CN102279473B - 星模拟器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星模拟器光学系统，该星模拟器光学系统包括第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片依次设置在同一水平光路的光轴上，照明系统发出的光经过第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片后平行射出；第一镜片为负透镜，第一镜片的材料为BF11玻璃；第二镜片为正透镜，第二镜片的材料为TF3玻璃；第三镜片为正透镜，第三镜片的材料为TF3玻璃；第四镜片为负透镜，第四镜片的材料为BF11玻璃。本发明提供的星模拟器光学系统，通过四片镜片组成的小畸变、波像差和倍率色差小、弥散斑均匀的高成像质量长焦距大视场投影光学系统，提高了星模拟器光学系统的成像精度。

Description

星模拟器光学系统

技术领域

本发明涉及航天器标定技术，尤其涉及一种星模拟器光学系统。

背景技术

星模拟器是航天技术领域中星敏感器的地面标定装置。星模拟器一般由光学系统、星图显示器件、星图显示软件、滤光片组件，光源，电源和安装支架等几大部分构成。其中，光学系统实现的主要功能是将星图显示器件给出的星图以平行光形式出射，以模拟来自无穷远的星光。

现有技术的光学系统，由于像点中心偏移和系统畸变，造成星点成像精度不高，从而影响星敏感器的探测精度。为了提高光学系统的精度，通常需要将镜片胶合，但胶合面对成像具有一定的影响，且粘结胶的性能会影响胶合镜片的稳定性。

发明内容

本发明提供一种星模拟器光学系统，以提高星模拟器光学系统的成像精度。

本发明提供一种星模拟器光学系统，包括：第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片依次设置在同一水平光路的光轴上，照明系统发出的光经过所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片后平行射出；

所述第一镜片为负透镜，所述第一镜片的材料为BF11玻璃；

所述第二镜片为正透镜，所述第二镜片的材料为TF3玻璃；

所述第三镜片为正透镜，所述第三镜片的材料为TF3玻璃；

所述第四镜片为负透镜，所述第四镜片的材料为BF11玻璃。

如上所述的星模拟器光学系统，其中，

所述第一镜片的厚度为8.8mm，所述第一镜片入射面的曲率半径为-1551mm，所述第一镜片出射面的曲率半径为-2850mm。

如上所述的星模拟器光学系统，其中，

所述第二镜片与所述第一镜片的间隔为252.6mm，所述第二镜片的厚度为16.8mm，所述第二镜片入射面的曲率半径为711.85mm，所述第二镜片出射面的曲率半径为2606mm。

如上所述的星模拟器光学系统，其中，

所述第三镜片与所述第二镜片的间隔为49mm，所述第三镜片的厚度为30mm，所述第三镜片入射面的曲率半径为3018.49mm，所述第三镜片出射面的曲率半径为-1513.6mm。

如上所述的星模拟器光学系统，其中，

所述第四镜片与所述第三镜片的间隔为5.33mm，所述第四镜片的厚度为31mm，所述第四镜片入射面的曲率半径为-1800mm，所述第四镜片出射面的曲率半径为725mm。

如上所述的星模拟器光学系统，还包括孔径光栏，所述孔径光栏设置在所述第四镜片的后面，且设置在所述水平光路的光轴上，所述孔径光栏与所述第四镜片的间隔为600mm。

如上所述的星模拟器光学系统，还包括：

第一反射镜，所述第一反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第一反射镜设置在所述第四镜片的后面，所述第一反射镜用于将从所述第四镜片射出的平行光原路反射，所述平行光对所述第一镜片的入射角为0度；

第一分光棱镜，所述第一分光棱镜的材料为H-K9L玻璃，所述第一分光棱镜设置在所述照明系统与所述第一镜片之间，所述分光棱镜用于将从所述照明系统发出的光透射给所述第一镜片，以及将从所述第一镜片射出的光进行分光处理，形成第一子光束；

第一读数显微镜，用于对所述第一子光束进行检测。

如上所述的星模拟器光学系统，还包括：

第二反射镜，所述第二反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第二反射镜用于将所述照明系统发出的光反射给所述第一镜片，所述照明系统发出的光对所述第二反射镜的入射角为10度；

第三反射镜，所述第三反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第三反射镜设置在所述第四镜片的后面，所述第三反射镜用于将从所述第四镜片射出的平行光原路反射，所述平行光对所述第一镜片的入射角为0度；

第二分光棱镜，所述第二分光棱镜的材料为H-K9L玻璃，所述第二分光棱镜设置在所述照明系统与所述第二反射镜之间，且设置在所述照明系统的光路上，所述第二分光棱镜用于将所述照明系统发出的光透射给所述第二反射镜，以及将经过所述第二反射镜反射回来的光进行分光处理，形成第二子光束；

第二读数显微镜，用于对所述第二子光束进行检测。

如上所述的星模拟器光学系统，还包括：

所述第一分光棱镜与所述照明系统的间隔为156.8481mm，所述第一分光棱镜与所述第一镜片的间隔为4320mm，所述第一分光棱镜的厚度为160mm。

如上所述的星模拟器光学系统，还包括：

所述第二分光棱镜与所述照明系统的间隔为156.8481mm，所述第二分光棱镜与所述第二反射镜的间隔为2120mm，所述第二分光棱镜的厚度为160mm，所述第二反射镜与所述第一镜片的间隔为2200mm。

由上述技术方案可知，本发明提供的星模拟器光学系统，通过四片镜片组成的小畸变、波像差和倍率色差小、弥散斑均匀的高成像质量长焦距大视场投影光学系统，提高了星模拟器光学系统的成像精度。该星模拟器光学系统为分离式光学系统，可以避免胶合镜片的胶合面对成像的影响，进一步提高了成像精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种星模拟器光学系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种星模拟器光学系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的再一种星模拟器光学系统结构示意图。

附图标记：

1-第一镜片；        2-第二镜片；        3-第三镜片；

4-第四镜片；        5-照明系统；        6-第一反射镜；

7-第一分光棱镜；    8-第一读数显微镜；  9-第二反射镜；

10-第三反射镜；     11-第二分光棱镜；   12-第二读数显微镜；

13-十字分划板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。

图1为本发明实施例提供的一种星模拟器光学系统结构示意图，如图1所示，该种星模拟器光学系统包括第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4，第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4依次设置在同一水平光路的光轴上，照明系统5发出的光经过第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4后平行射出。具体的，第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4的光心都位于同一光轴上，可以通过支架将各镜片固定。第一镜片1为负透镜，第一镜片1的材料为BF11玻璃，属于钡火石玻璃。第二镜片2为正透镜，第二镜片2的材料为TF3玻璃，属于特种火石玻璃。第三镜片3为正透镜，第三镜片3的材料为TF3玻璃，属于特种火石玻璃。第四镜片4为负透镜，第四镜片4的材料为BF11玻璃，属于钡火石玻璃。特种火石玻璃具有较低的色散系数，有利于对二级光谱的校正。具体的，照明系统5用于模拟星图，照明系统5发出的光，即通过星图靶标出射的光，经过各镜片的处理后形成平行光，将星图成像到无穷远，以模拟甚高精度星敏感器在轨观测到的星图。

本实施例提供的星模拟器光学系统，通过四片镜片组成的小畸变、波像差和倍率色差小、弥散斑均匀的高成像质量长焦距大视场投影光学系统，提高了星模拟器光学系统的成像精度。该星模拟器光学系统为分离式光学系统，可以避免胶合镜片的胶合面对成像的影响，进一步提高了成像精度，且所使用的光学零件少，结构简单，有利于加工和装配。

在本实施例中，该星模拟器光学系统中的各个镜片的参数可以根据实际的成像精度要求来具体设置，本实施例给出一组优选的可以实现高成像精度的参数，但不以本实施例为限。

在本实施例中，优选地，第一镜片1的厚度为8.8mm，第一镜片1入射面的曲率半径为-1551mm，第一镜片1出射面的曲率半径为-2850mm。

在本实施例中，优选地，第二镜片2与第一镜片1的间隔为252.6mm，第二镜片2的厚度为16.8mm，第二镜片2入射面的曲率半径为711.85mm，第二镜片2出射面的曲率半径为2606mm。

在本实施例中，优选地，第三镜片3与第二镜片2的间隔为49mm，第三镜片3的厚度为30mm，第三镜片3入射面的曲率半径为3018.49mm，第三镜片3出射面的曲率半径为-1513.6mm。

在本实施例中，优选地，第四镜片4与第三镜片3的间隔为5.33mm，第四镜片4的厚度为31mm，第四镜片4入射面的曲率半径为-1800mm，第四镜片4出射面的曲率半径为725mm。

在本实施例中，各镜片参数的设定，除了关心光学传递函数与点列图之外，需要观察主光线与质心偏差，以避免偏差在存在部分误差时发生较大变化。本实施例提供的星模拟器光学系统，具有高成像质量，在全视场内最差波像差均方值不大于λ/31.54，在全视场内最大相对畸变误差不大于0.000422％，倍率色差在全视场内最大值不大于1.59μm，能量中心与主光线误差在全视场内的误差小于0.89μm。同时，在温度由15℃变为25℃时引起的光学系统离焦波动不超过±30μm，能量中心位置变化产生的角度误差为0.002″。

在本实施例中，星模拟器光学系统具体还包括孔径光栏，孔径光栏设置在第四镜片4的后面，且设置在水平光路的光轴上，孔径光栏与第四镜片4的间隔为600mm。通过孔径光栏的设置，使星模拟器光学系统的出瞳外置，以现与星敏感器的光瞳衔接。星模拟器光学系统与星敏感器共用同一孔径光栏，孔径光栏的位置即为出瞳位。当星敏感器中设有孔径光栏时，星模拟器光学系统中则无需设置。

图2为本发明实施例提供的另一种星模拟器光学系统结构示意图，如图2所示，在本实施例中，星模拟器光学系统具体还可以包括第一反射镜6、第一分光棱镜7和第一读数显微镜8。第一反射镜6的材料为H-K9L玻璃，第一反射镜6设置在第四镜片4的后面，第一反射镜6用于将从第四镜片4射出的平行光原路反射，平行光对第一镜片1的入射角为0度。第一分光棱镜7的材料为H-K9L玻璃，第一分光棱镜7设置在照明系统5与第一镜片1之间，分光棱镜用于将从照明系统5发出的光透射给第一镜片1，以及将从第一镜片1射出的光进行分光处理，形成第一子光束。第一读数显微镜8用于对第一子光束进行检测。通过第一反射镜6、第一分光棱镜7和第一读数显微镜8的设置，可以对该星模拟器光学系统的出射精度进行检验。该星模拟器光学系统的检验工作的具体过程可以为：照明系统5发出的光经过第一分光棱镜7，一部分光透射出第一分光棱镜7后，经过第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4的处理后，形成平行光，平行光垂直入射第一反射镜6，经过第一反射镜6的反射后原路返回，经过第四镜片4、第三镜片3、第二镜片2和第一镜片1后，再经过第一分光棱镜7进行分光处理，形成第一子光束。通过第一读数显微镜8对第一子光束进行检测，就可以完成对精度的检验。具体的，第一读数显微镜8设置在三维调整机构上，第一读数显微镜8前设有十字分划板13，以提高第一显微镜的检测角度和精度。第一读数显微镜8与第一分光棱镜7的间隔，和照明系统5的与第一分光棱镜7的间隔相等。

在本实施例中，在上述实施例的各镜片参数设置的基础上，优选地，第一分光棱镜7与照明系统5的间隔为156.8481mm，第一分光棱镜7与第一镜片1的间隔为4320mm，第一分光棱镜7的厚度为160mm。

图3为本发明实施例提供的再一种星模拟器光学系统结构示意图，如图3所示，在本实施例中，星模拟器光学系统还可以包括第二反射镜9、第三反射镜10、第二分光棱镜11和第二读数显微镜12。第二反射镜9的材料为H-K9L玻璃，第二反射镜9用于将照明系统5发出的光反射给第一镜片1，照明系统5发出的光对第二反射镜9的入射角为10度。第三反射镜10的材料为H-K9L玻璃，第三反射镜10设置在第四镜片4的后面，第三反射镜10用于将从第四镜片4射出的平行光原路反射，平行光对第一镜片1的入射角为0度。第二分光棱镜11的材料为H-K9L玻璃，第二分光棱镜11设置在照明系统5与第二反射镜9之间，且设置在照明系统5的光路上，第二分光棱镜11用于将照明系统5发出的光透射给第二反射镜9，以及将经过第二反射镜9反射回来的光进行分光处理，形成第二子光束。第二读数显微镜12用于对第二子光束进行检测。

在实际应用过程中，星模拟器光学系统通常设置在气浮式光学平台上，通过第二反射镜9的设置，进行光路折转，可以减小整个星模拟器光学系统的尺寸，进一步减小了气浮式光学平台的尺寸，也提高了空间的利用率。

本实施例中的该星模拟器光学系统的检验工作的具体过程可以为：照明系统5发出的光经过第二分光棱镜11，一部分光透射出第一分光棱镜7后，经过第二反射镜9的反射后，经过第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3和第四镜片4的处理形成平行光，平行光垂直入射第三反射镜10，经过第三反射镜10的反射后原路返回，经过第四镜片4、第三镜片3、第二镜片2和第一镜片1后，经过第二反射镜9的反射，再经过第一分光棱镜7进行分光处理，形成第二子光束。通过第二读数显微镜12对第二子光束进行检测，就可以完成对精度的检验。

在本实施例中，在上述实施例的各镜片参数设置的基础上，优选地，第二分光棱镜11与照明系统5的间隔为156.8481mm，第二分光棱镜11与第二反射镜9的间隔为2120mm，第二分光棱镜11的厚度为160mm，第二反射镜9与第一镜片1的间隔为2200mm。

本发明实施例提供的星模拟器光学系统，通过四片镜片的设置，形成小畸变、波像差和倍率色差小、弥散斑均匀的高成像质量长焦距大视场投影光学系统，提高成像精度的同时，由于采用全分离式结构设计，简化了系统结构，降低了生产成本。通过分光棱镜和反射镜的设置，可以实现星模拟器光学系统的自检，检验精度可以提高一倍。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种星模拟器光学系统，其特征在于，包括：第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片，所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片依次设置在同一水平光路的光轴上，照明系统发出的光经过所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片后平行射出； 

所述第一镜片为负透镜，所述第一镜片的材料为BF11玻璃； 

所述第二镜片为正透镜，所述第二镜片的材料为TF3玻璃； 

所述第三镜片为正透镜，所述第三镜片的材料为TF3玻璃； 

所述第四镜片为负透镜，所述第四镜片的材料为BF11玻璃； 

所述第一镜片的厚度为8.8mm，所述第一镜片入射面的曲率半径为-1551mm，所述第一镜片出射面的曲率半径为-2850mm；

所述第二镜片与所述第一镜片的间隔为252.6mm，所述第二镜片的厚度为16.8mm，所述第二镜片入射面的曲率半径为711.85mm，所述第二镜片出射面的曲率半径为2606mm；

所述第三镜片与所述第二镜片的间隔为49mm，所述第三镜片的厚度为30mm，所述第三镜片入射面的曲率半径为3018.49mm，所述第三镜片出射面的曲率半径为-1513.6mm；

所述第四镜片与所述第三镜片的间隔为5.33mm，所述第四镜片的厚度为31mm，所述第四镜片入射面的曲率半径为-1800mm，所述第四镜片出射面的曲率半径为725mm。 

2.根据权利要求1所述的星模拟器光学系统，其特征在于，还包括孔径光栏，所述孔径光栏设置在所述第四镜片的后面，且设置在所述水平光路的光轴上，所述孔径光栏与所述第四镜片的间隔为600mm。 

3.根据权利要求1所述的星模拟器光学系统，其特征在于，还包括： 

第一反射镜，所述第一反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第一反射镜设 置在所述第四镜片的后面，所述第一反射镜用于将从所述第四镜片射出的平行光原路反射，所述平行光对所述第一镜片的入射角为0度； 

第一分光棱镜，所述第一分光棱镜的材料为H-K9L玻璃，所述第一分光棱镜设置在所述照明系统与所述第一镜片之间，所述第一分光棱镜用于将从所述照明系统发出的光透射给所述第一镜片，该透射给所述第一镜片的光依次经过所述第一镜片、所述第二镜片、所述第三镜片和所述第四镜片的处理后，形成平行光，平行光垂直入射所述第一反射镜，经过所述第一反射镜的反射后原路返回，经过所述第四镜片、所述第三镜片、所述第二镜片和所述第一镜片后，再经过所述第一分光棱镜进行分光处理，形成第一子光束； 

第一读数显微镜，用于对所述第一子光束进行检测。 

4.根据权利要求1所述的星模拟器光学系统，其特征在于，还包括： 

第二反射镜，所述第二反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第二反射镜用于将所述照明系统发出的光反射给所述第一镜片，所述照明系统发出的光对所述第二反射镜的入射角为10度； 

第三反射镜，所述第三反射镜的材料为H-K9L玻璃，所述第三反射镜设置在所述第四镜片的后面，所述第三反射镜用于将从所述第四镜片射出的平行光原路反射，所述平行光对所述第一镜片的入射角为0度； 

第二分光棱镜，所述第二分光棱镜的材料为H-K9L玻璃，所述第二分光棱镜设置在所述照明系统与所述第二反射镜之间，且设置在所述照明系统的光路上，所述第二分光棱镜用于将所述照明系统发出的光透射给所述第二反射镜，以及将经过所述第二反射镜反射回来的光进行分光处理，形成第二子光束； 

第二读数显微镜，用于对所述第二子光束进行检测。 

5.根据权利要求3所述的星模拟器光学系统，其特征在于，还包括： 

所述第一分光棱镜与所述照明系统的间隔为156.8481mm，所述第一分光棱镜与所述第一镜片的间隔为4320mm，所述第一分光棱镜的厚度为160mm。 

6.根据权利要求4所述的星模拟器光学系统，其特征在于，还包括： 

所述第二分光棱镜与所述照明系统的间隔为156.8481mm，所述第二分光棱镜与所述第二反射镜的间隔为2120mm，所述第二分光棱镜的厚度为160mm，所述第二反射镜与所述第一镜片的间隔为2200mm。 

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