一種實(shí)現(xiàn)全天候的星敏感器光學(xué)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(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種用來實(shí)現(xiàn)全天候的超大口徑寬譜段星敏感器光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)采用了同軸三反射鏡結(jié)構(gòu)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(fù)反射鏡、第三片平面反射鏡、第四片正反射鏡，光闌設(shè)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(xué)系統(tǒng)存在兩個技術(shù)問題，一是只能用于外層空間的測量，沒有實(shí)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(shù)問題，本發(fā)明有利于實(shí)現(xiàn)星敏感器的全天候使用，增大星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，擺脫色差對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)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(shí)現(xiàn)全天候的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種利用恒星作為參照系進(jìn)行導(dǎo)航的星敏感器光 學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)全天候的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 恒星所發(fā)出的光經(jīng)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(jīng)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(diǎn)提取得到恒星像在探測器平面的位置坐標(biāo)和星敏感器坐標(biāo)系下的位置矢 量；提取星圖中若干星點(diǎn)位置坐標(biāo)后通過星圖識別得到所提取的星點(diǎn)在天球慣性系中的坐 標(biāo)，從而得到其在天球慣性系中的位置矢量；最后根據(jù)星點(diǎn)在星敏感器坐標(biāo)系下的位置矢 量和天球慣性系中的位置矢量可計算出當(dāng)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(yīng)用，但在大氣層內(nèi)的空間飛行器上，如飛艇、浮空氣球、高空長 航時無人機(jī)甚至導(dǎo)彈上還沒有得到廣泛應(yīng)用。白天的強(qiáng)背景是阻礙星敏感器全天時應(yīng)用的 主要因素，傳統(tǒng)的星敏感器主要是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不能滿足白天觀星的要求，因而應(yīng)用受到 限制。因此對全天時星敏感器的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸光學(xué)系統(tǒng)的深入分析和重新設(shè)計具有重要意 義。
[0004] 全天候星敏感器光學(xué)系統(tǒng)不同于一般的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，高質(zhì)量、高性能的全 天候星敏感器光學(xué)系統(tǒng)是研制高精度全天候星敏感器的基礎(chǔ)。其光學(xué)系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)考慮到 視場內(nèi)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(xué)鏡頭加工水平為基礎(chǔ)，依據(jù)星敏感器 探測能力、探測精度與各參數(shù)的關(guān)系，選擇相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)下的光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)。
[0008] 目前國內(nèi)公布的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)如2004年《光子學(xué)報》刊登的"輕小型星敏感 器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計"和2004年3月《光學(xué)技術(shù)》刊登的"折反式大視場星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè) 計"分別使用了透射式和折反式光學(xué)結(jié)構(gòu)型式，兩者都是應(yīng)用在衛(wèi)星等外太空航天設(shè)備中 的，存在著無法應(yīng)用到大氣層內(nèi)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(xué)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(diǎn)，但是都是應(yīng)用在衛(wèi)星等外太空航天設(shè)備中的，存在 著無法應(yīng)用到大氣層內(nèi)的全天候星敏感器的缺陷。
[0009] 光學(xué)系統(tǒng)的孔徑的增大直接影響光學(xué)系統(tǒng)的色差，極大地增加了光學(xué)系統(tǒng)像差的 校正難度?，F(xiàn)公布的光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑較小，可觀測極限星等有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)全天候的星敏 感器光學(xué)系統(tǒng)，其性能指標(biāo)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(xué)系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)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(xué)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(fù)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(xué)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(fù)反射鏡（2)的光學(xué)特性為：
[0016] 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光經(jīng)過第一正反射鏡和第二負(fù)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(xué)特性為：
[0018] 該面是平面鏡，主要用來轉(zhuǎn)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(xué)特性為：
[0020] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉(zhuǎn)折匯聚到圖像傳感器上；
[0021] 其中f '為該光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的后工作距離大于20mm。
[0023] 本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了星敏感器的大氣層內(nèi)的全天候應(yīng)用，工作在大氣層內(nèi)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(xué)鏡頭和圖像傳感器 等參數(shù)有密切關(guān)系。通過分析和設(shè)計，設(shè)計達(dá)到了如下指標(biāo)：對視場范圍取：?的全天時星 敏感器，當(dāng)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(nèi)觀測到3顆星的概率達(dá)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(diào)；
[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(xué)系 統(tǒng)的最佳材料；
[0027] 4、反射式光學(xué)系統(tǒng)不存在色差，結(jié)構(gòu)簡單，適用光譜范圍寬，并且反射系統(tǒng)不需要 無熱化設(shè)計，使用溫度范圍較寬，在-50°到+60°溫度區(qū)間內(nèi)均可保證成像質(zhì)量；
[0028] 5.本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)有中間像，因此便于在后期設(shè)計中加入Lyot光闌和相關(guān)的消 雜光光闌進(jìn)行系統(tǒng)的消雜光設(shè)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(shí)施例的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(fù)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(shí)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(xué)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(fù)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(xué)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(fù)反射鏡（2)的光學(xué)特性為：
[0036] 1. 5f ' <f ' 2〈2f '，R2>-0. 5f ' 2, e22 = -0. 715,光經(jīng)過第一正反射鏡和第二負(fù)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(xué)特性為：
[0038] 該面是平面鏡，主要用來轉(zhuǎn)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(xué)特性為：
[0040] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉(zhuǎn)折匯聚到圖像傳感器上；
[0041] 其中f '為該光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的后工作距離大于20mm。
[0043] 下面用實(shí)例來說明一些具體情況：
[0044] 全天候星敏感器光學(xué)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(shù)指標(biāo)要求很高的光學(xué)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(xué)設(shè)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(xué)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(shè)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(xué)系統(tǒng)的最佳材料。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)全天候的星敏感器光學(xué)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(fù)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(xué)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(fù)反射鏡（2)的光學(xué)特性為： 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光經(jīng)過第一正反射鏡和第二負(fù)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(xué)特性為： 該面是平面鏡，主要用來轉(zhuǎn)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(xué)特性為： f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,將光路轉(zhuǎn)折匯聚到圖像傳感器上； 其中f '為該光學(xué)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(quán)力要求1所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學(xué)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(quán)力要求2所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：通過采用 反射式光學(xué)元件達(dá)到了擺脫色差影響的目的，同時可以達(dá)到超大孔徑的目的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：本發(fā)明光 學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑為1 :2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的超大孔徑寬譜段星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：焦距為 500111111，光學(xué)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(nèi)，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(quán)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(xué)