CN101770072B - 一种复合视场敏感器成像系统 - Google Patents

Abstract

一种复合视场敏感器成像系统，由中心部分圆形视场和边缘部分环形视场复合而成，可以对恒星和地球同时成像，首先地球通道的成像光束入射到一块平面镜上，再由一块N面反射棱锥反射至成像光学系统中，恒星通道的成像光束通过一块斜置的平面反射镜反射后穿过N面反射棱锥的中心孔直接进入到成像光学系统中，这种成像结构和入射方式大大压缩折转反射镜的尺寸和轴向间距，为增加入瞳口径创造了条件，使恒星通道能够获取足够数量较弱的恒星光束；光学系统采用匹茨瓦类型的大视场统一成像光学系统，第一个面即是光栏面，使得第一面口径减小，有利于消杂光；成像系统中采用平场成像，免去采用光纤组合面板和像增强器带来的复杂性，使成像系统结构更为简单。

Description

一种复合视场敏感器成像系统

技术领域

本发明涉及一种复合视场敏感器成像系统，可应用于航天器姿态测量和航天器自主导航测量，也可应用于其它成像型光学敏感器。

背景技术

在光学系统中有一类属于敏感器镜头，如星敏感器镜头、交会对接测量敏感器镜头等。敏感器镜头成像结构一般可以分为三类，一类是折射式的，一类是折射反射式的，还有一类是反射式的。这三类中折射式的应用较多，另外两类应用较少。在折射反射式镜头中有一类是采用多个子系统复合而成的，如美国Honeywell Inc公司于1993年9月20日申请的欧洲专利公开号EP 0589 387A1公开了名称为“Method and System for Determining 3 Axis SpacecraftAttitude”，即“三轴航天器姿态确定方法与系统”。采用280nm～300nm谱段的紫外光探测地球边缘紫外辐射轮廓，确定地心的俯仰和滚动姿态信息，利用同一个探测器探测垂直于光轴方向的恒星矢量方向来确定偏航姿态信息。系统采用折转反射镜压缩视场，采用双半球加光纤转像器对大视场曲面像面进行成像。该方案虽然解决了三轴姿态和轨道高度的测量问题。但是存在的不足是，采用紫外谱段的光学系统材料较少，采用半球结构透镜和光纤传像过于复杂，成本高；光纤传像和像增强器结合会带来附加噪声，降低精度。成像结构中成像光束首先入射到多面棱锥，后面依次入射到平面反射镜、统一成像光学系统、探测器感光面，使得光学系统的尺寸难于缩小。专利号为CN101236297A的发明专利公开了“一种紫外月球敏感器的光学系统”，该光学系统主要应用紫外谱段，成像结构也与美国Honeywell Inc公司类似，成像光束首先入射到多面棱锥，再依次入射到平面反射镜、统一成像光学系统、探测器感光面，其不足之处在于：目标光先入射N棱锥后入射平面反射镜的次序使得外形尺寸不易缩小，往往很大；采用双高斯统一成像镜头形式使得第一个光学面口径相对较大，往往使得外形尺寸增大，并造成消杂光困难；成像光束充满孔径光阑成像，这样为了减小系统尺寸，势必要降低统一成像光学系统的入瞳和焦距，使得这种系统仅限于观测地球或者月球表面这样的较亮的目标，对于恒星观测测量则该种类型系统入瞳尺寸不能满足要求，必须借助于像增强器之类的手段增加弱信号强度才有可能探测到恒星，由于该系统的谱段为300nm～450nm，因此可探测的恒星仅限于紫外恒星，其能量和数量极其有限，此类系统多数仅能用于星球质心矢量的测量。美国Honeywell Inc公司专利EP 0589 387 A1所述的系统则采用纯紫外谱段探测，虽然采用球透镜可以增加探测孔径，但是该谱段恒星数量很少，加之探测恒星方向是地球边缘附近，受到大气干扰严重，另外采用球透镜的边缘视场对恒星成像，成像精度与中心视场比较要低得多，因此对于提高恒星探测处理精度也是不利的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种复合视场敏感器成像系统，减小了尺寸，结构简单，扩大了复合视场成像敏感器的应用范围。

本发明的技术解决方案是：一种复合视场敏感器成像系统，由N面反射棱锥、斜置的恒星通道平面反射镜、地球通道平面反射镜、成像光学系统、光电探测器和喇叭形遮光罩组成，其中喇叭形遮光罩安装在地球通道平面反射镜的外部用于消除太阳杂光的影响，N面反射棱锥位于地球通道平面反射镜和恒星通道平面反射镜之间，地球通道的成像光束在地球通道平面反射镜上进行反射，反射光束再在N面反射棱锥进行反射进入成像光学系统，最终由光电探测器进行接收处理，恒星通道的成像光束在恒星通道平面反射镜上反射后通过N面反射棱锥的中心孔径进入成像光学系统，最终由光电探测器进行接收处理，其中N为6、或7、或8、或9或10；

所述的成像光学系统由孔径光栏、石英窗口平板玻璃、正透镜、弯月正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜、第二双凹负透镜、第五双凸正透镜和弯月负透镜组成，其中正透镜和弯月正透镜组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜和第一双凸正透镜组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜和第三双凸正透镜组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜和第二双凹负透镜组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜和弯月负透镜组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃，依次经过正透镜、弯月正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜、第二双凹负透镜、第五双凸正透镜和弯月负透镜，最后透过探测器窗口由光电探测器进行接收处理；

所述石英窗口平板玻璃的厚度与通光口径之比为1/5～1/8；

所述正透镜与石英窗口平板玻璃的中心间隔为0.05mm～1mm；

所述弯月正透镜与正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8；

所述第一双凹负透镜为双凹负透镜，其与弯月正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；

所述第一双凸正透镜为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第二双凸正透镜为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第三双凸正透镜为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第四双凸正透镜为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第二双凹负透镜为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；

所述第五双凸正透镜为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述弯月负透镜靠近探测器窗口玻璃的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10。

所述的弯月正透镜、第四双凸正透镜采用冕类玻璃。

所述的正透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、第三双凸正透镜采用火石类玻璃。

所述的第二双凹负透镜、弯月负透镜采用重火石类玻璃。

所述的第五双凸正透镜采用镧火石类玻璃。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

(1)本发明由中心部分圆形视场和边缘部分环形视场复合而成，可以对恒星和地球同时成像，本发明与以往成像系统入射次序和结构不同，首先地球通道的成像光束入射到一块平面镜上，再由一块N面反射棱锥反射至成像光学系统中，恒星通道的成像光束通过一块斜置的平面反射镜反射后穿过N面反射棱锥的中心孔直接进入到成像光学系统中，这种成像结构和入射方式可以大大压缩折转反射镜的尺寸和轴向间距，为增加入瞳口径创造了条件，使恒星通道能够获取足够数量较弱的恒星光束；

(2)本发明的光学系统采用匹茨瓦类型的大视场统一成像光学系统，第一个面即是光栏面，使得第一面口径减小，有利于消杂光；

(3)本发明的成像系统中采用平场成像，免去采用光纤组合面板和像增强器带来的复杂性，使成像系统结构更为简单，采用这种成像结构设计可以在不采用复杂的像增强器技术的条件下实现恒星成像测量和星体中心矢量成像测量同时完成，得到星光角距观测量，如果结合动力学方程，可利用滤波算法进行基于星光角距的自主导航测量。光学成像谱段可以从紫外(200nm)到红外(16000nm)中任意选择，一是适应不同成像敏感器的使用。

以上优点克服了以往类似复合视场成像系统的局限性和缺点，可实现复合大视场双通道成像基础上的全姿态和位置的测量。

附图说明

图1为本发明的组成结构图；

图2为本发明光学系统的组成结构示意图；

图3为本发明实施例的倍率色差曲线；

图4为本发明实施例的MTF曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种复合视场敏感器成像系统，由中心部分圆形视场和边缘部分环形视场复合而成，边缘部分环形视场又可根据需要均匀等分成N个子视场，具体结构是由N面反射棱锥106、恒星通道平面反射镜107、地球通道平面反射镜108、成像光学系统109、光电探测器110和喇叭形遮光罩111组成，其中喇叭形遮光罩111安装在地球通道平面反射镜108的外部用于消除太阳杂光的影响，N面反射棱锥106位于地球通道平面反射镜108和恒星通道平面反射镜107之间，地球通道的成像光束在地球通道平面反射镜108上进行反射，反射光束再在N面反射棱锥103进行反射进入成像光学系统109，最终由光电探测器110进行接收处理，恒星通道的成像光束在恒星通道平面反射镜107上反射后通过N面反射棱锥106的中心孔径进入成像光学系统109，最终由光电探测器110进行接收处理，其中N为6、或7、或8、或9或10；

由于地球通道是由多面棱锥和平面镜形成的多个子成像系统，这些子成像系统视场角均匀分配给地球轮廓的各个部分，设多面棱锥有N个面反射面，则N个地球成像子系统的图像按照一定规则复合成地球轮廓的等效投射图，凭借等效投射图可以计算出地球中心矢量的指向。地球通道的成像光束入射次序是入射光先在地球通道平面反射镜上进行反射，反射光束再在N面反射棱锥进行反射进入成像光学系统，最终由光电探测器进行接收处理，这种结构形式有别于专利号为CN101236297A的“一种紫外月球敏感器的光学系统”，入射光线先在平面镜上反射再在N面反射棱锥中反射，可以使成像系统的结构尺寸变得扁平，有利于压缩成像系统的高度。恒星通道反射镜的安装角度可以按照用户要求进行调整，其原则是在保证定姿精度和防止卫星体散射面、地球杂光干扰。

只要按照上述成像结构进行设计，具有一般光学设计知识的科研人员均可以作出较大范围参数调整，例如可以进行平面镜位置角度调整，N面棱锥N数调整，镜头设计方案调整，恒星通道分光谱成像，恒星通道再分割多个通道，种种调整均在本专利的保护之列。

本发明采用的喇叭形遮光罩主要是用来消除太阳杂光的影响，遮光罩位于地球通道折转反射镜外侧，呈喇叭形，以不遮挡最外侧成像光为张角标准，长度的确定要保证N棱锥在其外端面以内，使得太阳抑制角可以最大程度减小，这种喇叭形的遮光罩有别于专利号为CN101236297A的“一种紫外月球敏感器的光学系统”中的环形遮光罩，同样可以减小成像系统的结构尺寸。此外在地球通道平面反射镜108和N面反射棱锥106之间可设计内部遮光罩和挡光板以消除地球通道的杂光。

光电探测器可采用CCD或APS CMOS等。

光学系统主要由11个透镜组成，如图2所示，由孔径光栏、石英窗口平板玻璃1、正透镜2、弯月正透镜3、第一双凹负透镜4、第一双凸正透镜5、第二双凸正透镜6、第三双凸正透镜7、第四双凸正透镜8、第二双凹负透镜9、第五双凸正透镜10和弯月负透镜11组成，其中正透镜2和弯月正透镜3组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜4和第一双凸正透镜5组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜6和第三双凸正透镜7组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜8和第二双凹负透镜9组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜10和弯月负透镜11组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃1的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃1，依次经过正透镜2、弯月正透镜3、第一双凹负透镜4、第一双凸正透镜5、第二双凸正透镜6、第三双凸正透镜7、第四双凸正透镜8、第二双凹负透镜9、第五双凸正透镜10和弯月负透镜11，最后透过探测器窗口12由光电探测器进行接收处理；这种结构可以获得大视场和大孔径。

石英窗口平板玻璃1的厚度与通光口径之比为1/5～1/8，其厚度的最小尺寸不能小于加工工艺所能容许的最小值。正透镜2与石英窗口平板玻璃1的中心间隔为0.05mm～1mm；材料为火石类玻璃；弯月正透镜3与正透镜2的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜3为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8；材料为冕类玻璃；第一双凹负透镜4为双凹负透镜，其与弯月正透镜3的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；材料为火石类玻璃；第一双凸正透镜5为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜4的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第二双凸正透镜6为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜5的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第三双凸正透镜7为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜6的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为火石类玻璃；第四双凸正透镜8为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜7的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为冕类玻璃；第二双凹负透镜9为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜8的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；材料为重火石类玻璃；第五双凸正透镜10为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜9的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；材料为镧火石类玻璃；弯月负透镜11靠近探测器窗口玻璃12的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜10的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10，材料为重火石类玻璃。探测器保护窗口12一般是探测器件自带的窗口，厚度1mm左右，材料一般为光学玻璃。

以上所有透镜本身的中心厚度均符合光学加工工艺所要求的最小厚度要求，11片透镜除了石英玻璃窗口外采用了4种光学玻璃完成设计，包括QK3、ZF6、LaF3、ZK9，种类少，便于加工制造和批量生产。

实施例：

首先按照本专利提供的成像结构进行外形尺寸计算，在满足性能要求的前提下，确定所需要的外形尺寸。地球通道设计为成像视场110°-140°环绕视场，恒星通道设计为20°圆形视场，统一成像光学系统的焦距29mm，视场角46°，F数为1.2，遮光罩的直径小于200mm，轴向尺寸小于200mm。这些数据设计均可实现。7的倾角为50°。

根据光学系统的性能指标按照三级象差理论，按照本专利提供的成像结构进行初始的结构参数解算，或者以本专利实施实例作为初始结构参数，采用先进光学设计软件，如美国CODE-V，将结构参数输入形成镜头文件，然后采用优化模块功能，输入敏感器镜头要求的目标值进行优化。得到优化结果后反复调整，达到如专利所述成像结构的镜头设计。

设计出的光学系统结构参数为：

面序号  球面半径(mm)    中心间隔

石英窗口平板玻璃1：

1：     INFINITY        3.000000

2：     INFINITY        0.740000

正透镜2：

3：     -121.40000      4.550000

4：     -45.08500       5.620000

弯月正透镜3：

5：     -20.70000       5.400000

6：     -18.40300       1.380000

第一双凹负透镜4：

7：     -18.00000       4.790000

8：     132.62000       0.100000

第一双凸正透镜5：

9：     134.37000       10.010000

10：    -39.76000       0.100000

第二双凸正透镜6：

11：    -394.10000      7.070000

12：    -56.52490       0.100000

第三双凸正透镜7：

13：    44.68100      9.970000

14：    -216.73000    0.100000

第四双凸正透镜8：

15：    30.55000      9.520000

16：    -159.25300    0.310000

第二双凹负透镜9

17：    -121.34000    4.200000

18：    15.77600      2.870000

第五双凸正透镜10

19：    42.65600      5.660000

20：    -52.00000     0.750000

弯月负透镜11

21：    -33.10000     2.600000

22：    -105.68000    8.000000

图3中左边的线代表800nm-500nm之间的倍率色差随视场角变化曲线，可以看出全视场范围内最大的倍率色差在8μm以内，右面的曲线代表650nm-500nm之间的倍率色差随视场角变化曲线，可以看出全视场范围内最大的倍率色差在25μm以内，由此可知，采用普通的光学材料在大孔径、大视场的条件下实现了较好的消色差效果。

图4中的曲线分别代表各个相对视场包括(0，0.2，0.4，0.8，1.0)、各个谱段(500nm，600nm，650nm，700nm，800nm)加权平均的子午和弧矢方向MTF随空间频率变化的结果，由图中的曲线可以看出，在空间频率42Lp/mm下，全视场最低的MTF达到0.3以上，说明在46°视场角和F数1.2条件下，在较高的频率空间下实现了全视场较高的MTF水平。

然而，上述的说明，仅为本发明的实施例而已，非为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或修饰，如尺寸大小、材料选择、或形状变化、功能组件的类型和数量的增减等，皆应涵盖在以下本实发明所申请专利范围内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种复合视场敏感器成像系统，其特征在于：由N面反射棱锥(106)、斜置的恒星通道平面反射镜(107)、地球通道平面反射镜(108)、成像光学系统(109)、光电探测器(110)和喇叭形遮光罩(111)组成，其中喇叭形遮光罩(111)安装在地球通道平面反射镜(108)的外部用于消除太阳杂光的影响，N面反射棱锥(106)位于地球通道平面反射镜(108)和恒星通道平面反射镜(107)之间，地球通道的成像光束(105)在地球通道平面反射镜(108)上进行反射，反射光束再在N面反射棱锥(106)进行反射进入成像光学系统(109)，最终由光电探测器(110)进行接收处理，恒星通道的成像光束(104)在恒星通道平面反射镜(107)上反射后通过N面反射棱锥(106)的中心孔进入成像光学系统(109)，最终由光电探测器(110)进行接收处理，其中N为6、或7、或8、或9或10；

所述的成像光学系统由孔径光栏、石英窗口平板玻璃(1)、正透镜(2)、弯月正透镜(3)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)、第四双凸正透镜(8)、第二双凹负透镜(9)、第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)组成，其中正透镜(2)和弯月正透镜(3)组成弯月正透镜组，第一双凹负透镜(4)和第一双凸正透镜(5)组成密接负正透镜组，第二双凸正透镜(6)和第三双凸正透镜(7)组成分光焦度镜组，第四双凸正透镜(8)和第二双凹负透镜(9)组成密接正负透镜组，第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)组成双分离正负透镜组，孔径光栏位于石英窗口平板玻璃(1)的第一个光学面，入射光通过孔径光栏和石英窗口平板玻璃(1)，依次经过正透镜(2)、弯月正透镜(3)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)、第四双凸正透镜(8)、第二双凹负透镜(9)、第五双凸正透镜(10)和弯月负透镜(11)，最后透过探测器窗口(12)由光电探测器进行接收处理； 

所述石英窗口平板玻璃(1)的厚度与通光口径之比为1/5～1/8；

所述正透镜(2)与石英窗口平板玻璃(1)的中心间隔为0.05mm～1mm；

所述弯月正透镜(3)与正透镜(2)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8，弯月正透镜(3)为向左的弯月正透镜，其厚度与通光口径比为1/5～1/8；

所述第一双凹负透镜(4)为双凹负透镜，其与弯月正透镜(3)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；

所述第一双凸正透镜(5)为双凸正透镜，其与第一双凹负透镜(4)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第二双凸正透镜(6)为双凸正透镜，其与第一双凸正透镜(5)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第三双凸正透镜(7)为双凸正透镜，其与第二双凸正透镜(6)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第四双凸正透镜(8)为双凸正透镜，其与第三双凸正透镜(7)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述第二双凹负透镜(9)为双凹负透镜，其与第四双凸正透镜(8)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10；

所述第五双凸正透镜(10)为双凸正透镜，其与第二双凹负透镜(9)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/8；

所述弯月负透镜(11)靠近探测器窗口玻璃(12)的一面是凸球面，其与第五双凸正透镜(10)的中心间隔与光学系统焦距的比为1/3～1/10。

2.根据权利要求1所述的一种复合视场敏感器成像系统，其特征在于：所述的弯月正透镜(3)、第四双凸正透镜(8)采用冕类玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种复合视场敏感器成像系统，其特征在于：所述的正透镜(2)、第一双凹负透镜(4)、第一双凸正透镜(5)、第二双凸正透镜(6)、第三双凸正透镜(7)采用火石类玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种复合视场敏感器成像系统，其特征在于： 所述的第二双凹负透镜(9)、弯月负透镜(11)采用重火石类玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种复合视场敏感器成像系统，其特征在于：所述的第五双凸正透镜(10)采用镧火石类玻璃。 

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