專利名稱：一種星敏感器鏡頭及其用于大溫度范圍精確測量恒星方位角的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種星敏感器的鏡頭及其用于大溫度范圍精確測量恒星方位角的方法。
背景技術：
星敏感器是自主測量航天器姿態(tài)的常用光電儀器之一。航天器所處的環(huán)境溫度范圍為 -20'C至+6(TC，鏡頭焦距的熱穩(wěn)定性對星敏感器的測量誤差有明顯的影響。在文獻已公開 的星敏感器中，鏡頭焦距隨環(huán)境溫度的升降發(fā)生顯著變化，導致星敏感器對恒星方位角的測 量值出現(xiàn)較大誤差。通常采取以下兩種方法，使星敏感器在環(huán)境溫度升降的條件下保持較高
的測量精度
(1) 減小星敏感器與環(huán)境溫度有關的測量誤差的常用方法是"修正值法"，即在事前了 解鏡頭焦距值的溫度偏移規(guī)律的基礎上，實時檢測鏡頭的溫度，在測量數(shù)據(jù)處理過程中扣除 鏡頭焦距的熱偏移量3^^。使經修正的方位角的計算值更接近理論值。上述修正方法適合用 于中等精度星敏感器，不能滿足高精度(例如，亞角秒級)星敏感器的需求。
(2) 減小星敏感器與環(huán)境溫度有關的測量誤差的另一種方法是實時檢測鏡頭焦距，在測 量數(shù)據(jù)處理過程中使用準確的鏡頭焦距數(shù)據(jù)。但是，附加實時監(jiān)測焦距的裝置會增加航天器 的載荷，并增大了星敏感器的復雜程度。
"自動調焦"的含義是使圖像傳感器的光敏面與景物的成像面始終對齊，從而獲得清晰 的圖像。對于以景物為測量目標的數(shù)碼照相機、攝像機而言，自動調焦技術具有良好效果和 很高實用價值。
成都光電技術研究所作者在2005年發(fā)表題為"A Hybrid Athermal CCD Camera"的論文 (SPIE Vol. 5874， 2005)，該文基于金屬鏡筒的熱膨脹量與光學鏡頭熱效應引起的成像面 位移量互補的原理，確保CCD照相機在大溫差環(huán)境中得到高清晰圖像。
2006年《航空兵器》第3期刊載"光學系統(tǒng)無熱化設計在空空導彈上的應用研究"，提出 低熱膨脹系數(shù)和高熱膨脹系數(shù)"雙金屬補償式"無熱化光學成像方案。以上兩文獻所提出的技術方案，重在消除像面位移量對圖像清晰度的影響。對于使用定 焦鏡頭的數(shù)碼照相機而言，"調焦"過程中，定焦鏡頭的焦距不變。在環(huán)境溫度變化時，焦 距隨環(huán)境溫度發(fā)生變化。使得普通定焦鏡頭的焦距值并不始終等于標稱焦距值。
綜上所述，國內文獻己報道的航天光學系統(tǒng)沒有專門采取措施抑止溫度變化引起的焦距 熱偏離量3//^。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種在-2(TC至+6(TC范圍內，將物鏡焦距的熱偏離量減小到最低 限度的星敏感器鏡頭，并提供一種運用所述鏡頭精確測量恒星像斑質心位置(從而計算恒星 方位角)的方法。
本發(fā)明的星敏感器的鏡頭，包括鏡筒、底座、透鏡、光電圖像傳感器，兼作保護窗的濾 光片和光闌，其特征在于，所述透鏡為四片，每兩片結合成一組，兩組透鏡對稱放置在光闌 的兩側構成球面透鏡組，在兩組透鏡兩側安放有用于微調鏡片間隔的伸縮環(huán)，在二組透鏡的 中間設有復位緊固的彈性環(huán)，伸縮環(huán)和彈性環(huán)構成焦距熱偏移量自動控制裝置。
標定光電圖像傳感器的位置，使光敏面位于最佳離焦面位置。所述離焦面的特征在于 用AR表示同一恒星在視場中心和視場邊緣的像斑點列圖均方根半徑值的差值，點列圖均方 根半徑值約為20微米，A R值不大于0. 2微米。
伸縮環(huán)在-20'C至+6(TC溫度范圍內的熱變形效應微調兩組透鏡之間的間距，該間距微調 量引起的鏡頭焦距偏移量抵消鏡頭焦距的熱偏移量，控制鏡頭焦距/的熱偏移量4/Y/在-20 'C至+60'C溫度范圍內不大于2X10^。
在光電圖像傳感器和底座之間設有微調光電圖像傳感器位置的支承座,通過支承座與底 座的熱形變效應，微調圖像傳感器的光敏面，使之在大溫度范圍內與離焦面重合。
所述鏡片的主要參數(shù)為
所述鏡片的材料、球面形狀和厚度參數(shù)為
曲面l:曲率半徑19. 055i0 mm，厚度3. 32860咖，材料牌號LAK3，折射率l. 74693， 折射率溫度系數(shù)OX 10—7°C，熱膨脹系數(shù)5. 2X 10—7°C;
曲面2:曲率半徑 -76.73780 mm;間隔l: 0.80190 mm;曲面3:曲率半徑-37.25010 mm,厚度0.85480 mm，材料牌號F13，折射率l. 62588， 折射率溫度系數(shù)2. 4X 10—6/'C，熱膨脹系數(shù)9. 6X10—7'C; 曲面4:曲率半徑22. 10300 mm; 間隔2:1.49406 mm; 光闌曲率半徑oo; 間隔2: 1.49406咖；
曲面6:曲率半徑-34. 60840咖，厚度0.85480 mm材料牌號F13; 曲面7:曲率半徑27. 54970 mm; 間隔3: 0. 85480 mm;
曲面8:曲率半徑44.65530 mm，厚度3.32850咖，材料牌號LAK3; 曲面9:曲率半徑-22. 83450 mm。
用本發(fā)明的鏡頭精確測量恒星方位角的方法,其特征在于，包括以下步驟
(1) 在標定溫度下(例如20'C)測定光學系統(tǒng)的焦距值"^定；
(2) 在-20'C至+60'C,利用反正切測角公式^ = ￡ ^&11(5//)計算恒星方位角^。公式 中，成像系統(tǒng)的焦距/值取標定值^^《。即，令成像系統(tǒng)焦距/的熱偏移量在-20'C至+60 'C均為零；
在正切測角公式中，恒星像斑的質心坐標S是圖像傳感器在離焦面上的實際測量值； 所述離焦面的特征在于用AR表示同一恒星在視場中心和視場邊緣的像斑點列圖均方 根半徑值的差值，點列圖均方根半徑值約為20微米，AR值不大于0.2微米。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)星敏感器光學系統(tǒng)焦距的熱穩(wěn)定性好經計算，鏡頭焦距^的熱偏 移量'4/7/在-20'C至+6(TC溫度范圍內不大于2Xl(r6。 (2)便于標定和校準。在20'C環(huán)境標 定星敏感器的鏡頭焦距，在軌運行時無需另作校準。(3)在環(huán)境溫度大幅度變化條件下，星 敏感器光學系統(tǒng)對視場中心區(qū)和邊緣區(qū)的恒星成像，對光斑質心定位的精度基本一致，均達 到亞角秒級。


6圖l是本發(fā)明一實施例鏡頭結構示意圖； 圖2是實施例1的光路圖3是鏡頭組間距J與鏡頭焦距/隨溫度而變化的曲線圖； 圖4是鏡頭不同離焦面上的彌散斑點列圖RMS半徑值曲線圖。
具體實施例方式
實施例l:結合附圖-
鏡片la、 lb、光闌2和鏡片lc、 Id組成對稱式物鏡四片透鏡組。3a和3b是伸縮環(huán)，其熱變 形量對透鏡組的間距起微調作用(彈性環(huán)4起復位和緊固作用)，伸縮環(huán)材料為鋁合金，厚度 值為4.64咖(20'C)，其熱膨脹系數(shù)-27X10—7'C。圖像傳感器6位于物鏡后焦面10的右側。 支承環(huán)8對圖像傳感器6的軸向位置起微調作用，使傳感器光敏面6與選定的離焦面9始終對齊。
5是金屬鏡筒，材料為鈦合金TC4，熱膨脹系數(shù)-9.1Xl(T7'C。 ll是濾光片(兼保護窗)。 鏡片以及圖像傳感器被環(huán)形緊固件固定在鏡筒內，整個裝置具備抗震和耐加速度的性能。
鏡頭焦距/: 56mm，相對孔徑1/4.0。成像系統(tǒng)含四片透鏡(每兩片結合成一組)，參 數(shù)列于表l:
表l鏡頭的球面鏡片參數(shù)
序號曲率半徑 (mm)厚度 (mm)材料
119.055103. 32860LAK3
2一76. 737800.80190
3一37. 250100.85480F13
422.103001. 49406
光闌1. 49406
6-34.608400.85480F13
727. 549700. 85480
844.655303. 32850LAK3
9一22. 83450
鏡片材料和折射率LAK3 ("= 1.74693, / =0X10_7r， a=5. 2X10—6/°C) ; F13 ("=1.62588， "=2,4X10—7°C， a=9. 6X 10_6/°C ),鏡筒材料采用TC4 ( a=9. 1 X 10—7°C )。 透鏡組的位置可調，兩透鏡組是間距d: 2.9881mm (20°C)，在溫度一20。C 6(TC條件 下，變化范圍3. 0082 mm 2.9681誦。
焦距偏移量補償裝置的結構和作用如圖l，焦距熱偏移量補償裝置由伸縮環(huán)3與彈性環(huán)4 組成。
鏡片間距d與鏡頭焦距/隨溫度而變化的曲線如圖3。以被動方式自動微調焦距偏移量 的原理，是用伸縮環(huán)厚度的熱變形控制兩透鏡組的間距c/,使伸縮環(huán)熱膨脹引起的焦距的偏 移量與鏡片、鏡筒自身熱效應引起的焦距的熱偏移量"正、負相消"。
鏡頭右端，所述圖像傳感器6通過支承環(huán)8與底座7 (鏡筒5)相連，使得圖像傳感器的光 敏面與離焦面9重合(如圖l)。
確定最優(yōu)離焦成像位置所述離焦面，是一個特殊的成像位置。通過優(yōu)選鏡片的材料和 曲面參數(shù)，使得該成像位置上大、小視場的恒星彌散斑半徑近似相等。從而，在該離焦面上 恒星像斑質心定位誤差最小。
圖4是鏡頭不同離焦面上像斑的變化規(guī)律。圖中，0度、2度、4度和6度視場的像斑彌散斑 半徑隨后截距的變化規(guī)律各不相同。本發(fā)明選擇的離焦面的后截距為49.51mm (20'C)，點列 圖RMS半徑值在19. 4pm左右。
用本發(fā)明的鏡頭精確測量恒星方位角的方法，包括以下步驟
(1) 在標定溫度下(例如20'C)測定光學系統(tǒng)的焦距值"^卜
(2) 在-20'C至+60。C,利用反正切測角公式S = arc/an(S//)計算恒星方位角^。公式 中，成像系統(tǒng)的焦距/值取標定值"^定。艮卩，令成像系統(tǒng)焦距/的熱偏移量在-20'C至+60 'C均為零；
在正切測角公式中，恒星像斑的質心坐標S是圖像傳感器在離焦面上的實際測量值。 國內已發(fā)表的星敏感器，多數(shù)是在焦距存在熱偏移量的條件下測量恒星像斑的質心位置。
本發(fā)明的特點之一，是在焦距熱偏移量得到補償、離焦面與光敏面對齊的前提下，測尊恒星
像斑的質心位置。一
本發(fā)明的鏡片較少，對恒星像斑質心的定位精度和國內文獻報道的6-8片透鏡組相當。另 一個特色是，鏡片較少的鏡頭，故障率低且便于實現(xiàn)航天光學儀器的輕量化。
權利要求
1. 一種星敏感器鏡頭，包括鏡筒、底座、透鏡、光電圖像傳感器，光闌和兼作保護窗的濾光片。其特征在于，所述透鏡為四片，每兩片結合成一組，兩組透鏡對稱放置在光闌的兩側構成球面透鏡組，在兩組透鏡兩側安放有用于微調鏡片間隔的伸縮環(huán)，在二組透鏡的中間設有復位緊固的彈性環(huán)，伸縮環(huán)和彈性環(huán)構成焦距熱偏移量自動控制裝置，光電圖像傳感器的光敏面位于最佳離焦面位置。
2. 根據(jù)權利要求l所述的星敏感器鏡頭，其特征在于，所述伸縮環(huán)在-2(TC至+6(TC溫度 范圍內的熱變形效應微調兩組透鏡之間的間距，使該間距微調量引起的焦距偏移量與透鏡和 鏡筒熱效應引起的焦距熱偏移量相互抵消，控制鏡頭焦距/的熱偏移量A/7/在-2(TC至+60 'C溫度范圍內不大于2X1(T。
3. 根據(jù)權利要求l所述的星敏感器鏡頭，其特征在于，在光電圖像傳感器和底座之間設 有微調光電圖像傳感器位置的支承座，通過支承座與底座的熱形變效應，微調圖像傳感器的光 敏面，使之在大溫度范圍內與離焦面重合。
4. 根據(jù)權利要求l所述的星敏感器鏡頭，其特征在于，所述鏡片的主要參數(shù)為-所述鏡片的材料、球面形狀和厚度參數(shù)為曲面l:曲率半徑19.05510 mm，厚度3.32860 ram，材料牌號LAK3; 曲面2:曲率半徑-76. 73780 mm; 間隔l: 0.80190咖;曲面3:曲率半徑-37. 25010咖，厚度0. 85480 mm，材料牌號F13; 曲面4:曲率半徑22. 10300咖； 間隔2: 1.49406 mm; 光闌曲率半徑~; 間隔2: 1.49406 mm;曲面6:曲率半徑-34.60840 mm，厚度0.85480 rara 材料牌號F13;曲面7:曲率半徑27.54970 ram; 間隔3: 0.85480腿;曲面8:曲率半徑44.65530 mm，厚度3.32850 mm， 材料牌號LAK3; 曲面9:曲率半徑-22.83450 ram。
5. 根據(jù)權利要求l所述的星敏感器鏡頭，其特征在于，所述離焦面的特征在于用AR 表示同一恒星在視場中心和視場邊緣的像斑點列圖均方根半徑值的差值，點列圖均方根半徑 值的約為20微米，A R值不大于O. 2微米。
6. —種權利要求l所述星敏感器鏡的應用，其特征在于，用于測量恒星的方位角其特 征在于，包括以下步驟步驟一在2(TC標定溫度下，測定光學系統(tǒng)的焦距值/標定；步驟二在-20'C至+6(TC，利用正切測角公式6 = 31^311(5//)計算恒星方位角6;所述正切測角公式中，成像系統(tǒng)的焦距/值取標定值"^s。即，權利要求l所述光學鏡頭的焦距/的熱偏離量A/7/不大于2xi(T ,熱偏移量在不同溫度下均為可忽略的小量；恒星像斑的質心坐標S是鏡頭離焦面上的實際測量值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種星敏感器鏡頭及其用于大溫度范圍精確測量恒星方位角的方法，包括鏡筒、底座、透鏡、光電圖像傳感器、光闌和兼作保護窗的濾光片。所述透鏡為四片，每兩片結合成一組，兩組透鏡對稱放置在光闌的兩側，在兩透鏡組的外側安放有物鏡伸縮環(huán)，二透鏡組的中間設有起復位和緊固作用的彈性環(huán)。利用所述伸縮環(huán)的熱脹冷縮效應，以被動方式微調兩透鏡組的間距，使透鏡的間距微調量引起的焦距偏移量與透鏡和鏡筒熱效應引起的焦距熱偏移量相互抵消。本發(fā)明星敏感器鏡頭焦距的熱穩(wěn)定性好經計算，鏡頭焦距f的熱偏移量Δf/f在-20℃至+60℃溫度范圍內不大于2×10^-6，在大溫差條件下，星敏感器測量恒星方位角的精度達到亞角秒量級。
文檔編號G02B13/00GK101477239SQ20091004251
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權日2009年1月16日
發(fā)明者劉海波, 李修建, 楊俊才, 楊建坤, 沈本劍, 王明哲, 譚吉春, 輝 賈, 鄧立新 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學