CN103743398A - 一种具有中间像的星敏感器成像结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有中间像的星敏感器成像结构，包括第一级镜头、中间消杂光光纤面板、第二级镜头、探测器消杂光光纤面板和光电探测器；所述结构第一次成像由第一级镜头成中间像，第二次成像由第二级镜头成最终像，两次成像均为像方远心光路；所述中间消杂光光纤面板设置在第一级镜头的成像平面处，其前端面与第一级镜头像面一致，后端面作为第二次成像的目标；所述探测器消杂光光纤面板安装在第二级镜头的像面处，其出口面紧密贴合光电探测器。本发明使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，还可以使遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至不用遮光罩，节省成本和资源，更加便于星体上安装。

Description

一种具有中间像的星敏感器成像结构
技术领域
本发明及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种具有中间像的星敏感器成像结构。
 
背景技术
星敏感器是飞行器姿态控制系统所经常采用的一种姿态测量敏感器，在飞行器控制领域发挥非常重要的作用。星敏感器一般由光学成像系统、CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）或APS（Active Pixel Sensor，有源像素传感器）成像电子线路、DSP（Data Signal Processor，数字信号处理器）信息处理单元、星图处理软件、通讯接口等几大部分构成。其中光学系统完成将恒星成像在CCD焦平面上的功能。
星敏感器光学系统与一般的成像系统相比具有如下的特点：
(1) 对于点目标成像，不要求成像的细节，代之以较高的消色差和畸变水平，而且还要求像点在CCD/APS上占有至少2X2个像素，以便保证星点能量中心的准确提取。
(2) 要求采用全分离式光学结构设计，以防胶合面空间使用脱胶。
(3) 要求一定的弥散斑尺寸的调整能力，以便在标定时确定最终的弥散斑大小；
(4) 要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定以内，一般不超过1微米；
(5) 尽可能少的光学零件数目；
(6) 尽可能小的镜头轴向尺寸和径向尺寸；
(7) 具有良好的内部消杂光特性。
国内外目前在该领域对其研究工作主要有以下方式，第一是在2004年第2期光子学报上发表的“折反式大视场星敏感器光学系统”；第二是在2004年第11期光子学报上发表的“轻小型星敏感器光学系统设计”；第三是在2005年第12期光子学报上发表的“宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计”；第四件是ZL200610170214 专利所提出的一种7片透镜组成的光学系统。
上述已知技术均不完全具备以上所述的7个特点，而且都存在着各自的不足。
 在“轻小型星敏感器光学系统设计”中提出的光学系统焦距22.7mm，相对孔径1/1.4，视场角17.1ooX17.1oo,总长度与焦距之比为2:1，虽然视场较大，但是没有设计为近远心光路，对弥散斑调整带来不便，另外像面位于最后一面的球心附近，易产生鬼像。
上述提出的一种折反射式星敏感器光学系统，视场角Φ200，入瞳直径36.3mm，相对孔径1/1.2，焦距为43.56mm。该系统虽具有色差校正良好，覆盖谱段宽等优点，其主要不足是外形尺寸较大，而且不是像方远心光路；
上述提到的宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计，虽然视场较大，相对孔径也较高，但是使用了9片镜片（包括一片窗口），而且采用了一个空间系统应避免采用的双胶合结构，而且也不是像方近远心光学系统，不便于弥散斑调整。
上述已有专利提到的7片透镜组成的星敏感器光学系统结构形式虽然克服了许多缺点，但是在内部消杂光特性方面没有考虑。
综上所述，现有的星敏感器设计存在的问题主要是没有考虑系统内部消杂光特性。
已有技术中的星敏感器光学系统，无论是哪种形式，都是由成像元件和焦平面探测器构成的，没有消杂光光纤面板这种非成像元件。因此，以往的星敏感器光学系统不能抵挡来自外界进入镜头的杂光，导致探测器感光面上覆盖一层背景杂光，严重时将使得星敏感器不能正常工作。
已有技术中的星敏感器光学系统主要的杂光光源来自太阳、地球大气散射、月球反照，为了遮挡这种杂光，必须采用一个尺寸和重量很大的遮光罩，否则，视场外的太阳等杂光照射到镜头后，将在镜头内部引起很强的散射，甚至直接达到探测器上，造成强杂光干扰恒星成像，导致星敏感器失效。遮光罩尺寸和重量是星敏感器的一个较大负担，而且遮光罩的消杂光能力也是有限的，只能遮挡某个角度以外的杂光，这个角度成为杂光抑制角，杂光抑制角以内的杂光遮光罩是无能为力的。
外遮光罩给星敏感器带来的缺点如下：
(1)遮光罩在星敏感器外部，尺寸重量较大，带来发射成本增加和星上安装的不便；
(2)外遮光罩消杂光能力不足。主要体现在杂光抑制角距离视场角较远，一般都在10°以上。
 
发明内容
本发明的目的克服上述现有技术的缺陷，提出一种具有具有中间像的并具有内消杂光特性的综合性能优良的星敏感器光学系统成像结构。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：包括第一级镜头1、中间消杂光光纤面板2、第二级镜头3、探测器消杂光光纤面板4和光电探测器8；所述结构第一次成像由第一级镜头1成中间像，第二次成像由第二级镜头3成最终像，两次成像均为像方远心光路；所述中间消杂光光纤面板2设置在第一级镜头1的成像平面处，其前端面与第一级镜头1像面一致，后端面作为第二次成像的目标；所述探测器消杂光光纤面板4安装在第二级镜头3的像面处，其出口面紧密贴合光电探测器8。
上述技术方案中，进一步的，所述第一级镜头1是一种具有像方远心光学系统结构的光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为1个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于3%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段（谱段边界可为0.45微米~0.85微米，0.5微米~0.8微米，0.5微米~0.85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整），光学镜头的F数范围在1.5到4，典型值是1.5、2、2.5、3、3.5、4。
进一步的，所述第二级镜头3是一种具有物方像方双远心光学系统结构的光学系统，放大倍率为光电探测器8最大尺寸与中间像尺寸之比，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为1个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于3%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段（谱段边界可为0.45微米~0.85微米，0.5微米~0.8微米，0.5微米~0.85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整），光学镜头的F数范围在2到4。
进一步的，所述中间消杂光光纤面板2和探测器消杂光光纤面板4由若干具有5~20mm长度的光纤并齐紧密排列而成，所有光纤等长排列，光纤面板的厚度等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，两个大的有效端面是以小于10角秒公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。
光纤面板的厚度确定可有两种方式，一种是不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍，另一种方式是不限定长度，但是应在光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。光纤面板采用的单根光纤直径一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，还可以采用7微米和8微米的光纤，视需求而定，目前的工艺制作这样的光纤是没问题的。光纤面板的端面口径现有工艺可以达到从几个厘米到几十个厘米。中间消杂光光纤面板是一个独立的器件，通过外框结构固定在第一级或者第二级镜头结构上，探测器光纤面板的后端面与探测器光敏面的固定采用粘接方式，采用光学树脂胶即可，除了胶粘外，还要采用机械辅助固定，现将光纤面板的边缘装在金属框架里，再与探测器之间保持一定的安装调整手段即可。
进一步的，所述光电探测器8为普通APS CMOS或者CCD成像器件，所不同的是前端的入射窗口已经取下，所述探测器感光面与探测器光纤面板之间采用光学粘接胶密贴粘合。探测器窗口取下的方法有多种，一种是直接用刀片沿着窗口粘贴缝隙割下，一种是用溶剂把窗口粘结胶融化下来。
进一步的，光纤面板的厚度确定可不限定长度，应以满足力学环境条件和安装固定方便为宜，所述光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。中间消杂光光纤面板的有效直径应满足星敏感器的有效视场要求，在满足没有渐晕条件下保证星敏感器全视场要求。
光学成像镜头的安装与已有技术相同，光纤面板和探测器的安装是通过光学粘接胶和结构辅助支撑固定在探测器基座上，这样本发明的成像结构可设计可安装，因此时可实施的。
第一级镜头的半视场是ω，焦距是f′，中间消杂光光纤面板的端面直径为D，探测器的对角线尺寸一般不大于D。并且。第二级镜头的倍率为β，探测器最大尺寸为A，则。
本发明所述成像结构是星敏感器光学系统的设计方案，其工作原理是，恒星目标辐射从无限远入射到第一级镜头，由第一级镜头成中间像，中间像面与中间消杂光光纤面板的前段面一致，并通过光纤面板传导到光纤面板的后端面，从后端面出射的光场与前端面采集到的光场除了在整体能量上有衰减外，仍具有中间像的特性，光纤面板后端面作为第二级镜头的物，经过第二级镜头成像到探测器光纤面板前端面，经过探测器光纤面板传到后端面，后端面与探测器光敏面通过光学粘接胶密贴在一起，这样探测器最终探测到探测器光纤面板后端面导出的光场分布。
在已有技术中，没有消杂光光纤面板的应用，虽然有的光学系统具有中间像设计，并通过在中间像位置设置光栏以利于视场外杂光进入，但是消杂光能力还是有限的，对于星敏感器而言仍然不足，仍然需要使用外遮光罩加以第一级消杂光。本发明不但采用中间像设计消杂光，而且在中间像上附加采用消杂光光纤面板进一步过滤大于光纤临界孔径角的光线，使得消杂光能力大幅度提高，甚至可以不需要外遮光罩的第一级除杂光，即可满足星敏感器的消杂光要求，不但如此，在第二级镜头成像的探测器焦面上再次使用光纤面板消除残余杂光，使得消杂光能力进一步提高，因此本发明克服了现有技术中必须借助遮光罩消杂光带来的问题，可以避免采用外遮光罩消杂光，对于星敏感器节约成本和提高性能具有实质的作用。
本发明的优势在于，可以利用消杂光光纤面板选择性通过某一范围传播方向的光线，使得强杂光源来的杂光，由于不满足消杂光光纤面板的传播方向范围而不能传播到光纤面板的出射端面，从而起到消杂光的作用。由于采用了消杂光光纤面板，不但使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，而且还可以使得现有技术中的遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增强星敏感器的消杂光能力，并且减小了遮光罩得尺寸重量，节省成本和资源，更加便于星体上安装，因此其技术优势是明显的，具有很强的创造性。
 
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图中：1—第一级镜头示意图；2—中间消杂光光纤面板；3—第二级镜头；4—探测器光纤面板；5—探测器光纤面板安装结构；6—探测器安装电路板基座；7—光学粘接胶层；8—光电探测器。
 
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步详细说明。
参看附图1，本发明提出一种具有内消杂光特性的综合性能优良的星敏感器光学系统成像结构，核心部分由第一级镜头1、中间消杂光光纤面板2、第二级镜头3、探测器消杂光光纤面板4、光电探测器8构成，4安装在探测器光纤面板安装结构5；探测器8安装在探测器安装电路板基座；8与4之间采用光学粘接胶层7粘合。第一次成像由一级镜头成中间像，第二次成像由二级镜头成最终像，两次成像均为像方远心光路，中间像处置中间消杂光光纤面板，最终像置探测器消杂光光纤面板。与现有技术相比较特点在于，在第一次成像采用一级镜头，第一级镜头成像平面处引入一种中间消杂光光纤面板，中间面板前端面与第一级镜头像面一致，中间面板的后端面作为第二次成像光学系统的目标，第二级镜头像面处安装探测器光纤面板，在探测器光纤面板的出口面密贴光电探测器。
恒星目标辐射从无限远入射到第一级镜头1，由第一级镜头成中间像，中间像面与中间消杂光光纤面板2的前段面一致，并通过光纤面板2传导到光纤面板的后端面，从后端面出射的光场与前端面采集到的光场除了在整体能量上有衰减外，仍具有中间像的特性，光纤面板后端面作为第二级镜头3的物，经过第二级镜头3成像到探测器光纤面板4前端面，经过探测器光纤面板4传到后端面，后端面与探测器8光敏面通过光学粘接胶密贴在一起，这样探测器最终探测到探测器光纤面板后端面导出的光场分布。
所述的1、2、3、4、8的实施方案如前所述，整个光学系统结构内部除了通光通道外，其余结构表面均作光吸收黑色处理，各个组件固定需要按照力学环境条件要求设计，组件固定方式应考虑同轴和倾斜调整余地，以便实现以光轴为中心的各个组件1、2、3、4、8的穿串调整。
实施例
如本发明所述成像结构，主要由第一级镜头1、中间消杂光光纤面板2、第二级镜头3、探测器消杂光光纤面板4、光电探测器8构成。4安装在探测器光纤面板安装结构5；探测器8安装在探测器安装电路板基座；8与4之间采用光学粘接胶层7粘合；第一次成像由一级镜头成中间像，第二次成像由二级镜头成最终像，两次成像均为像方远心光路，中间像处置中间消杂光光纤面板，最终像置探测器消杂光光纤面板。与现有技术相比较特点在于，在第一次成像采用一级镜头，第一级镜头成像平面处引入一种中间消杂光光纤面板，中间面板前端面与第一级镜头像面一致，中间面板的后端面作为第二次成像光学系统的目标，第二级镜头像面处安装探测器光纤面板，在探测器光纤面板的出口面密贴光电探测器。
星敏感器成像系统整体指标为：焦距f′=64mm，光电探测器像素尺寸为5.5微米，视场2ω=15°，相对孔径=1/2。
第一级镜头性能参数确定：视场2ω=15°；焦距f′=32mm，相对孔径=1/2，光谱段0.45微米~0.85微米，具有像方远心光学系统结构，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为10微米，具有小于1%的畸变差，具有小于3微米的倍率色差，具有10mm范围的后截距，具有7片分离镜片。
第二级镜头性能参数确定：放大倍率为2，孔径角同第一镜头，光谱段0.45微米~0.85微米，具有双远心光学系统结构，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为10微米，光电探测器像素尺寸为5.5微米，具有小于1%的畸变差，具有小于3微米的倍率色差，具有10mm范围的后截距，具有8片分离镜片。
中间消杂光光纤面板有效端面直径8.5mm，厚度为5mm，光纤直径为6微米，光纤之间隙填充黑色吸光物质。
探测器消杂光光纤面板有效端面直径18mm，厚度为5mm，光纤直径为6微米，光纤之间隙填充黑色吸光物质。
探测器感光面尺寸为11mm×11mm，型号CMV4000，光学粘接胶采用光学环氧胶。
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、或形状变化等，皆应涵盖在以下本发明所申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：包括第一级镜头（1）、中间消杂光光纤面板（2）、第二级镜头（3）、探测器消杂光光纤面板（4）和光电探测器（8）；所述结构第一次成像由第一级镜头（1）成中间像，第二次成像由第二级镜头（3）成最终像，两次成像均为像方远心光路；所述中间消杂光光纤面板（2）设置在第一级镜头（1）的成像平面处，其前端面与第一级镜头（1）像面一致，后端面作为第二次成像的目标；所述探测器消杂光光纤面板（4）安装在第二级镜头（3）的像面处，其出口面紧密贴合光电探测器（8）。
2.如权利要求1所述一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：所述第一级镜头（1）是一种具有像方远心光学系统结构的光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为1个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于3%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段，光学镜头的F数范围在1.5到4，典型值是1.5、2、2.5、3、3.5、4。
3.如权利要求1所述一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：所述第二级镜头（3）是一种具有物方像方双远心光学系统结构的光学系统，放大倍率为光电探测器（8）最大尺寸与中间像尺寸之比，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为1个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于3%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段，光学镜头的F数范围在2到4。
4.如权利要求1所述一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：所述中间消杂光光纤面板（2）和探测器消杂光光纤面板（4）由若干具有5~20mm长度的光纤并齐紧密排列而成，所有光纤等长排列，光纤面板的厚度等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，两个大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。
5.如权利要求1所述一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：所述光电探测器（8）为普通APS CMOS或者CCD成像器件，其前端入射窗口取下，其感光面与探测器消杂光光纤面板（4）采用光学粘接胶密贴粘合。
6.如权利要求1所述一种具有中间像的星敏感器成像结构，其特征在于：光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面；中间消杂光光纤面板的有效直径应满足星敏感器的有效视场要求，在满足没有渐晕条件下保证星敏感器全视场要求。
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