一種實現(xiàn)全天候的星敏感器光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種星敏感器光學系統(tǒng)，尤其涉及一種用來實現(xiàn)全天候的超大口徑寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)；光學系統(tǒng)采用了同軸三反射鏡結構型式，包括軸心在一直線上依次排列的第一片正反射鏡、第二片負反射鏡、第三片平面反射鏡、第四片正反射鏡，光闌設置在第一片正反射鏡上；本發(fā)明解決了現(xiàn)公布的星敏感器光學系統(tǒng)存在兩個技術問題，一是只能用于外層空間的測量，沒有實現(xiàn)全天候，二是口徑較小，可探測極限星等較低，二級光譜較大的技術問題，本發(fā)明有利于實現(xiàn)星敏感器的全天候使用，增大星敏感器光學系統(tǒng)的孔徑，擺脫色差對光學系統(tǒng)成像質量的影響，一次探測概率較高，可觀測星等較高的功能。
【專利說明】一種實現(xiàn)全天候的星敏感器光學系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學設計領域，涉及一種利用恒星作為參照系進行導航的星敏感器光 學系統(tǒng)，尤其涉及一種實現(xiàn)全天候的星敏感器光學系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 恒星所發(fā)出的光經過遮光罩去除大部分雜散光后，再通過鏡頭在探測器平面上成 像，星圖像經過平面陣列探測器光電采樣后形成數(shù)字化星圖，然后將其送入微處理器。拍攝 的星圖通過星點提取得到恒星像在探測器平面的位置坐標和星敏感器坐標系下的位置矢 量；提取星圖中若干星點位置坐標后通過星圖識別得到所提取的星點在天球慣性系中的坐 標，從而得到其在天球慣性系中的位置矢量；最后根據(jù)星點在星敏感器坐標系下的位置矢 量和天球慣性系中的位置矢量可計算出當前星敏感器姿態(tài)。
[0003] 星敏感器作為目前各種姿態(tài)測量部件中精度最高的姿態(tài)敏感器之一，在大氣層外 的衛(wèi)星平臺上得到了廣泛應用，但在大氣層內的空間飛行器上，如飛艇、浮空氣球、高空長 航時無人機甚至導彈上還沒有得到廣泛應用。白天的強背景是阻礙星敏感器全天時應用的 主要因素，傳統(tǒng)的星敏感器主要是光學系統(tǒng)設計不能滿足白天觀星的要求，因而應用受到 限制。因此對全天時星敏感器的關鍵技術瓶頸光學系統(tǒng)的深入分析和重新設計具有重要意 義。
[0004] 全天候星敏感器光學系統(tǒng)不同于一般的星敏感器光學系統(tǒng)，高質量、高性能的全 天候星敏感器光學系統(tǒng)是研制高精度全天候星敏感器的基礎。其光學系統(tǒng)評價標準主要有 以下幾個方面。
[0005] (1)視場大小確定的情況下，可探測極限星等和恒星-背景對比度隨觀測高度、太 陽天頂角、波段、恒星光譜變化的情況需要折衷選??；
[0006] (2)相對孔徑、視場大小的選取與一次可探測概率之間需要折衷，必須重點考慮到 視場內觀測星等的數(shù)目選擇；
[0007] (3)以現(xiàn)有的可見光CCD圖像傳感器和光學鏡頭加工水平為基礎，依據(jù)星敏感器 探測能力、探測精度與各參數(shù)的關系，選擇相應技術指標下的光學系統(tǒng)指標。
[0008] 目前國內公布的星敏感器光學系統(tǒng)如2004年《光子學報》刊登的"輕小型星敏感 器光學系統(tǒng)設計"和2004年3月《光學技術》刊登的"折反式大視場星敏感器光學系統(tǒng)設 計"分別使用了透射式和折反式光學結構型式，兩者都是應用在衛(wèi)星等外太空航天設備中 的，存在著無法應用到大氣層內的全天候星敏感器的缺陷。申請?zhí)枮?00610170214. 9、申請 號為201110288663. 4和申請?zhí)枮?01210358933. 9的星敏感器光學系統(tǒng)均是透射式系統(tǒng)， 雖然在視場和相對孔徑上都各有特點，但是都是應用在衛(wèi)星等外太空航天設備中的，存在 著無法應用到大氣層內的全天候星敏感器的缺陷。
[0009] 光學系統(tǒng)的孔徑的增大直接影響光學系統(tǒng)的色差，極大地增加了光學系統(tǒng)像差的 校正難度?，F(xiàn)公布的光學系統(tǒng)入瞳直徑較小，可觀測極限星等有限。


【發(fā)明內容】

[0010] 為了解決【背景技術】中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)全天候的星敏 感器光學系統(tǒng)，其性能指標優(yōu)良，入瞳直徑150mm，能夠在3°視場范圍滿足較高測量精度 的星敏感器使用要求的光學系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的技術解決方案：
[0012] 本發(fā)明的超大孔徑寬譜段反射式星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：包括軸心在一 直線上依次排列的第一正反射鏡（1)、第二負反射鏡（2)、第三平面反射鏡（3)、第四正反射 鏡（4)，光闌（5)位于第一正反射鏡上；
[0013] 所述第一正反射鏡（1)的光學特性為：
[0014] _f' <f' '_0. 5f'，光闌位于此面上，Rpif' i，ei2 = -0.6,與第四反射鏡⑷共用 一塊基底SiC材料；
[0015] 所述第二負反射鏡（2)的光學特性為：
[0016] 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光經過第一正反射鏡和第二負反射鏡 后會有中間像，為后續(xù)的消雜光提供了很好的空間；
[0017] 所述第三平面反射鏡（3)的光學特性為：
[0018] 該面是平面鏡，主要用來轉折光路，便于后續(xù)放置圖像傳感器；
[0019] 所述第四正反射鏡（4)的光學特性為：
[0020] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉折匯聚到圖像傳感器上；
[0021] 其中f '為該光學系統(tǒng)的焦距，f ' p f ' 2、f ' 4分別為3個反射鏡的焦距，％、R2、R4 分別為3個反射鏡的曲率半徑，θΛ e22、e42為三個反射鏡的二次系數(shù)。
[0022] 上述超大孔徑寬光譜反射式星敏感器光學系統(tǒng)的后工作距離大于20mm。
[0023] 本發(fā)明所具有的優(yōu)點：
[0024] 1、本發(fā)明光學系統(tǒng)實現(xiàn)了星敏感器的大氣層內的全天候應用，工作在大氣層內的 全天時星敏感器性能不但受軌道高度、太陽方位等因素影響，還與光學鏡頭和圖像傳感器 等參數(shù)有密切關系。通過分析和設計，設計達到了如下指標：對視場范圍?。?的全天時星 敏感器，當選用尺寸為4096pixel X4096pixel，像元大于10 μ mX 10 μ m的典型CO)圖像傳 感器時，可探測極限星等大于8等，視場范圍內觀測到3顆星的概率達99%以上，橫滾姿態(tài) 精度為0.5172 "?4. 0431"，偏仰偏航姿態(tài)精度為0.0096 "?0.0706 ";
[0025] 2、采用同軸三反消像散系統(tǒng)，有利于利用較少的參數(shù)校正軸外像差，減輕了系統(tǒng) 的重量，主鏡和三鏡加工在同一塊材料上，有利于系統(tǒng)的裝調；
[0026] 3、鏡面基底材料選擇的是SiC。SiC(碳化硅）比剛度僅比Be (金屬鈹）稍小，而 Be加工時有毒，成本高；SiC的A/K最小，比Be小約5倍，因此，SiC材料是制作這類光學系 統(tǒng)的最佳材料；
[0027] 4、反射式光學系統(tǒng)不存在色差，結構簡單，適用光譜范圍寬，并且反射系統(tǒng)不需要 無熱化設計，使用溫度范圍較寬，在-50°到+60°溫度區(qū)間內均可保證成像質量；
[0028] 5.本發(fā)明光學系統(tǒng)有中間像，因此便于在后期設計中加入Lyot光闌和相關的消 雜光光闌進行系統(tǒng)的消雜光設計，便于提供系統(tǒng)的信噪比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)總體結構示意圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明的包圍圓能量圖；
[0031] 圖1中，1-第一正反射鏡、2-第二負反射鏡、3-第三平面反射鏡、4-第三平面反射 鏡、5-光闌。

【具體實施方式】
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明的超大孔徑寬譜段反射式星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：包 括軸心在一直線上依次排列的第一正反射鏡（1)、第二負反射鏡（2)、第三平面反射鏡（3)、 第四正反射鏡（4)，光闌（5)位于第一正反射鏡上；
[0033] 所述第一正反射鏡（1)的光學特性為：
[0034] _f' <f' '_0. 5f'，光闌位于此面上，Rpjf' i，ei2 = -0.6,與第四反射鏡⑷共用 一塊基底SiC材料；
[0035] 所述第二負反射鏡（2)的光學特性為：
[0036] 1. 5f ' <f ' 2〈2f '，R2>-0. 5f ' 2, e22 = -0. 715,光經過第一正反射鏡和第二負反射鏡 后會有中間像，為后續(xù)的消雜光提供了很好的空間；
[0037] 所述第三平面反射鏡（3)的光學特性為：
[0038] 該面是平面鏡，主要用來轉折光路，便于后續(xù)放置圖像傳感器；
[0039] 所述第四正反射鏡（4)的光學特性為：
[0040] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉折匯聚到圖像傳感器上；
[0041] 其中f '為該光學系統(tǒng)的焦距，f ' p f ' 2、f ' 4分別為3個反射鏡的焦距，％、R2、R4 分別為3個反射鏡的曲率半徑，θΛ e22、e42為三個反射鏡的二次系數(shù)；
[0042] 上述超大孔徑寬光譜反射式星敏感器光學系統(tǒng)的后工作距離大于20mm。
[0043] 下面用實例來說明一些具體情況：
[0044] 全天候星敏感器光學鏡頭要求做到入瞳直徑有150_，視場角3°，彌散斑在各波 段在邊緣視場均大于10 μ m小于三個探測器像元。這是一個技術指標要求很高的光學系 統(tǒng)，由于入瞳直徑過大會帶來很大的色差，而色差的校正尤其是二級光譜的校正需要昂貴 的材料，因此必須考慮反射式系統(tǒng)的使用。同時，反射式系統(tǒng)中的反射面有二次系數(shù)，這樣 就為像差的校正增加了自由度，從而通過光學設計軟件中的優(yōu)化程序來校正系統(tǒng)的初級像 差?？紤]到后續(xù)的高級像差校正和平衡，在優(yōu)化的過程中，控制每個面的偏角不宜過大，讓 光學順暢的通過每個反射面。
[0045] 另外，考慮到后續(xù)的環(huán)境影響和輕量化設計，鏡面基底材料選擇的是SiC。SiC(碳 化硅）比剛度僅比Be (金屬鈹）稍小，而Be加工時有毒，成本高；SiC的A/K最小，比Be小 約5倍，因此，SiC材料是制作這類光學系統(tǒng)的最佳材料。
【權利要求】
1.本發(fā)明的一種實現(xiàn)全天候的星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：包括軸心在一直線上 依次排列的第一正反射鏡（1)、第二負反射鏡（2)、第三平面反射鏡（3)、第四正反射鏡（4)， 光闌（5)位于第一正反射鏡（1)上； 所述第一正反射鏡（1)的光學特性為： -f' <f' '-0. 5f'，光闌位于此面上，RAjf' i，ei2 = -0.6,與第四反射鏡⑷共用一塊 基底SiC材料； 所述第二負反射鏡（2)的光學特性為： 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光經過第一正反射鏡和第二負反射鏡后會 有中間像，為后續(xù)的消雜光提供了很好的空間； 所述第三平面反射鏡（3)的光學特性為： 該面是平面鏡，主要用來轉折光路，便于后續(xù)放置圖像傳感器； 所述第四正反射鏡（4)的光學特性為： f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉折匯聚到圖像傳感器上； 其中f '為該光學系統(tǒng)的焦距，f ' i、f ' 2、f ' 4分別為3個反射鏡的焦距，Rp R2、R4分別 為3個反射鏡的曲率半徑，ei2、e22、e 42為三個反射鏡的二次系數(shù)。
2. 根據(jù)權力要求1所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：所述的反 射鏡基底材料為SiC。
3. 根據(jù)權力要求2所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：通過采用 反射式光學元件達到了擺脫色差影響的目的，同時可以達到超大孔徑的目的。
4. 根據(jù)權利要求3所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：本發(fā)明光 學系統(tǒng)的相對孔徑為1 :2。
5. 根據(jù)權利要求4所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)，其特征在于：焦距為 500111111，光學視場為3°，波段范圍50011111?100011111，？數(shù)為2，基本上80%的能量都集中在 10#內，無色差。
【文檔編號】G02B1/00GK104090355SQ201410311855
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】常軍, 王凡, 郝云彩, 牛亞軍, 查為懿, 許堯, 馮馳 申請人:北京理工大學