CN106772936A - 一种小型化高精度星敏感器用光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种小型化高精度星敏感器用光学系统，本发明的光学系统采用了准高斯透镜结构，共由6片透镜组成，全部采用球面透镜，第一透镜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‑50℃到+70℃，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

一种小型化高精度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

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。

根据星敏感器整机和恒星目标的特点，星敏感器光学系统设计难度较大，对结构设计、系统装调等要求很高，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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型化高精度星敏感器用光学系统，具有宽光谱、大视场、大相对孔径特点，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。

本发明所采用的技术方案是：一种小型化高精度星敏感器用光学系统，包括依次排列的第一透镜、第二透镜、孔径光阑、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；入射光线从第一透镜入射，第一透镜为正透镜，收集目标的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜上；第二透镜为正透镜，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像差校正后发送给第四透镜；第四透镜、第五透镜和第六透镜对光学系统焦距进行修正，并对第一透镜、第二透镜和第三透镜的像差进行校正；光电探测器对接收的光能量进行探测；第四透镜、第五透镜均为正透镜，第三透镜、第六透镜均为负透镜。

所述光学系统焦距为37.6mm，入瞳直径为34mm，F数为1.1，全视场角为17°；第一透镜顶点距光电探测器的总长度为62.7mm，光学系统焦距与长度的比例为1:2。

所述第一透镜前表面曲率半径57.94mm，后表面曲率半径-192.31mm，透镜中心厚度5mm，外轮廓直径38mm，材料为熔石英材料；

第二透镜前表面曲率半径31.05mm，后表面曲率半径81.41mm，透镜中心厚度6mm，外轮廓直径35mm，玻璃牌号为ZK9；

第三透镜前表面曲率半径-45mm，后表面曲率半径32.29mm，透镜中心厚度4.5mm，外轮廓直径29.4mm，玻璃牌号为ZF4；

第四透镜前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-44.06mm，透镜中心厚度8.5mm，外轮廓直径33mm，玻璃牌号为LAK3；

第五透镜前表面曲率半径26.92mm，后表面曲率半径-161.81mm，透镜中心厚度6.9mm，外轮廓直径24.4mm，玻璃牌号为LAK3；

第六透镜前表面曲率半径-28.25mm，后表面曲率半径42.46mm，透镜中心厚度2.5mm，外轮廓直径17mm，玻璃牌号为ZF4。

所述探测器保护玻璃为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。

所述第一透镜和第二透镜空气间隔为0.5mm；所述第二透镜和孔径光阑空气间隔为2mm；所述孔径光阑和第三透镜空气间隔为4.5mm；所述第三透镜和第四透镜空气间隔为2.3mm；所述第四透镜和第五透镜空气间隔为12.5mm；所述第五透镜和第六透镜空气间隔为3mm；所述第六透镜和探测器保护玻璃空气间隔为3.42mm；所述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)本发明光学系统F数为1.1，星敏感器常用的F数为1.2～2，本发明具有较小的F数，可以收集更多的恒星光能量，有效提升星敏感器的探测灵敏度。

(2)本发明光学系统采用了无保护窗设计，避免了使用保护窗带来的光学系统体积和重量增加的问题。

(3)本发明光学系统畸变较小，最大绝对畸变优于5um，可以减小光学系统对恒星成像后星点位置偏差对星敏感器精度的影响。

(4)本发明光学系统可以工作于-50℃～+70℃的温度环境。在该工作温度范围内的最大离焦量约为0.05mm，且具有良好的像质，使光学系统具有良好的空间环境适应性。

(5)本发明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。

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，光学系统由左至右依次包括第一透镜1、第二透镜2、孔径光阑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0.5μm～0.9μm，系统焦距37.6mm，入瞳直径34mm，全视场17°，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。

入射光线从第一透镜1入射，第一透镜1为正透镜，用于收集目标的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜2上；第一透镜1材料选用熔石英材料；第二透镜2为正透镜，用于校正第一透镜1产生的球差；孔径光阑3位于光学系统第二透镜2和第三透镜4之间；第三透镜4对第二透镜2发出的光能量进行像差校正后发送给第四透镜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1、第二透镜2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对接受的光能量进行探测。所述第四透镜5、第五透镜6均为正透镜，第三透镜4、第六透镜7为负透镜。

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3位置靠前，可以减小光学系统、特别是孔径光阑3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1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。光学系统第一透镜1顶点距光电探测器9的总长度约为62.7mm，光学系统焦距与长度的比例约为1:2。透射式光学系统焦距与长度的比值一般在1:3以上，因此本发明具有较小的长度和体积。

本发明实施例中，第一透镜1前表面曲率半径57.94mm，后表面曲率半径-192.31mm，透镜中心厚度5mm，外轮廓直径38mm，材料使用熔石英材料；第二透镜2前表面曲率半径31.05mm，后表面曲率半径81.41mm，透镜中心厚度6mm，外轮廓直径35mm，玻璃牌号为ZK9；第三透镜3前表面曲率半径-45mm，后表面曲率半径32.29mm，透镜中心厚度4.5mm，外轮廓直径29.4mm，玻璃牌号为ZF4；第四透镜5前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-44.06mm，透镜中心厚度8.5mm，外轮廓直径33mm，玻璃牌号为LAK3；第五透镜6前表面曲率半径26.92mm，后表面曲率半径-161.81mm，透镜中心厚度6.9mm，外轮廓直径24.4mm，玻璃牌号为LAK3；第六透镜7前表面曲率半径-28.25mm，后表面曲率半径42.46mm，透镜中心厚度2.5mm，外轮廓直径17mm，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1和第二透镜2空气间隔为0.5mm；第二透镜2和孔径光阑3空气间隔为2mm；孔径光阑3和第三透镜4空气间隔为4.5mm；第三透镜4和第四透镜5空气间隔为2.3mm；第四透镜5和第五透镜6空气间隔为12.5mm；第五透镜6和第六透镜7空气间隔为3mm；第六透镜7和探测器保护玻璃8空气间隔为3.42mm；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 (5)

1.一种小型化高精度星敏感器用光学系统，其特征在于：包括依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)、孔径光阑(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)；入射光线从第一透镜(1)入射，第一透镜(1)为正透镜，收集目标的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜(2)上；第二透镜(2)为正透镜，用于校正第一透镜(1)产生的球差；第三透镜(4)对第二透镜(2)发出的光能量进行像差校正后发送给第四透镜(5)；第四透镜(5)、第五透镜(6)和第六透镜(7)对光学系统焦距进行修正，并对第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(4)的像差进行校正；光电探测器(9)对接收的光能量进行探测；第四透镜(5)、第五透镜(6)均为正透镜，第三透镜(4)、第六透镜(7)均为负透镜。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高精度星敏感器用光学系统，其特征在于：所述光学系统焦距为37.6mm，入瞳直径为34mm，F数为1.1，全视场角为17°；第一透镜(1)顶点距光电探测器(9)的总长度为62.7mm，光学系统焦距与长度的比例为1:2。

3.根据权利要求1或2所述的一种小型化高精度星敏感器用光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)前表面曲率半径57.94mm，后表面曲率半径-192.31mm，透镜中心厚度5mm，外轮廓直径38mm，材料为熔石英材料；

第二透镜(2)前表面曲率半径31.05mm，后表面曲率半径81.41mm，透镜中心厚度6mm，外轮廓直径35mm，玻璃牌号为ZK9；

第三透镜(4)前表面曲率半径-45mm，后表面曲率半径32.29mm，透镜中心厚度4.5mm，外轮廓直径29.4mm，玻璃牌号为ZF4；

第四透镜(5)前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-44.06mm，透镜中心厚度8.5mm，外轮廓直径33mm，玻璃牌号为LAK3；

第五透镜(6)前表面曲率半径26.92mm，后表面曲率半径-161.81mm，透镜中心厚度6.9mm，外轮廓直径24.4mm，玻璃牌号为LAK3；

第六透镜(7)前表面曲率半径-28.25mm，后表面曲率半径42.46mm，透镜中心厚度2.5mm，外轮廓直径17mm，玻璃牌号为ZF4。

4.根据权利要求3所述的一种小型化高精度星敏感器用光学系统，其特征在于：所述探测器保护玻璃(8)为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。

5.根据权利要求1或2所述的一种小型化高精度星敏感器用光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)和第二透镜(2)空气间隔为0.5mm；所述第二透镜(2)和孔径光阑(3)空气间隔为2mm；所述孔径光阑(3)和第三透镜(4)空气间隔为4.5mm；所述第三透镜(4)和第四透镜(5)空气间隔为2.3mm；所述第四透镜(5)和第五透镜(6)空气间隔为12.5mm；所述第五透镜(6)和第六透镜(7)空气间隔为3mm；所述第六透镜(7)和探测器保护玻璃(8)空气间隔为3.42mm；所述探测器保护玻璃(8)和光电探测器(9)空气间隔为0.5mm。