CN106289323B - 星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装及测试方法，设置内部有高吸收率平面涂层及消光锥的拦光桶，在拦光桶中安装数显可变光阑和消杂散光光阑，将工装的输出光方向设为通光口径或替换安装太阳能电池片和高精度的光学反射镜。本发明中通过调节拦光桶内数显可变光阑的口径大小以控制输出光斑的面积，可以避免除照射星敏感器遮光罩之外的光斑照射到测试背景空间，同时利用消杂光光阑减少了由于衍射现象所引起的杂散光，从而在杂散光测试过程中减少了背景环境光干扰，提高星敏感器在暗室环境下的测试精度。

Description

星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装及测试方法

技术领域

本发明涉及宇航类星空探测技术，具体是应用在星敏感器抗杂散光测试的光学结构工装及测试方法。

背景技术

星敏感器抗杂散光测试是星敏感器研制过程中不可缺少的测试环节。测试星敏感器抗杂散光最好的方式是在夜晚外场无云的环境下，使用一个输出光斑刚好覆盖整个星敏感器遮光罩的太阳光模拟器照射。不过这种测试方式的操作周期受时间以及空间限制，并且实验费用较高：每次测试都需要合适口径的太阳光模拟器，测试地点是无杂散光污染的晴朗外场夜晚。由于太阳模拟器内置供电电源存储能量有限，所以不能够长时间在外场环境下测试。根据上述所列举的原因，在星敏感器研发初期阶段并不适合在外场测试其抗杂散光能力。因此，发明一种能够在光学暗室实验室内进行抗杂散光测试的光学结构工装非常重要。

发明内容

总结现有实验过程中发现的测试弊端，本发明的目的在于提供一种星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装及测试方法。在光学暗室实验室内进行星敏感器抗杂散光测试的过程中，对于装调在太阳光模拟器与星敏感器之间的光学结构工装，使其可以在某一范围内自由改变测试光斑入射口径面积，降低测试背景剩余太阳光斑污染，旨在以可靠、便捷、低耗的方式实现星敏感器抗杂散光测试。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装，其中包含：

拦光桶，其大口径方向对准太阳模拟器的光束输出端，小口径方向对准星敏感器遮光罩；

所述拦光桶的内表面设有平面消光涂层，并分布安装有消光锥；

所述拦光桶内部设有可变光阑和消杂光光阑，所述可变光阑的口径可调节，所述消杂光光阑是沿着光束入射的方向设置在所述可变光阑后方。

优选地，所述光学结构工装的入瞳处设为通光口径，或设有太阳能电池片，或设有反射镜。

优选地，所述拦光桶的入瞳处设有安装接口；所述太阳能电池片和反射镜，通过该安装接口替换安装在拦光桶的入瞳处。

优选地，所述拦光桶内表面的平面消光涂层，是吸收率为95％以上的钛金属层。

优选地，所述拦光桶内表面的消光锥，是吸收率为95％的锥形消光海绵。

优选地，从所述拦光桶的入瞳处向桶内排列设置有以下的平面光阑：第一消杂光光阑、第二消杂光光阑、第三消杂光光阑、所述可变光阑；第一消杂光光阑、第二消杂光光阑、第三消杂光光阑的通光口径依次增大。

优选地，所述第一个消杂光光阑同可变光阑的最小口径连线与所述拦光桶的中心线成1°夹角；第二、第三消杂光光阑的间隔在20mm以上，40mm以下；第二、第三消杂光光阑的夹角为10″，切垂直于拦光桶。

优选地，所述可变光阑的光阑口径变化范围是120mm至180mm。

本发明的另一个技术方案是提供一种星敏感器抗杂散光测试方法，使用上述任意的一项光学结构工装；所述星敏感器抗杂散光测试方法中，包含以下过程：

将太阳光光斑可控的光学结构工装的小口径方向朝向恒星敏感器，大口径方向朝向太阳光模拟器；

开启太阳光模拟器使光源输出至光学结构工装，调节光学结构工装设置的可变光阑口径以调节光斑大小，使入射光斑面积刚好覆盖在恒星敏感器遮光罩的口径内；

将光学结构工装输出光方向的通光口径，转换成太阳能电池片，通过太阳能电池片采集并计算准太阳光强能量分布，以此为依据调整太阳光模拟器的光强分布，使之不均匀性小于2％；

再将光学结构工装的太阳能电池片转换成通光口径，使输出光斑照射在星敏感器遮光罩口径内部；

打开星敏感器抗杂散光测试转台，进行抗杂散光试验。

优选地，在开启太阳光模拟器之前，先通过以下过程调整光学结构工装与太阳模拟器、恒星敏感器的相对位置关系：

根据激光自准直仪入射到安装在光学结构工装的反射镜的反射光，调整光学结构工装与太阳模拟器的位置关系，使太阳光模拟器的光轴与光学结构工装的光轴共轴；

以光学结构工装为参照，进一步利用激光自准直仪调整恒星敏感器光轴的位置，使恒星敏感器的光轴与光学结构工装平行且共轴。

本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

国内研发的太阳光模拟器普遍使用固定口径光阑，这会使得太阳光模拟器输出的光斑口径固定。在光学暗室实验室做抗杂散光实验过程中，由于输出光斑口径较大，会使得剩余光斑照射在恒星敏感器除遮光罩以外的组件、测试转台、以及测试背景墙面上，此时会产生以散射为主，反射、衍射为辅的二次光源即杂散光，这些杂散光在传播的过程中会令星敏感器成像像面目标淹没，使得测试数据偏离在轨状态。

鉴于光学暗室实验室杂散光测试出现的上述状况，本发明可以有效的减少由于剩余光斑引起的杂散光。太阳光光斑可控光学结构工装内置可调光阑使得输出光斑口径达到测试所需大小，内置的消散杂光光阑可以消除光束经过可变光阑后由于衍射引起的杂散光，最终使得输出光束恰好覆盖在星敏感器遮光罩口径内部。

因而，使用本发明星敏抗杂散光测试光学结构工装可以在一定范围内自由控制太阳模拟器输出光斑口径，不会产生由于衍射效应引起的杂散光，提高测试数据可信度。该项发明降低了传统抗杂散光干扰实验时由背景空间漫反射、转台镜面反射等引起杂散光的影响，使星敏感器在杂散光测试试验中获得的数据更接近在轨状态。

附图说明

图1为本发明所述光学结构工装的结构示意图；

图2为本发明中拦光桶的剖面图；

图3为本发明中反射镜及其安装接口的示意图；

图4为本发明中太阳能电池片以其安装接口的示意图；

图5为本发明中第一消杂光光阑的示意图；

图6为本发明中第二消杂光光阑的示意图；

图7为本发明中第三消杂光光阑的示意图；

图8为本发明中可变光阑的示意图；

图9为本发明的光路仿真图；

图10为测试过程中未使用本发明光学结构工装时拍摄的图片；

图11是测试过程中使用本发明光学结构工装时拍摄的图片；

图中：拦光桶1、可变光阑2、便携式可调三角支架3、太阳能电池片/反射镜的安装接口4。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种太阳光光斑可控的光学结构工装（以下简称为光学结构工装），应用于在光学暗室实验室内进行的星敏感器抗杂散光测试，通过改变太阳模拟器输出光斑口径，使得在杂散光测试过程中减少了背景环境光干扰，提高星敏感器在暗室环境下的测试精度。

如图1所示，所述光学结构工装，设置有拦光桶1、数显可变光阑2、三个消杂散光光阑、太阳能电池片、高精度的光学反射镜、便携式可调三角支架3、消光锥。

其中，拦光桶1的大口径方向对准太阳模拟器光束输出端，小口径方向对准星敏感器遮光罩。如图2所示，圆柱形的拦光桶1，在其内表面涂有高吸收率的平面涂层（如吸收率为95％以上的钛金属），并分布安装了消光锥（如吸收率为95％的锥形消光海绵）。

鉴于拦光桶1内部涂有高吸收率的平面涂层，则散射光主要以入射法线为中心向反射方向散射。该拦光桶1内部安装消光锥后，则散射光路彻底改变，使散射光尽可能的被吸收在拦光桶1内部。

所有光阑置于拦光桶1内，与拦光桶1相连接；由拦光桶1入瞳处（对应图2所示的左侧）向桶内排列为：第一消杂光光阑（图5）、第二消杂光光阑（图6）、第三消杂光光阑（图7）、数显可变光阑2（图8）。所有光阑皆成平面，且第一个消杂光光阑同数显可变光阑2的最小口径连线与拦光桶1的中心线成1°夹角。如图2所示从左至右布置的第一、第二、第三消杂光光阑的通光口径依次增大。第二、第三消杂光光阑的间隔在20mm以上，40mm以下；这两个光阑的夹角要求保证10″，切垂直于拦光桶。

可变光阑2的光阑口径变化范围是120mm至180mm。通过可变光阑2可以改变输出太阳光面积大小，但是在入射边界上会产生散射与反射，这些光斑如果传播到空间中，会污染测试背景。为此，将可变光阑2安装在拦光桶1内部，通过拦光桶1与可变光阑2形成有限空间的黑箱，使散射光能够在黑箱内部逐渐被吸收掉。

然而，光束经过可变光阑2时，在入射面会形成散射光，同时也会由于孔径限制产生衍射现象，衍射光会污染测试背景。所以，沿着光束入射的方向，在可变光阑2后方安置多个消杂光光阑以消除衍射现象，保证入射到星敏感器遮光罩入瞳处的光源为准太阳光。

在拦光桶1的入瞳处设有安装接口4，用于将太阳能电池片和光学反射镜替换安装在拦光桶1的入瞳处。太阳能电池片（图4）用于测量入射光能量大小及能量分布均匀性，将太阳能电池片安装在该光学结构工装的入瞳处（拦光桶1的出射面），就可以根据输入光通量能量分布来调节太阳模拟器输出的光斑能量，对太阳模拟器选择适当的离焦。

在拦光桶1出射面安装的反射镜（图3），主要是用于确定拦光桶1与太阳模拟器、星敏感器的相对位置关系。利用太阳模拟器配备的自准直仪，入射到安装在光学结构工装的高精度反射镜向外反射，就可以通过反射光位置确定该光学结构工装的光轴与太阳模拟器及星敏感器光轴相对位置关系，精度优于0.5″。

本发明所述星敏感器抗杂散光测试的方法，其实施方式如下：

（1）将太阳光光斑可控的光学结构工装的小口径方向朝向恒星敏感器，大口径方向朝向太阳光模拟器；

（2）在光学结构工装的入瞳处安装反射镜，利用激光自准直仪精确调整太阳光模拟器光轴与光学结构工装光轴共轴；

（3）以光学结构工装为参照，进一步利用激光自准直仪调节恒星敏感器光轴，使之与光学结构工装平行并共轴；

（4）将光学结构工装的反射镜转换成通光口径；开启太阳光模拟器使光源输出，调节光学结构工装的数显可变光阑，使入射光斑面积刚好覆盖在恒星敏感器遮光罩的口径内；

（5）将光学结构工装输出光方向的通光口径，转换成太阳能电池片，通过太阳能电池片计算准太阳光强能量分布，以此为依据调整太阳光模拟器的光强分布，使之不均匀性小于2％；

（6）将光学结构工装的太阳能电池片转换成通光口径，使输出光斑照射在星敏感器遮光罩口径内部。

（7）打开星敏感器抗杂散光测试转台，进行抗杂散光试验。

本发明的主要技术指标为：适用光源：高斯光束；发散角：±0.5°×±0.5°；光斑变化范围：120mm至180mm；重量：≤5kg；散射率：≤0.01％。

图9示出本发明的光路仿真图；图10是测试过程中未使用本发明光学结构工装时拍摄的图片；图11是测试过程中使用本发明光学结构工装时拍摄的图片。

本发明的输出光束由于衍射效应引起的杂光能量很小，可以忽略不记。输出光束均匀照射在星敏感器遮光罩内，同时避免了大量剩余光源照射到背景墙面以及测试转台，提高了测试准确性，可信性。

综上所述，本发明将光学结构工装装调在太阳光模拟器与星敏感器之间，通过调节可变光阑口径改变输出光斑大小，同时利用内置的消杂光光阑消除由衍射引起的杂散光，保证了入射到星敏感器遮光罩内的准太阳光光通量能量不变并且保持原有的高斯状态输出，使其不会产生剩余光斑污染测试环境。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种星敏感器抗杂散光测试用的光学结构工装，其特征在于，包含：

拦光桶，其大口径方向对准太阳模拟器的光束输出端，小口径方向对准星敏感器遮光罩；

所述拦光桶的内表面设有平面消光涂层，并分布安装有消光锥；

所述拦光桶内部设有可变光阑和消杂光光阑，所述可变光阑的口径可调节，所述消杂光光阑是沿着光束入射的方向设置在所述可变光阑后方；

所述拦光桶的入瞳处，在通光口径、太阳能电池片或反射镜之间转换；所述拦光桶的入瞳处设有安装接口；所述太阳能电池片和反射镜，通过该安装接口替换安装在拦光桶的入瞳处。

2.如权利要求1所述的光学结构工装，其特征在于，

所述拦光桶内表面的平面消光涂层，是吸收率为95％以上的钛金属层。

3.如权利要求1所述的光学结构工装，其特征在于，

所述拦光桶内表面的消光锥，是吸收率为95％的锥形消光海绵。

4.如权利要求1所述的光学结构工装，其特征在于，

从所述拦光桶的入瞳处向桶内排列设置有以下的平面光阑：第一消杂光光阑、第二消杂光光阑、第三消杂光光阑、所述可变光阑；第一消杂光光阑、第二消杂光光阑、第三消杂光光阑的通光口径依次增大。

5.如权利要求4所述的光学结构工装，其特征在于，

所述第一消杂光光阑同可变光阑的最小口径连线与所述拦光桶的中心线成1°夹角；

第二、第三消杂光光阑的间隔在20mm以上，40mm以下；第二、第三消杂光光阑的夹角为10″，切垂直于拦光桶。

6.如权利要求1所述的光学结构工装，其特征在于，

所述可变光阑的光阑口径变化范围是120mm至180mm。

7.一种星敏感器抗杂散光测试方法，使用如权利要求1-6的任意一项光学结构工装，其特征在于，所述星敏感器抗杂散光测试方法中，包含以下过程：

将太阳光光斑可控的光学结构工装的小口径方向朝向恒星敏感器，大口径方向朝向太阳光模拟器；

开启太阳光模拟器使光源输出至光学结构工装，调节光学结构工装设置的可变光阑口径以调节光斑大小，使入射光斑面积刚好覆盖在恒星敏感器遮光罩的口径内；

将光学结构工装输出光方向的通光口径，转换成太阳能电池片，通过太阳能电池片采集并计算准太阳光强能量分布，以此为依据调整太阳光模拟器的光强分布，使之不均匀性小于2％；

再将光学结构工装的太阳能电池片转换成通光口径，使输出光斑照射在星敏感器遮光罩口径内部；

打开星敏感器抗杂散光测试转台，进行抗杂散光试验。

8.如权利要求7所述的星敏感器抗杂散光测试方法，其特征在于，

在开启太阳光模拟器之前，先通过以下过程调整光学结构工装与太阳模拟器、恒星敏感器的相对位置关系：

根据激光自准直仪入射到安装在光学结构工装的反射镜的反射光，调整光学结构工装与太阳模拟器的位置关系，使太阳光模拟器的光轴与光学结构工装的光轴共轴；

以光学结构工装为参照，进一步利用激光自准直仪调整恒星敏感器光轴的位置，使恒星敏感器的光轴与光学结构工装平行且共轴。