CN103399392B - 一种大视场高精度的星敏感器光学系统 - Google Patents

Abstract

一种大视场高精度的星敏感器光学系统，属于光学领域，本发明为解决现有星敏感器光学系统存在的问题。本发明包括光栏、镜片组和像平面，视场中恒星发出的光线经光栏入至镜片组，经镜片组透射后在像平面上成像；所述镜片组是由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片构成的近像方远心光学系统；第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片按从光栏至像平面的方向依次摆放在同一光轴上；第一镜片、第四镜片和第五镜片为正透镜，第二镜片、第三镜片和第六镜片为负透镜。

Description

一种大视场高精度的星敏感器光学系统

技术领域

本发明涉及一种大视场高精度的星敏感器光学系统，属于光学领域。

背景技术

星敏感器是飞行器控制系统中测量精度较高的姿态敏感器，在卫星器姿态控制中发挥着尤为重要的作用。近年来随着微小卫星技术快速发展，特别是自主导航星敏感器研究和应用的日益广泛，星敏感器逐渐向大视场、轻量化、高精度的趋势发展。

目前，星敏感器关键技术主要包括光学系统研制技术、图像处理技术、星图匹配等。其中，光学系统设计是星敏感器研制过程中的重要部分，由于成像目标以及对像质的要求不同，星敏感器光学系统具有如下特点：(1)对星点目标成像，不要求成像的细节，但要保证像点质心位置的精度；(2)要求使用全分离式光学结构，以防空间在轨工作过程中出现胶合面脱胶现象；(3)要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定范围内，一般不超过像元尺寸的十分之一；(4)满足成像质量的前提下，使用尽可能少的光学零件数目以便于加工装配；尽量减小的镜头轴向尺寸和径向尺寸以便减小星敏感器的体积和质量。设计的难点在于保证优良的恒星像质。

目前星敏感器光学系统主要有如下几种：

(1)9片球面透镜组成的双高斯结构非像方远心光学系统。

该光学系统光栏位于4、5片透镜之间，第三、第四片和第五、第六片为胶合透镜，系统视场角为25°×25°，焦距为22.5mm，F数为1.2，总长度为46.51mm。胶合透镜可有效减小色差对光学系统成像质量的影响，但卫星实际在轨工作中，胶合面受空间环境的作用容易发生脱胶现象，进而改变了星敏感器光学系统的结构，导致星图无法识别或误匹配，从而影响星敏感器姿态确定结果。

(2)7片无胶合球面透镜构成的非像方远心光学系统。

该光学系统的长为45.3mm，全视场角为25°×25°的，相对孔径为1：1.4。非像方远心光学系统不利于克服热离焦和发射冲击离焦，也不利于星敏感器标定过程中弥散斑的调整。

(3)无胶合的像方远心光学系统的设计。

该光学系统由11片透镜组成，镜头的光学筒长与焦距相比较长，对心加工工艺难度较大，且不利于空间产品轻量化的要求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有星敏感器光学系统存在的问题，提供了一种大视场高精度的星敏感器光学系统。

本发明所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统，它包括光栏、镜片组和像平面，视场中恒星发出的光线经光栏入至镜片组，经镜片组透射后在像平面上成像；

所述镜片组是由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片构成的近像方远心光学系统；

第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片按从光栏至像平面的方向依次摆放在同一光轴上；

第一镜片、第四镜片和第五镜片为正透镜，第二镜片、第三镜片和第六镜片为负透镜。

本发明的优点：本发明所述的星敏感器光学系统透镜组为近像方远心光学系统，镜片的三种光学材料NLAF2、ZF6、LaF4和SF14具有折射率高的、无理性能良好且吸收小的特点，高折射率光学材料使系统对透镜厚度的要求降低，缩短系统总长，增加结构的紧凑度，进而实现系统的小型化；高折射率、低色散的正透镜玻璃材料，可以提高相对孔径、增大视角及透镜半径、降低高级像差，使各视场角的弥散圆更均匀；透镜组镜片数量为6个，少于现有的透镜组透镜数，减小了透镜组的体积和质量。

附图说明

图1是本发明所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统的结构示意图；

图2是星敏感器光学系统的光路图；

图3是星敏感器光学系统点列图；

图4是星敏感器光学系统MTF曲线；图中标记说明：9——弧矢衍射极限传函曲线；10——子午衍射极限传函曲线；11——相对视场0.2子午传函曲线；12——相对视场0.2弧矢传函曲线；13——相对视场0.7子午传函曲线；14——相对视场0.7弧矢传函曲线；15——相对视场1.0子午传函曲线；16——相对视场1.0弧矢传函曲线；

图5是星敏感器光学系统像差特性曲线；图中〈1〉表示700.000nm，〈2〉表示546.000nm，〈3〉表示404.700nm；

图6是星敏感器光学畸变曲线；

图7是星敏感器光学系统能量集中度，图中17表示(0.0°,0.0°)，18表示(0.0°,5.0°)，19表示(0.0°,10.0°)，20表示(0.0°,15.0°)，21表示(0.0°,22.35°)。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统，它包括光栏7、镜片组和像平面8，视场中恒星发出的光线经光栏7入至镜片组，经镜片组透射后在像平面8上成像；

所述镜片组是由第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5和第六镜片6构成的近像方远心光学系统；

第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5和第六镜片6按从光栏7至像平面8的方向依次摆放在同一光轴上；

第一镜片1、第四镜片4和第五镜片5为正透镜，第二镜片2、第三镜片3和第六镜片6为负透镜。

如图2所示，视场中的恒星所发出的光线经光栏7入射到星敏感器光学系统镜片组(一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5和第六镜片6)，该光线经镜片组后成像在像平面8上，形成对应的星像点光斑，利用质心提取算法计算光斑在像平面中的坐标位置，通过星图识别算法与导航星库匹配找到观测星对应的导航星，最后利用这些导航星对解算出三轴姿态信息。由此，星敏感器根据光学系统的成像信息确定出所搭载的负载平台在空间中的位置及姿态，进而对负载平台进行姿态控制。

图3反映被测星点在焦面上成像的情况，纵坐标为弥散斑位置，横坐标对应弥散斑形状。可见，各视场点列图近似为圆形，圆度很好，大小基本一致、均匀、对称。光斑的均方根(RMS)直径以及对应探测器能量中心偏移量，满足姿态确定所需的对星像点质心位置精度的要求。

图4给出(0°，0°)，(0°，5°)，(0°，15°)，(0°，22.35°)，四个视场的子午和弧矢振幅传递函数曲线，表示不同正弦强度分布函数经光学系统成像后其对比度的衰减程度，各曲线基本一致，40线对处传函值均大于0.4，因此，所设计的光学系统传递函数指标符合要求。

图5为(0°，0°)，(0°，5°)，(0°，10°)，(0°，15°)，(0°，22.35°)五个视场不同波长的像差特性曲线，横坐标表示光束口径，纵坐标表示垂轴像差，左右两侧分别是子午和弧矢垂轴像差曲线。如图所示，垂轴像差大小约占像元尺寸的2%，各种像差在整个孔径和整个视场内达到了较好的平衡。

图6为畸变曲线，纵轴为视场，横坐标对应畸变，畸变占像元尺寸的0.5%，小于1%。可以说明系统具有较好的成像质量，满足设计要求。

如图7所示，横坐标确定距离质心的半径，纵坐标表示对应半径内的能量占光斑总能量的百分比。可见，不同视场的光斑，直径40μm内，能量集中度大于90%，达到了光学系统设计的2～3个像元内能量集中大于80%的指标要求。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，设定镜片组中的每个镜片面向光栏7的镜面为第一镜面，面向像平面8的镜面为第二镜面，则镜片组的各镜面为第一镜片1的第一镜面1-1、第一镜片1的第二镜面1-2、第二镜片2的第一镜面2-1、第二镜片2的第二镜面2-2、第三镜片3的第一镜面3-1、第三镜片3的第二镜面3-2、第四镜片4的第一镜面4-1、第四镜片4的第二镜面4-2、第五镜片5的第一镜面5-1、第五镜片5的第二镜面5-2、第六镜片6的第一镜面6-1和第六镜片6的第二镜面6-2，

第一镜片1的第二镜面1-2与第五镜片5的第二镜面5-2为高次非球面，其余镜片的镜面均为球面。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，镜片组中各镜片的位置关系、以及各镜片的曲率半径按下表选择：

上表中第六镜片6的第二镜面6-2与后一镜面沿中心轴线的间隔距离指表中第六镜片6的第二镜面6-2与像平面8沿中心轴线的间隔距离。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一镜片1、第四镜片4和第五镜片5的材料采用镧火石玻璃NLAF2；

第二镜片2的材料采用重火石ZF6；

第三镜片3的材料采用镧火石LaF4；

第六镜片6的材料采用重火石SF14；

光栏7的材料采用SILICA。

Claims (3)

1.一种大视场高精度的星敏感器光学系统，其特征在于，它包括光栏(7)、镜片组和像平面(8)，视场中恒星发出的光线经光栏(7)入至镜片组，经镜片组透射后在像平面(8)上成像；

所述镜片组是由第一镜片(1)、第二镜片(2)、第三镜片(3)、第四镜片(4)、第五镜片(5)和第六镜片(6)构成的近像方远心光学系统；

第一镜片(1)、第二镜片(2)、第三镜片(3)、第四镜片(4)、第五镜片(5)和第六镜片(6)按从光栏(7)至像平面(8)的方向依次摆放在同一光轴上；

第一镜片(1)、第四镜片(4)和第五镜片(5)为正透镜，第二镜片(2)、第三镜片(3)和第六镜片(6)为负透镜；

设定镜片组中的每个镜片面向光栏(7)的镜面为第一镜面，面向像平面(8)的镜面为第二镜面，则镜片组的各镜面为第一镜片(1)的第一镜面(1-1)、第一镜片(1)的第二镜面(1-2)、第二镜片(2)的第一镜面(2-1)、第二镜片(2)的第二镜面(2-2)、第三镜片(3)的第一镜面(3-1)、第三镜片(3)的第二镜面(3-2)、第四镜片(4)的第一镜面(4-1)、第四镜片(4)的第二镜面(4-2)、第五镜片(5)的第一镜面(5-1)、第五镜片(5)的第二镜面(5-2)、第六镜片(6)的第一镜面(6-1)和第六镜片(6)的第二镜面(6-2)，

第一镜片(1)的第二镜面(1-2)与第五镜片(5)的第二镜面(5-2)为高次非球面，其余镜片的镜面均为球面；

镜片组中各镜片的位置关系、以及各镜片的曲率半径按下表选择：

上表中第六镜片(6)的第二镜面(6-2)与后一镜面沿中心轴线的间隔距离指表中第六镜片(6)的第二镜面(6-2)与像平面(8)沿中心轴线的间隔距离。

2.根据权利要求1所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统，其特征在于，第一镜片(1)、第四镜片(4)和第五镜片(5)的材料采用镧火石玻璃NLAF2；

第二镜片(2)的材料采用重火石ZF6；

第三镜片(3)的材料采用镧火石LaF4；

第六镜片(6)的材料采用重火石SF14。

3.根据权利要求1所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统，其特征在于，光栏(7)的材料采用SILICA。