图像清晰，达到温度效应补偿的目的。另外为了达到调焦精度为1/2物理焦深，调焦运动过程的摆动小于1/4象元，在调焦机构设计过程中我们采用了以下措施：

[0045] a、调焦电机选型及调焦机构精度设计

[0046] 参考图3，我们选用 两个φ22微电机，成120°夹角安装，每个电机的功率为6W，减速比为850:1，电机输出力矩为6.03mNm，电机效率为0.2，减速箱的输出力矩为: T=1206mNm=1.206Nm，两电机总的输出力矩为：T总=2.412 Nm

[0047] 而电机与从动轮的减速比为η1=10.5/133，效率为K1=0.3

[0048] 螺纹付的导程选6mm，螺纹中径的周长为133×2π

[0049] 则减速比为η2=6/（133×2π）

[0050] 螺纹传动的效率为K2=0.15

[0051] 电机传输给从动轮切线上传动的力为F

[0052] F1·K=J

[0053] F1=2.412/0.133=18.13N

[0054] 螺纹付输出力为F

[0055] F·η1·η2=F1·K1·K2

[0056] F= F1·K/η1·η2=1919.6N

[0057] 摄像机及调焦座的重量W＜15Kg

[0058] 消除间隙弹簧拉力为负载的1.5～2倍，取2倍，则总负载为W总=45Kg[0059] 因此可知选用此电机功率足够。

[0060] 调焦精度与摄像机的运动速度有关，电机及电路的延时时间为30ms，摄像机的运动速度在50ms内，位移量小于1/2物理焦深，即摄像机的运动速度V摄小于0.005mm/50ms=0.1mm/s时，调焦精度足够。

[0061] CCD运动速度：

[0062] VCCD=电机主动轮线速度×螺纹付的减速比

[0063] VCCD= ×10.5×2π×6/（133×2π）=0.0679mm/s＜0.1mm/s

[0064] 所以调焦机构的精度满足技术条件的要求。

[0065] 为了保证摄像机靶面在调焦过程中稳定，调焦机构必须满足自锁条件，因此，我们采用丝杆与滑动螺母传动原理，当滑动螺母的螺纹升角小于或等于当量摩擦角P′时，此传动机构反向自锁。

[0066] P′=

[0067] λ= s/πd≤P′

[0068] 式中P′----------当量摩擦角

[0069] f---------------摩擦系数（钢与青铜为0.08~0.1,取0.8）

[0070] S--------------导程

[0071] α-------------螺纹牙型角 （选用梯形牙传动α=30℃）

[0072] P′= = =4.73°

[0073] 螺纹付的直径为φ266mm，导程为6mm

[0074] λ= s/πd= 6/（π×266）=0.411°＜P′

[0075] 可见该传动装置满足自锁条件，从而实现自锁，调焦机构调焦过程中，摄像机靶面是稳定的。

[0076] b、为了消除调焦机构在调焦过程中的间隙引起的跳动，而使摄像机靶面不稳定，我们对调焦机构进行如下结构设计。

[0077] 如图3所示，为了消除齿轮间的啮合间隙，我们采用两个同型号的电机120°角安装在同一从动轮上，利用两电机的同步，消除齿轮啮合间隙，同时在调焦时，从一方向调焦以消除齿轮空回产生的间隙。

[0078] 为了消除调焦环与调焦镜筒的间隙，采用钢球滚动以减小调焦环运动的摩擦力，同时调节调焦环压圈，使钢珠、调焦环、调焦环压圈及调焦镜筒处于过盈配合状态，利用钢珠在调焦环和调焦座形成的滚道运动，达到消除调焦环和调焦镜筒之间旋转运动的间隙。

[0079] 为了消除调焦座与调焦环之间的螺纹间隙，将六根拉簧14把调焦座和调焦镜头紧拉在一起，每根拉簧的拉力为3.75～6.25公斤，总拉力为22.5～37.5公斤，为调焦机构及CCD相机重量15公斤的1.5～2.5倍。这样就可以保证在任何情况下，调焦环与调焦座传动螺纹的间隙为0。

[0080] 参考图4，为了消除调焦座和调焦镜筒之间的配合间隙，使CCD摄像机在调焦时像面稳定，设计了两排12个径向消间隙机构，所述调焦镜筒与调焦座之间沿周侧均布有两排12个径向消间隙机构12，所述径向消间隙机构包括与调焦座固定连接径向消间隙座12-1，径向消间隙座与调焦镜筒之间设有一轴承12-2，所述轴承与调焦镜筒接触，所述轴承的轴承座12-3设于径向消间隙座内，并由弹簧及弹簧压圈12-4压紧。

[0081] 参考图5，由于各部件加工、装调引起的误差，CCD摄像机靶面与光轴不垂直，偏摆调整机构用于调整摄像机靶面与光轴的垂直度，以满足技术条件中光轴与CCD靶面不垂直度小于3.6′的要求，所述偏摆球面调整机构包括设于摄像机联接法兰上的螺纹孔的开口球头螺母9-1，所述开口球头螺母的开口内设有联接螺钉9-2，所述连接螺钉穿过开口球头螺母与摄像机安装板实现联接，所述球头螺母与摄像机连接法兰之间设有球型垫圈9-3，所述连接螺钉的螺帽与球头螺母之间也设有球型垫圈9-4。

[0082] 开口球头螺母安装在摄像机联接法兰上，通过联接螺钉、球型垫圈把摄像机安装板联接在一起，由于球面垫片可以相对滑动，因此当拧紧开口球头螺母时，摄像机安装板远离摄像机法兰；当拧紧联接螺钉时，由于球面垫片的相对滑动，则的摄像机安装板靠近的摄像机联接法兰，将3个偏摆球面调整机构120°均布安装在摄像机联接法兰与摄像机联接板上，分别调节偏摆球面调整机构的开口球头螺母和联接螺钉，即可调整摄像机安装板与光轴的不垂直度，而CCD摄像机固联在摄像机安装板上，因此分别调整3个开口球头螺母和联接螺钉就可以达到调节摄像机靶面与光轴不垂直度小于3.6′的目的。

[0083] 参考图6及图7，由于本系统四个摄像机星像要求严格重合，即CCD成像面上x，y坐标上图像不一致性小于1/4个象元，因此每个摄像机的靶面的x，y轴方向必须严格一致，所述调焦座后部还设有方位调整机构13，所述方位调整机构包括固定联接于调节座外周部的调整座13-1，所述调整座一侧设有左方位调整螺栓13-2，另一侧设有右方位调整螺栓13-3，两调整螺栓之间设有方位调整挡板13-4。

[0084] 方位调整座与调焦座固联在一起，当需要调整摄像机靶面的x，y轴方位时，首先拧松摄像机联接法兰上的联接螺钉，若顺时针调节x，y坐标方位，则松开右方位调整螺栓，同时拧紧左方位调整螺栓，此时摄像机靶面的x，y坐标顺时针旋转，反之则逆时针旋转；仔细调整每台镜头上的方位调整机构上的左右方位调整螺栓，则可以把四个摄像机的x，y坐标的方位调重合，调整完毕后，再拧紧每个镜头上的6个摄像机联接法兰上的联接螺钉，从而使摄像机图像位置完全一致，以满足技术条件要求。

[0085] 捆绑式星探光学系统的性能指标如下：

[0086] 1.每个镜头采用改型双高斯结构型式的全透射透镜，达到了高性能指标，它能与1024×1024、象元大小为13μm×13μm的CCD配合使用，性能如下：

[0087] （1）焦距 =350mm；

[0088] （2）入瞳直径φ330mm；（相对孔径 =1/1.06）

[0089] （3）视场角2ω≥5°；（有效成像面≥φ30.5）

[0090] （4）分辨率：在φ20mm（或视场）内，弥散斑大小≤20μm；

[0091] （5）全视场的光学畸变小于1%；

[0092] （6）全视场范围内，照度均匀性优于90%。

[0093] 2.在组合的光学系统中，四个镜头在各自CCD成像面上x，y坐标上图像高度不一致性小于1/4个象元，在φ20线视场内，四个镜头的光学畸变不一致性小于1个象元；在φ10线视场内，四个镜头的光学畸变不一致性小于0.5个象元。

[0094] 3.光轴与CCD靶面不垂直度小于3.6′。

[0095] 4.为了达到光学系统在运动过程中，图像在x，y坐标上的不一致性小于1/4个象元。

[0096] 5.偏摆调整机构使光学系统成像面的x，y轴上的图像严格重合，使整个画幅的图像清晰、均匀。