CN104833355A - 一种星敏感器用光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种星敏感器用光学系统，该光学系统用于高精度星敏感器。光学系统采用了改进型匹斯凡结构，共由6片透镜组成，全部采用球面透镜。该系统将孔径光阑设置于第1片玻璃上。系统第1片玻璃采用熔石英材料，使其即可用于校正像差，也可充当光学系统的保护玻璃。本发明光学系统具有宽光谱、大视场、大相对孔径等特点；在较大的光谱范围和视场内具有很小的畸变量，各视场弥散斑能量集中度分布均匀，成像质量良好。系统可以工作于-40℃到+50℃，可以在各温度点具有良好的像质和离焦量，可以满足工作于空间恶劣温度环境下的高精度星敏感器的姿态测量需求。

Description

一种星敏感器用光学系统

技术领域

本发明涉及一种星敏感器用光学系统，属于光学工程范畴。

背景技术

本发明用于航天器用星敏感器。星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于光电转换器上，输出信号经过A/D转换送数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性坐标系下的指向，通过星敏感器在飞行器、星光导航系统及舰船的上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿态。

星敏感器一般由遮光罩、光学系统、探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。

星敏感器光学系统对星敏感器的整机性能，特别是精度等核心性能有着重要影响，光学系统性能的降低将带来整机精度、灵敏度等核心指标的降低，因此光学系统是星敏感器的关键部件之一。相比较于常用的照相物镜，星敏感器用光学系统的观测目标是恒星目标，恒星目标一般具有宽光谱、低照度的特点；同时为了提高整机对恒星像点的定位精度，光学系统需将恒星目标在光电探测器上，恒星像点应接近高斯分布。

由于星敏感器用于空间环境，因此光学系统在满足成像性能的同时，需具有较好的抗力学性能，耐高温差能力和抗宇宙辐射能力等。这些要求使得星敏感器光学系统在材料选择、结构设计等方面有较大限制。

因此根据星敏感器整机和恒星目标的特点，星敏感器光学系统是一种具有大视场、大相对孔径、宽光谱、低畸变、高可靠度的成像系统，因此导致其设计难度较大，对结构设计、系统装调等要求很高。因此星敏感器光学系统的相关设计及装调技术是星敏感器的核心技术之一。

星敏感器光学系统具有大视场、宽谱段、大相对孔径、低畸变等特点，一般使用复杂化的光学系统、甚至非球面光学系统保证光学系统具有良好的成像性能。光学系统复杂化后一般体积重量较大。光学系统体积重量变大后，使得星敏感器需进行结构加固设计才能满足光学系统的稳定性等要求，导致星敏感器产品的整机体积和重量较大，不利星敏感器整机的轻量化。

非球面光学系统可以在一定程度上降低光学系统的体积和重量，但非球面光学系统加工难度较大，研制周期较长；同时非球面镜片的零件合格率较低，导致非球面光学系统成本较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器用光学系统，满足了工作于空间恶劣温度环境下的高精度星敏感器的姿态测量需求。

本发明的技术方案是：一种星敏感器用光学系统，光学系统由左至右依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护玻璃和光电探测器；

孔径光阑位于光学系统第一透镜顶点上；光学系统第一透镜为正透镜，用于收集目标经孔径光阑后的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜上；第一透镜材料选用熔石英材料；第二透镜为负透镜，用于校正第一透镜产生的球差；第三透镜对第二透镜发出的光能量进行汇聚后发送给第四透镜；第四透镜、第五透镜和第六透镜用于修正光学系统焦距，并对第一透镜、第二透镜和第三透镜的像差进行校正；探测器保护玻璃起到保护作用，光电探测器对接受的光线进行探测。所述第三透镜、第四透镜、第五透镜均为正透镜，第六透镜为负透镜。

孔径光阑通光孔径为36mm；

第一透镜前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-118.03mm，透镜中心厚度10mm，外轮廓直径42mm，材料使用熔石英材料；

第二透镜前表面曲率半径-55.46mm，后表面曲率半径-973.6mm，透镜中心厚度2.98mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZF3；

第三透镜前表面曲率半径38.37mm，后表面曲率半径133.05mm，透镜中心厚度7mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZK9；

第四透镜前表面曲率半径41.58mm，后表面曲率半径-133.05mm，透镜中心厚度7.5mm，外轮廓直径36.6mm，玻璃牌号为ZK9；

第五透镜前表面曲率半径32.89mm，后表面曲率半径65.77mm，透镜中心厚度5.85mm，外轮廓直径30mm，玻璃牌号为LAK3；

第六透镜前表面曲率半径-26.5mm，后表面曲率半径57.94mm，透镜中心厚度3.07mm，外轮廓直径21mm，玻璃牌号为ZF4；

探测器保护玻璃为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。

第一透镜和第二透镜空气间隔为3.3mm；

第二透镜和第三透镜空气间隔为0.6mm；

第三透镜和第四透镜空气间隔为17.4mm；

第四透镜和第五透镜空气间隔为0.62mm；

第五透镜和第六透镜空气间隔为3.3mm；

第六透镜和探测器保护玻璃空气间隔为5.047mm；

探测器保护玻璃和光电探测器空气间隔为0.5mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本光学系统具有宽光谱、大视场、大相对孔径、像质优良、空间热稳定性好等特点，适用于高精度星敏感器，可以提高卫星和空间飞行器的姿态测量精度，保证飞行器的稳定运行

2)本发明光学系统孔径光阑位于第一透镜前表面顶点处。孔径光阑位置靠前，可以减小光学系统、特别是孔径光阑前的各透镜的通光孔径。光学系统中各镜片通光孔径的减小可以减小各镜片的体积和重量，同时带来光学系统体积和重量的减小。

3)本发明光学系统的第一透镜材料熔石英材料。使用熔石英材料即可以校正光学系统像差，亦可保护光学系统中各透镜。使得光学系统中无需单独设置保护玻璃，可以进一步减小光学系统的重量。

4)光学系统中各透镜均为球面透镜。球面透镜的加工及装调方法已经比较成熟，零件加工难度较低。系统的研制周期和研制成本较非球面光学系统大大降低。

5)本发明光学系统具有良好的空间环境适应性，可以工作于-50℃～+70℃的温度环境。在该工作温度范围内均具有良好的像质，系统在该温度范围内的最大离焦量约为0.05mm，可以满足高精度星敏感器的使用要求。

6)本发明结构紧凑、组成简单；具有宽谱段、大视场、大相对孔径等特点，系统成像质量良好，畸变较小。可以用于稳定、持续的获取航天器的高精度姿态信息。

附图说明

图1为本发明光学系统组成结构示意图。

具体实施方式

星敏感器一般由遮光罩、光学系统、探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。

星敏感器使用光学系统将恒星目标的能量进行会聚，会聚后的星点能量成像于星敏感器探测器上进行后续的图像处理及姿态数据输出。因此光学系统的成像质量、体积重量、空间环境适应性是评估星敏感器光学系统的关键指标。

如图1所示，本发明光学系统由六片透镜组成，孔径光阑位于光学系统第一透镜前表面的顶点上，系统中全部使用球面透镜。包括孔径光阑(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、探测器保护玻璃(8)和光电探测器(9)。

光学系统工作光谱范围为0.47μm～0.75μm，系统焦距43.3mm，入瞳直径35mm，全视场20°，工作温度为-50℃～+70℃。

光学系统工作光谱范围较宽，为了校正系统中色差，系统整体透镜采用了“+-+++-”结构。

光学系统第一透镜2为正透镜，用于收集目标的发射光线，将目标光能量汇聚后入射至第二透镜3上。第一透镜2材料使用熔石英材料，即可起到校正像差的作用也可起到保护玻璃的作用。第二透镜3为负透镜，用于校正第一透镜2所产生的较大球差。第三透镜4对第二透镜3的光能量进行汇聚，避免光能量过度发散。第四透镜5、第五透镜6和第六透镜7用于修正光学系统焦距，并对第一透镜2、第二透镜3和第三透镜4的像差进行校正。

探测器保护玻璃8位于探测器内，用于避免探测器受灰尘及其他多余物影响。光电探测器9是系统探测器位置，用于放置星敏感器探测器。

本发明光学系统孔径光阑1位置靠前，可以减小光学系统、特别是孔径光阑1前的各透镜的通光孔径。光学系统中各镜片通光孔径的减小可以减小各镜片的体积和重量，同时带来光学系统体积和重量的减小。

第一透镜(2)材料使用熔石英材料。使用熔石英材料即可以校正光学系统像差，亦可保护光学系统中各透镜。使得光学系统中无需单独设置保护玻璃，可以进一步减小光学系统的重量。

本发明实施例中，孔径光阑通光孔径为36mm；第一透镜2前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-118.03mm，透镜中心厚度10mm，外轮廓直径42mm，材料使用熔石英材料；第二透镜3前表面曲率半径-55.46mm，后表面曲率半径-973.6mm，透镜中心厚度2.98mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZF3；第三透镜4前表面曲率半径38.37mm，后表面曲率半径133.05mm，透镜中心厚度7mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZK9；第四透镜5前表面曲率半径41.58mm，后表面曲率半径-133.05mm，透镜中心厚度7.5mm，外轮廓直径36.6mm，玻璃牌号为ZK9；第五透镜6前表面曲率半径32.89mm，后表面曲率半径65.77mm，透镜中心厚度5.85mm，外轮廓直径30mm，玻璃牌号为LAK3；第六透镜7前表面曲率半径-26.5mm，后表面曲率半径57.94mm，透镜中心厚度3.07mm，外轮廓直径21mm，玻璃牌号为ZF4；探测器保护玻璃8为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。第一透镜2和第二透镜3空气间隔为3.3mm；第二透镜3和第三透镜4空气间隔为0.6mm；第三透镜4和第四透镜5空气间隔为17.4mm；第四透镜5和第五透镜6空气间隔为0.62mm；第五透镜6和第六透镜7空气间隔为3.3mm；第六透镜7和探测器保护玻璃8空气间隔为5.047mm；探测器保护玻璃8和光电探测器9空气间隔为0.5mm。

为了使得系统在工作温度范围内均具有良好的成像质量，在系统中尽量使用对温度敏感度较低的玻璃材料，同时使用不同牌号的玻璃进行组合，对由于温度变化带来的像质影响进行抑制。

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 (3)

1.一种星敏感器用光学系统，其特征在于：光学系统由左至右依次包括孔径光阑(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、探测器保护玻璃(8)和光电探测器(9)；

孔径光阑(1)位于光学系统第一透镜(2)顶点上；光学系统第一透镜(2)为正透镜，用于收集目标经孔径光阑(1)后的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜(3)上；第一透镜(2)材料选用熔石英材料；第二透镜(3)为负透镜，用于校正第一透镜(2)产生的球差；第三透镜(4)对第二透镜(3)发出的光能量进行汇聚后发送给第四透镜(5)；第四透镜(5)、第五透镜(6)和第六透镜(7)用于修正光学系统焦距，并对第一透镜(2)、第二透镜(3)和第三透镜(4)的像差进行校正；探测器保护玻璃(8)起到保护作用，光电探测器(9)对接受的光线进行探测。所述第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)均为正透镜，第六透镜(7)为负透镜。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器用光学系统，其特征在于：

孔径光阑通光孔径为36mm；

第一透镜(2)前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-118.03mm，透镜中心厚度10mm，外轮廓直径42mm，材料使用熔石英材料；

第二透镜(3)前表面曲率半径-55.46mm，后表面曲率半径-973.6mm，透镜中心厚度2.98mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZF3；

第三透镜(4)前表面曲率半径38.37mm，后表面曲率半径133.05mm，透镜中心厚度7mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZK9；

第四透镜(5)前表面曲率半径41.58mm，后表面曲率半径-133.05mm，透镜中心厚度7.5mm，外轮廓直径36.6mm，玻璃牌号为ZK9；

第五透镜(6)前表面曲率半径32.89mm，后表面曲率半径65.77mm，透镜中心厚度5.85mm，外轮廓直径30mm，玻璃牌号为LAK3；

第六透镜(7)前表面曲率半径-26.5mm，后表面曲率半径57.94mm，透镜中心厚度3.07mm，外轮廓直径21mm，玻璃牌号为ZF4；

探测器保护玻璃(8)为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。

3.根据权利要求1所述的一种星敏感器用光学系统，其特征在于：

第一透镜(2)和第二透镜(3)空气间隔为3.3mm；

第二透镜(3)和第三透镜(4)空气间隔为0.6mm；

第三透镜(4)和第四透镜(5)空气间隔为17.4mm；

第四透镜(5)和第五透镜(6)空气间隔为0.62mm；

第五透镜(6)和第六透镜(7)空气间隔为3.3mm；

第六透镜(7)和探测器保护玻璃(8)空气间隔为5.047mm；

探测器保护玻璃(8)和光电探测器(9)空气间隔为0.5mm。