CN101487692B - 轻小型星敏感器光学成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻小型星敏感器光学成像装置。其特征在于：用两片非球面透镜和光阑组成对称式物镜，用被动式补偿装置微调所述透镜的间隔；在-20℃至+60℃环境中，镜头焦距的热偏移量近似等于零。利用物镜伸缩环的热胀冷缩效应微调两镜片的间距d；选择所述透镜的形状和材料，使之焦距热偏移效应能够被物镜伸缩环对焦距的调节效应所抵消，从而焦距值f不随环境温度而变。支承环使光电图像传感器的光敏面始终与最佳离焦面对齐。在温度大幅度变化的条件下，所述镜头的成像效果是，在视场中心和边缘的像斑的弥散圆半径近似相等的最佳离焦面上，星敏感器对恒星方位的测量精度达到亚角秒量级。

Description

轻小型星敏感器光学成像装置

技术领域

本发明涉及一种航天技术中精确测量恒星像斑质心位置的轻小型光学成像装置，尤其涉及一种轻小型星敏感器光学成像装置。

背景技术

星敏感器基于恒星成像和天文定位原理，测量航天器的姿态角。在航天器飞行过程中，太阳照射和辐射散热等因素引起星敏感器壳体及光学系统材料的温度发生大幅度变化。现有的星敏感器光学系统的热-光学稳定性不够好，导致星敏感器测量恒星像斑质心位置的精度随温度而大幅度变化。

CN2246299公开了一种“空间用轻型CCD相机光学系统”，该系统中用4片透镜组成像方远心光路，“光学玻璃不用特殊色散材料与单一的铝镜筒匹配可达到好的被动温度补偿，在很大变化范围的浸泡温度环境中保持优良像质”。2004年《光子学报》(第33卷第11期)刊载“轻小型星敏感器光学系统的设计”，用七个球面透镜组成焦距22.7mm、总长45.3mm的成像系统。2007年《光电工程》(34卷11期)刊载“基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化”，结合星敏感器系统帧频以及探测信噪比阈值的要求，分别基于球面和非球面，实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5～0.8μm)的两种光学系统的结构设计。

以上文献报道的光学系统能满足5-10角秒级中等精度星敏感器的需要。但在温度大幅度变化条件下焦距的热偏移量

较大，光学系统成像质量不能满足亚角秒级高精度星敏感器对恒星像斑精确定位的需求。

已公开报道的国产光学系统所含镜片为4-8片。增多镜片数量的益处在于便于分别改变各镜片的材料和曲面参数校正高级像差，但随之带来某些不良影响，例如，镜片越多，菲涅尔反射损耗越大，航天环境下的失效率和故障率增高，且重量增大。

发明内容

本发明的目的在于为亚角秒级星敏感器提供一种在-20℃至+60℃范围内焦距的热稳定性好、且透镜数量少的轻小型光学成像装置。

本发明包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器，光阑和兼作保护窗的滤光片，其特征在于，所述透镜为两片，两片透镜对称放置在光阑的两侧，在二片透镜的中间放有物镜伸缩环，两片透镜的外侧安设有起复位和紧固作用的弹性环，伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动控制装置。

所述镜片为非球面平凸透镜。

减小光学系统像差的传统方法，是在设计光学系统的过程中，分别调整不同镜片的材料和曲面参数，消除不同种类的高级像差。本发明可改变的曲面仅两个，若采用普通球面结构，难以用上述传统方法取得良好的消像差效果。本发明采用非球面构形，使光学系统对恒星的成像质量，达到亚角秒级星敏感器对恒星像斑质心精确定位的要求。

2片平凸透镜的参数：镜片的材料为ZF10(折射率＝1.68893，玻璃的折射率温度系数＝6×10^-6/℃，玻璃的热膨胀系数＝9.1×10^-6/℃)。

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-c^2(1+k)(x^2+y^2)}}$

以上公式中，x、y是曲面坐标，c＝±0.02943/mm，k＝-0.5254。平凸透镜的非球面参数：R＝1/c＝±33.97840mm

所述光电图像传感器的光敏面位于最佳离焦面位置。

标定光学系统图像传感器的位置，使之处于最佳离焦面位置。所述“最佳离焦面位置”的含义，是以减小恒星像斑质心定位误差为目标，通过优选镜片的材料和曲面参数以及所述离焦面的位置，使视场中心和边缘的恒星弥散斑半径近似相等。离焦面的特征在于：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值的约为23微米，ΔR值不大于0.5微米。

在光电图像传感器和底座之间设有微调光电图像传感器位置的支承环，通过支承环与底座的热形变效应，微调图像传感器的光敏面，使之在大温度范围内与最佳离焦面重合；在光电图像传感器和底座之间设有微调光电图像传感器位置的支承环，通过支承环与底座的热形变效应，微调图像传感器的光敏面，使之与最佳离焦面重合。

两片透镜与光阑组成对称式物镜，透镜的非球面参数和材料参数的优化组合，使得镜头焦距的热偏移量与镜片间距呈线性关系；在二片透镜的之间设有物镜伸缩环，在两片透镜外侧安放有起复位和紧固作用的弹性环。伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动补偿装置，以不额外消耗能源的方式(被动式)微调两个镜片的间隔。该间距增量与透镜和镜筒热效应引起的焦距的热偏移量具有线性关系，使得伸缩环引起的焦距变化量抵消透镜和镜筒热效应引起的焦距的热偏移量，在-20℃至+60℃温度范围内，控制镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于10^-5。

综上所述，本发明成像系统的镜片数量仅2片，其热稳定性好。在环境温度-20℃至+60℃范围内，光学系统焦距f的热偏移量Δf/f不大于10^-5。在实际应用中，该热偏移量是可忽略的小量，星敏感器光学系统的焦距值可视为常量，无需重新标定或采用软件手段进行焦距热补偿，即可使星敏感器在温度大幅度变化环境中的测量误差小于亚角秒级。

本发明的优点之一，是以不额外消耗能源的方式实现焦距热偏移的自动补偿。在焦距近似等于常数、最佳离焦面与光敏面对齐的前提下，精确测量恒星像斑的质心位置。本发明的特色是镜片少，使得星敏感器的装置轻量化、无热化，适合搭载在小型航天器上。

附图说明

图1是星敏感器轻小型光学系统结构及其焦距热偏移量被动式补偿装置示意图；

图2是双平凸非球面对称式物镜的光路图；

图3是两镜片间距d与光学系统焦距f随温度而变化的曲线图；

图4是光学系统离焦面上的恒星弥散斑半径均方误差随视场角而变化的曲线图。

具体实施方式

实施例：

如图1，镜筒1材料为钛合金TC4，热膨胀系数为9.1×10^-6/℃。沿镜筒1的光轴安装有兼作保护窗的滤光片11，透镜2-1和透镜2-2、光电图像传感器6。两片平凸透镜2-1和2-2对称放置在光阑5的两侧，组成对称式物镜。物镜伸缩环3位于二片透镜之间，材料为镍合金，20℃时厚度值为2.93817mm，其热膨胀系数为16.32×10^-6/℃；在两片透镜外侧安放有弹性环4-1和4-2，所述弹性环起复位和紧固作用。伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量被动式补偿装置，所述补偿装置自动微调两个镜片的间隔，微调镜片间距引起的焦距变化量与镜片、镜筒的热效应“正、负相消”，使得整个透镜组的焦距值不随环境温度变化而变化。在光电图像传感器6和镜筒底座7之间设有支承环8，支承环对图像传感器6的轴向位置起微调作用，使传感器6的光敏面与选定的离焦面9始终对齐。

两镜片的间距f与温度具有正线性关系(温度上升时，间距d增大)。焦距f＝27mm，相对孔径＝1/3.8。

镜片参数见表1。表面2和4为平面，表面1和5的非球面参数Z的计算公式为：

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-c^2(1+k)(x^2+y^2)}}$

其中，x，y是曲面坐标，c＝±0.02943/mm，k＝-0.5254。非球面参数：

R＝1/c＝±33.97840mm

表1镜片主要参数

镜片材料参数：ZF10(n＝1.68893，β＝6×10^-6/℃，a＝9.1×10^-6/℃)。位置可调镜片的间距d：20℃时为5.87634mm。

光学系统光路如图2。两镜片间距d与光学系统焦距f随温度而变化的曲线如图3。以被动方式(自动)微调焦距的原理，是用伸缩环厚度的热变形控制间距d，使伸缩环的热膨胀引起的焦距变化量与透镜和镜筒热效应引起的焦距的热偏移量正、负相消。例如，伸缩环材料采用镍合金，热膨胀系数a＝16.32×10^{- 6}/℃，在20℃时厚度5.87634mm，伸缩环3的热胀冷缩可使图3中的焦距曲线在-20℃至+60℃温度范围保持水平取向。

标定光学系统图像传感器的位置，使其光敏面之处于最佳离焦面位置。按照以下两个步骤，用光线追迹法筛选恒星经所述光学系统成像的最佳离焦面的位置：

(1)通过优化透镜曲面和折射率的方法，使得1等至6等恒星像斑能量分布曲线均为高斯型，且同一恒星在视场中心的像斑和视场边缘的像斑的点列图半径RMS值的约为23微米。

(2)用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图RMS半径值的差值，以ΔR值不大于0.5微米为判据，确定所述离焦面到理想焦面的距离。

图4是离焦面像斑随视场角的变化规律。图中，0度、1度、2度和3度视场的像斑弥散斑半径变化规律各不相同。本发明选择的离焦面后截距为21.8mm(20℃)，弥散斑RMS半径值在23.5微米左右。

上述的说明，仅为本发明的实施例，非限定本发明的实施例：凡熟悉该项技艺的人士，其所依本发明的特征范畴，所作出的其它等效变化，如尺寸大小、材料选择变化等，皆应涵盖在以下本发明所申请专利范围内。

Claims (3)

1.一种轻小型星敏感器光学成像装置，包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器，光阑和兼作保护窗的滤光片，其特征在于，所述透镜为两片非球面平凸透镜，两片非球面平凸透镜对称放置在光阑的两侧，在透镜的中间放有物镜伸缩环，两片透镜的外侧安设有起复位和紧固作用的弹性环，伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动控制装置，所述两片非球面平凸透镜的参数是：镜片的材料为ZF10，其折射率n＝1.68893，玻璃的折射率温度系数β＝6×10^-6/℃，玻璃的热膨胀系数a＝9.1×10^-6/℃，非球面的形状Z满足以下计算公式：

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-c^2(1+k)(x^2+y^2)}}$

以上公式中，x、y是曲面坐标，c＝±0.02943/mm，k＝-0.5254，位置可调镜片的间距d在20℃时为5.87634mm。

2.根据权利要求1所述的轻小型星敏感器光学成像装置，其特征在于，所述光电图像传感器的光敏面位于最佳离焦面位置，所述最佳离焦面的特征是：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值为23微米，ΔR值不大于0.5微米。

3.根据权利要求1所述的轻小型星敏感器光学成像装置，其特征在于，所述伸缩环在-20℃至+60℃温度范围内的热胀冷缩效应微调两透镜的间距，该间距微调量引起的镜头焦距偏移量抵消镜头和镜筒热效应引起的焦距的热偏移量，控制镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于10^-5。

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