CN108535838A - 基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，属于空间光学系统技术领域，其包括镜筒、与镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在镜筒内的光学成像镜头，光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；透镜组具有空气间隔结构，且透镜组通过消杂光镜座同轴地固定在镜筒内；孔径光阑与镜筒内侧固定连接；内嵌遮光罩与镜筒内侧固定连接，且内嵌遮光罩位于空气间隔结构内。本发明采用外置遮光罩与光学成像镜头联合抑制杂光的方式，可实现传统二级遮光罩的杂光抑制性能，达到传统两级遮光罩的消杂光效果，同时充分利用了光学成像镜头的内部空间，降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台。

Description

基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统

技术领域

本发明涉及空间光学系统技术领域，特别是涉及一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统。

背景技术

星敏感器是一种以恒星为参照目标的天文自主导航设备，其精度目前可达到亚角秒级别，是迄今为止最精密且漂移最小的空间姿态测量部件。由于近年来商业卫星的发展，适用于小型卫星平台的星敏感器已是目前的发展主流。小型卫星平台与大卫星相比空间杂光辐照变化更为复杂，且空间有限，因此星敏感器需要具有更小的体积以及更强杂光抑制能力，而光学系统是星敏感器提升性能的核心组件。

星敏感器的光学系统主要由遮光罩及成像镜头构成，其中成像镜头的功能是采集恒星位置及能量信息，遮光罩的功能则是防止譬如太阳光、地气光等杂散光干扰恒星信息的采集。因此星敏感器对杂光最主要的抑制方法即通过在遮光罩内进行多次散射或反射，使规避角外的光线尽量少的进入镜头内部。根据几何关系，遮光罩的长度与杂光抑制角成反比例关系，为了使星敏感器获取更大的有效范围，通常采取加长遮光罩的方式实现杂散光抑制能力的提升，而这也将使星敏感器体积大幅提升。

星敏感器杂光辐照源主要以地气光及太阳光为主，目前星敏感器对地气光与太阳光的规避方式大致分为两种：一种主要采用两级遮光罩对地气光及太阳光分别进行规避，其主要优势在于对杂散光的高度抑制，但体积过大使这类遮光罩更适合于大型卫星平台的高精度星敏感器，不适用于微小卫星平台使用，而这在很大程度上限制了微小卫星平台的姿态控制精度，因此目前两级遮光罩的设计主要集中于对外包络尺寸的优化；另一种是采用一级遮光罩对地气光及太阳光同时进行规避，其优点是遮光罩外包络尺寸小，但由于杂光散射次数的约束，其消杂光性能与两级遮光罩相比较低，杂散光抑制能力不够，影响星敏感器的星点像提取精度，为了使一级遮光罩可以适应高精度星敏感器的使用需求，可以采用异型挡光环实现对杂散光能量分布的控制。除此之外，目前已有少量机构着手研究采用光学系统内部进行杂光抑制，这种方式可以大幅缩减整机尺寸，但缺点也极为明显，即杂光抑制能力低于传统遮光罩设计方式的星敏感器，同时也会一定程度上加大光学系统的体积及成本。

综上所述，星敏感器的遮光罩长度耦合了系统的杂光抑制性能，但星敏感器的整体发展趋于微纳化设计，因此如何在有限空间内最大程度上降低杂光对系统的影响是目前主流的研究方向，高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题，提供一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，包括镜筒、与所述镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在所述镜筒内的光学成像镜头，所述光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；

所述透镜组具有空气间隔结构，且所述透镜组通过所述消杂光镜座同轴地固定在所述镜筒内；

所述孔径光阑与所述镜筒内侧固定连接；

所述内嵌遮光罩与所述镜筒内侧固定连接，且所述内嵌遮光罩位于所述空气间隔结构内。

本发明提出了一种具有高度消杂光能力的微纳化星敏感器光学系统，该光学系统采用外置遮光罩与光学成像镜头联合抑制杂光的方式，针对杂光传递路径对光学系统进行优化，使光学成像镜头内部形成空气间隔结构，并在该空气间隔结构内设置内嵌遮光罩，并配合消杂光镜座，再通过对光学成像镜头匹配一级外置遮光罩，即可实现传统二级遮光罩的杂光抑制性能，达到传统两级遮光罩的消杂光效果，克服了微纳化星敏感器消杂光能力弱的问题，同时该联合抑制杂光的方式充分利用了光学成像镜头的内部空间，最大程度上降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统的剖视图；

图2为本发明其中一个具体实施方式中用于固定第一级透镜的消杂光镜座的局部放大图。

具体实施方式

本发明所提出的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统的设计原理是利用具有针对性约束的光学架构，通过设置内嵌遮光罩及消杂光镜座实现光学成像镜头内部消杂光，同时匹配一级外置遮光罩，从而实现两级遮光罩的杂光抑制效果，在确保星敏感器光学系统具备足够高的杂光抑制能力的前提下，最大限度上的降低了星敏感器的整机体积，有效解决了高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，如图1所示，基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统包括镜筒1、与镜筒1的光束入射端连接的外置遮光罩2和固定在镜筒1内的光学成像镜头，光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座4、孔径光阑5和内嵌遮光罩6；透镜组具有空气间隔结构，且透镜组通过消杂光镜座4同轴地固定在镜筒1内；孔径光阑5与镜筒1内侧固定连接；内嵌遮光罩6与镜筒1内侧固定连接，且内嵌遮光罩6位于空气间隔结构内。

具体地，在本实施例中，基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统主要包括镜筒1、外置遮光罩2和光学成像镜头，其中镜筒1用于固定外置遮光罩2和光学成像镜头，光学成像镜头用于采集恒星位置及能量信息，同时光学成像镜头还具有消杂光的作用，外置遮光罩2用于遮挡杂散光(如地气光、太阳光等)，以减少杂散光对光学成像镜头采集恒星信息的干扰。

光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座4、孔径光阑5和内嵌遮光罩6，其中透镜组通过消杂光镜座4同轴地固定在镜筒1内，即透镜组中的各个光学透镜通过镜座保证光轴的同轴度，同时透镜组具有空气间隔结构，内嵌遮光罩6固定在镜筒1的内侧并位于该空气间隔结构内，以实现在光学成像镜头内部会聚区域内对杂散光的吸收；孔径光阑5与镜筒1的内侧固定连接。本实施例中的外置遮光罩2和内嵌遮光罩6可采用已有的星敏感器用遮光罩实现，例如利用已有的吸收型遮光罩、反射式遮光罩、组合式遮光罩等均可，外置遮光罩2的外包络尺寸根据太阳光规避角、视场角以及第一片透镜的通光口径确定，其安装面与镜头安装面的基准保持一致，这样可以确保遮光罩与镜头间高度耦合的位置关系。

本发明由于采用了内嵌遮光罩这种集成化的设计思路，外置遮光罩仅采用一级即可实现传统两级遮光罩的杂光抑制效果，这极大程度上降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器能够适配于微小卫星平台。本实施例所提出的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统具有以下优点：

(1)联合消杂光光学系统采用外置一级遮光罩与内嵌遮光罩式镜头对杂光的联合抑制，实现了传统两级遮光罩的消杂光效果，最大程度上降低了整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台；

(2)内嵌遮光罩式镜头通过在光学设计阶段的优化，使内部形成大空气间隔，并在这段空间设置内嵌式遮光罩，再配合消杂光镜座的消杂光设计，最终形成具有杂光抑制性能的高度集成化光学镜头。这种镜头不仅可以在联合消杂光光学系统中使用，同时还具备在弱杂散光环境下单独工作的能力。

作为一种具体的实施方式，外置遮光罩2和内嵌遮光罩6均具有若干个挡光环，且内嵌遮光罩6内的各个挡光环的高度沿光束入射方向依次递增。如图1所示，外置遮光罩2和内嵌遮光罩6都具有若干个挡光环，其中挡光环的分布遵循相应的遮光罩的几何作图法，外置遮光罩2的外包络呈锥状，其内部设置的挡光环的高度相同，每一挡光环的边缘处均设有倒角；在内嵌遮光罩6中，各个挡光环的高度沿光束入射方向依次递增，每一挡光环的边缘处也设有倒角，从而实现对杂散光的有效遮拦。

作为一种具体的实施方式，透镜组包括保护玻璃镜片3-1和三分离式物镜，并且孔径光阑5位于三分离式物镜从物方至像方的第一级透镜和第二级透镜之间，空气间隔结构位于三分离式物镜从物方至像方的第二级透镜和第三级透镜之间。在本实施方式中，光学成像镜头中的透镜组采用三分离式物镜实现，该三分离式物镜包括从物方至像方依次排列的第一级透镜、第二级透镜和第三级透镜，孔径光阑5位于第一级透镜和第二级透镜之间，空气间隔结构位于第二级透镜和第三级透镜之间，本实施方式以三分离式物镜作为成像镜头，既满足星敏感器对光学系统高精度的指标要求，又可以满足在光学成像镜头内设置内嵌遮光罩6的需求，由于小口径透镜所需的内嵌遮光罩长度更短，因此本实施方式中内嵌遮光罩6被设置于第二级透镜和第三级透镜之间的空气间隔结构中。

作为一种具体的实施方式，三分离式物镜的第一级透镜为双凸透镜3-2，第二级透镜包括从物方至像方依次排列的双胶合透镜3-3和正弯月形透镜3-4，第三级透镜包括从物方至像方依次排列的双凸透镜3-5、正弯月形透镜3-6和双凹透镜3-7。如图1所示，光学成像镜头包括保护玻璃镜片3-1和三分离式物镜，其中三分离式物镜的第一级透镜为双凸透镜3-2，第二级透镜包括从物方至像方依次排列的双胶合透镜3-3和正弯月形透镜3-4，第三级透镜包括从物方至像方依次排列的双凸透镜3-5、正弯月形透镜3-6和双凹透镜3-7。本实施方式所提出的三分离式物镜具有相对孔径大、能量集中度高、精度高以及各视场质心漂移量小等特点，既能够满足星敏感器对光学系统高精度的指标要求，又可以满足在光学成像镜头内设置内嵌遮光罩6以提高光学系统消杂光效果的需求。本实施方式中的光学成像镜头采用双向定心装调工艺，即镜筒1以中间凸台7作为基准面，在镜筒1的大口径方向依次放入内嵌遮光罩6、正弯月形透镜3-4、双胶合透镜3-3、孔径光阑5、双凸透镜3-2和保护玻璃镜片3-1，采用压圈对这些组件进行固定；在镜筒1的小口径方向依次放入双凸透镜3-5、正弯月形透镜3-6和双凹透镜3-7，同样采用压圈进行固定。

作为一种具体的实施方式，透镜组采用三分离式物镜时，光学成像镜头为具有像方远心的光学结构，其工作谱段为0.5μm～0.85μm，中心波长为0.67μm，全视场内成像弥散斑的90％能量集中于直径为光电探测器3个像素内接圆的尺寸内。同时，该光学成像镜头具有优于0.05％的畸变以及小于10μm的场曲，透镜组具有大空气间隔的结构形式，空气间隔结构的尺寸大于规避地气光所需的最小长度，光学成像镜头的F数为1.5，上述光学成像镜头可由光学设计师利用光学设计相关软件进行辅助设计。

作为一种具体的实施方式，将杂散光在第二级透镜中的正弯月形透镜上边缘的出射位置与第三级透镜中的双凸透镜上边缘相连，连线与光轴形成的夹角小于杂散光的边缘光线与光轴的夹角。内嵌遮光罩6设置于镜组间的大空气间隔结构中，内嵌遮光罩6的长度及腔体深度视边缘视场角与地气光规避角而定，两个角度的正弦值之差越大，则内嵌遮光罩6的长度越短，杂光规避表面口径越小，内嵌遮光罩6的长度也会越短，但同时满足两个约束条件的空气间隔结构并不一定会统一，这与镜头本身的结构形式相关，结合镜头本身的设计，可以得到一个内嵌遮光罩6最优的设置长度及位置。内嵌遮光罩6的长度由杂散光在正弯月形透镜3-4上边缘的出射位置与双凸透镜3-5上边缘的连线确定，该连线应满足其与光轴形成的夹角小于杂散光的边缘光线与光轴的夹角。

作为一种具体的实施方式，对暴露于光路中的消杂光镜座凸台采用刃边设计形式，用于固定第一级透镜的消杂光镜座4-1和用于固定第二级透镜的消杂光镜座4-2都具有刃边，从而减少发生二次散射关键面的面积，如图2所示为用于固定第一级透镜的消杂光镜座4-1的局部放大图。针对联合消杂光星敏感器镜头与遮光罩对于杂散光的耦合特性，消杂光镜座关键面主要针对地气光抑制角与太阳抑制角间的角度进行设计，其刃边的倒角(或者倾角)应满足小于其所需规避杂散光在前组透镜的出射角度，以实现利用镜座对杂散光进行抑制的目的，在本实施方式中，消杂光镜座4-1的刃边的倒角小于杂散光在外置遮光罩的出射角度，消杂光镜座4-2的刃边的倒角小于杂散光在第一级透镜的出射角度。通过对消杂光镜座的刃边设计，能够使视场外与杂光抑制角内光线的散射路径被截止，从而进一步抑制杂散光在光学成像镜头内的传播。

星敏感器杂光辐照源主要以太阳光及地气光为主，基于微小卫星对地遥感成像的姿态需求，二者的辐照形式存在较大差异，地气光的辐照角度普遍达140°以上，而太阳光的准直角仅有32′，且星敏感器在工作时光轴与太阳矢量的夹角基本大于50°以上，因此对于此类卫星的星敏感器，一般以地气光规避角作为主要杂光抑制能力的评价指标，而太阳抑制角被包含于地气光的抑制角内。外置遮光罩的长度与地气光规避角和光学成像镜头的视场角相关，作为一种具体的实施方式，根据地气光规避角和光学成像镜头的视场角计算获得外置遮光罩的长度，其中地气光规避角的典型值有30°、35°和45°，光学成像镜头的视场角由透镜组和孔径光阑5具体确定。

作为一种具体的实施方式，本发明中的外置遮光罩2可采用吸收的形式进行设计，在外置遮光罩2的内部喷涂吸收率大于或者等于97％的消光漆，从而提高外置遮光罩2的消杂光效果。

作为一种具体的实施方式，外置遮光罩2与镜筒1的光束入射端通过螺纹连接，从而方便外置遮光罩2与镜筒1的装卸，同时外置遮光罩2在与镜筒1连接时，外置遮光罩2通过螺钉与镜筒1紧固，从而使外置遮光罩2能够与镜筒1之间牢固连接。

为进一步详细说明本发明所提出的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，下面给出光学系统详细的实施例：

一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，该系统主要由镜筒、光学成像镜头以及外置遮光罩构成，其特点是在具有足够杂光抑制能力的情况下，最大程度的缩小了光学系统的体积。光学成像镜头主要由透镜组、消杂光镜座、孔径光阑以及内嵌遮光罩构成，透镜组采用图1所示的三分离式物镜物镜实现，本发明将光学成像镜头与杂光抑制能力高度集成，使大于地气光规避角外的光线被内嵌遮光罩及消杂光镜座吸收，在保障视场内星点不受规避角外杂光干扰的前提下，最大限度上降低整机体积。外置遮光罩与光学成像镜头分别与电箱相连，因此安装面应与镜头安装面共面。

星敏感器成像系统的指标为：视场2ω＝10°，焦距f＝40mm，相对孔径D/F＝1/1.5，探测器像元尺寸为5.4μm，光学成像镜头内地气光规避角不大于21°。

所设计的光学成像镜头的设计指标为：视场2ω＝11°，焦距f＝40mm，相对孔径D/F＝1/1.5，该光学系统的工作谱段为0.5μm～0.85μm，中心波长为0.67μm，其全视场内成像弥散斑的90％能量集中于直径为16μm的圆内，同时在全视场全谱段内具有优于0.05％的畸变，小于10μm的场曲。

光学成像镜头采用内嵌遮光罩以及消杂光镜座实现21°的地气光规避，内嵌遮光罩布局于第二级透镜中的正弯月形透镜与第三级透镜中的双凸透镜之间，外置遮光罩采用吸收形式的设计方法，其长度为22.6mm，分为7级挡光环，挡光环厚度为0.6mm，外置遮光罩内部喷涂吸收率为97％的消光漆；用于固定第一级透镜和第二级透镜的消杂光镜座镜座采用刃边的设计形式，刃边的倒角为30°。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，包括镜筒、与所述镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在所述镜筒内的光学成像镜头，所述光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；

所述透镜组具有空气间隔结构，且所述透镜组通过所述消杂光镜座同轴地固定在所述镜筒内；

所述孔径光阑与所述镜筒内侧固定连接；

所述内嵌遮光罩与所述镜筒内侧固定连接，且所述内嵌遮光罩位于所述空气间隔结构内。

2.根据权利要求1所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述外置遮光罩和所述内嵌遮光罩均具有若干个挡光环，且所述内嵌遮光罩内的各个所述挡光环的高度沿光束入射方向依次递增。

3.根据权利要求2所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述透镜组包括保护玻璃镜片和三分离式物镜，且所述孔径光阑位于所述三分离式物镜从物方至像方的第一级透镜和第二级透镜之间，所述空气间隔结构位于所述三分离式物镜从物方至像方的第二级透镜和第三级透镜之间。

4.根据权利要求3所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述三分离式物镜的所述第一级透镜为双凸透镜，所述第二级透镜包括从物方至像方依次排列的双胶合透镜和正弯月形透镜，所述第三级透镜包括从物方至像方依次排列的双凸透镜、正弯月形透镜和双凹透镜。

5.根据权利要求4所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述光学成像镜头为具有像方远心的光学结构，其工作谱段为0.5μm～0.85μm，中心波长为0.67μm，全视场内成像弥散斑的90％能量集中于直径为光电探测器3个像素内接圆的尺寸内。

6.根据权利要求3至5任意一项所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

将杂散光在所述第二级透镜中的正弯月形透镜上边缘的出射位置与所述第三级透镜中的双凸透镜上边缘相连，连线与光轴形成的夹角小于杂散光的边缘光线与所述光轴的夹角。

7.根据权利要求3至5任意一项所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

用于固定所述第一级透镜的消杂光镜座具有刃边，且所述刃边的倒角小于杂散光在所述外置遮光罩的出射角度；

用于固定所述第二级透镜的消杂光镜座具有刃边，且所述刃边的倒角小于杂散光在所述第一级透镜的出射角度。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

根据地气光规避角和所述光学成像镜头的视场角计算获得所述外置遮光罩的长度。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述外置遮光罩内部喷涂有消光漆，且所述消光漆的吸收率大于或者等于97％。

10.根据权利要求1至5任意一项所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，

所述外置遮光罩与所述镜筒的光束入射端螺纹连接，且所述外置遮光罩通过螺钉与所述镜筒紧固。