CN108759872A - 一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统及其方法，属于光学精密测量技术领域。该光学系统包括物镜前组、物镜后组、分光棱镜、光源照明系统和准直接收传感器；双狭缝合成星点时采用双远心形式和横、竖狭缝正交合成方法，能够实现同一平行光路中的准直测量光源和星点光源融合；同时，通过后端准直LED光源、星模LED光源的快速切换，以及光路中巧妙的光源分光棱镜的设计，可以方便的实现准直测量和恒星模拟的功能切换。本发明颠覆了传统星模系统星点的设计，在平行光路中提供了一种结构简单，装调方便的双狭缝合成星点的光学系统和方法。

Description

一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统及其方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种平行光路中双狭缝合成星点光学系统及其方法。
背景技术
在航天器姿态控制中，一般使用惯性组合器件或星敏感器进行高精度的姿态测量与控制。在实验室标定检测中，惯性组件常采用自准直测量方式对惯性组合器件的基准面测量标定；而星模敏感器通常要求提供一个模拟星，用于星敏感器光轴标定。自准直的设备称为自准直仪，模拟星的设备称为星模拟器。自准直测量中，光源发出的光照明准直狭缝分划板，狭缝分划板位于平行光路前焦面上，通过狭缝的光束经平行光路形成平行光出射，光束经被测目标反射后返回光学系统并在探测器上成像，通过反射光像与系统零位偏离量，可得到目标法线方向相对与准直光轴的角度。星模拟器则提供相对被测物体无限远的点光源作为模拟星，对其大小、照度、光谱特性等进行严格模拟。在单星模拟器的光学系统中，光源发出的光一般通过分划板上的星点成为点光源，星点也位于平行光路的前焦面上，星点经平行光路在连接的星敏感器光学系统的入瞳处产生模拟的无穷远平行光，即实现对星光的模拟。
目前，随着光学集成应用需求增强，为了能同时实现自准直测量和恒星模拟的功能，需要利用同一平行光路系统，将自准直仪和星模拟器的功能集成在一体。一般的准直测量系统中，平行光路的前焦面的准直分划板通常采用单狭缝或十字狭缝方式；而在星模拟器设计中，分划板上的星点是通过小孔实现的，如何在平行光路中同时实现准直狭缝和星点是这类系统的关键。还没有一种在平行光路的前焦面上采用准直狭缝来合成星点的方法被提出。
发明内容
本发明目的在于针对背景技术中现有光学系统无法实现的兼顾准直测量和星光模拟中合成星点实现的技术问题，提供了一种结构简单，装调方便的平行光路中双狭缝合成星点的光学系统及其方法。该光学系统采用光学共轭原理，通过在共轭位置设置横狭缝、竖狭缝，在同一焦面位置实现了准直狭缝和星点的清晰像面。
本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，包括物镜前组、物镜后组、分光棱镜、光源照明系统和准直接收传感器，光源照明系统包括竖狭缝、横狭缝、LED准直光源和LED星模光源；其中，
在准直工作时，光源照明系统中的LED准直光源发出的光经匀光后照亮位于平行光路前焦面上的竖狭缝，然后准直光经分光棱镜透射，由物镜前组和物镜后组出射后形成平行光束，在被测量目标反射后，再经物镜后组、物镜前组和分光棱镜反射后被准直接收传感器接收，完成准直测量；
在星模工作时，光源照明系统中的LED星模光源发出的光经匀光后照亮横狭缝，经过共轭镜组将横狭缝成像到竖狭缝处，形成一个方形的星点，星点经分光棱镜、物镜前组和物镜后组后以平行光束出射，完成星点模拟。
本发明进一步的改进在于，物镜前组由前组第一正透镜，前组第二透正镜以及前组负透镜组成。
本发明进一步的改进在于，物镜后组由后组正透镜以及后组负透镜组成。
本发明进一步的改进在于，准直接收传感器由滤光片和CCD传感器组成。
本发明进一步的改进在于，光源照明系统还包括光源分光镜、第一照明正透镜、第一照明胶合镜、第二照明正透镜、第二照明胶合镜、第一匀光板和第一光敏传感器；其中，
LED准直光源发出的光通过第一光敏传感器进行稳恒控制后，被第一匀光板匀光，依次经第一照明正透镜、第一照明胶合镜、光源分光镜、第二照明胶合镜和第二照明正透镜后照亮竖狭缝。
本发明进一步的改进在于，光源照明系统还包括第三照明正透镜、第三照明胶合镜、第二匀光板和第二光敏传感器；其中，
LED星模光源发出的光经通过二光敏传感器进行稳恒控制后，经第二匀光板匀光，照亮横狭缝，然后依次经第三照明正透镜、第三照明胶合镜、光源分光镜、第二照明胶合镜和第二照明正透镜后照亮竖狭缝。
一种平行光路中双狭缝合成星点方法，该方法基于上述一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，包括以下步骤：
确定平行光路的工作状态：LED准直光源开启工作，LED星模光源关闭时，为准直工作状态；LED准直光源关闭，LED星模光源开启工作时，为星模工作状态；
准直工作状态时：LED准直光源开启工作，LED星模光源关闭，LED准直光源发出的光通过第一光敏传感器进行稳恒控制后，被第一匀光板匀光，依次经第一照明正透镜、第一照明胶合镜、光源分光镜、第二照明胶合镜和第二照明正透镜后照亮竖狭缝；然后准直光经分光棱镜透射，由物镜前组和物镜后组出射后形成平行光束，在被测量目标反射后，再经物镜后组、物镜前组和分光棱镜反射后被准直接收传感器接收，完成准直测量；
星模工作状态时：LED星模光源发出的光经通过二光敏传感器进行稳恒控制后，经第二匀光板匀光，照亮横狭缝，然后依次经第三照明正透镜、第三照明胶合镜、光源分光镜、第二照明胶合镜和第二照明正透镜后照亮竖狭缝，形成一个方形的星点，星点经分光棱镜、物镜前组和物镜后组后以平行光束出射，完成星点模拟。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，上述实现双狭缝合成星点光学结构中，平行光管常采用前后组的光学形式。物镜前组保证了光学系统的焦距，并以校正轴向像差为主；物镜后组主要以校正轴外像差为主，并辅以平衡前组的剩余像差。光源照明系统采用近似双远心结构，这种结构方便在光路中间加入光源分光镜实现光源切换，并对像差的影响最小。此外双远心结构系统的径向尺寸可以做到很小，这种结构可以实现出射光斑的能量均匀。
具体来说，准直和星模光学系统在经平行光路前焦面出射后的光路共用，物镜口径一致，且两部分焦距相同；平行光路不同于一般星模光学系统，光路中存在分光棱镜，实现自准直测量中出射和返回光的光路分离；光源照明系统中包含横狭缝、竖狭缝(准直)两个狭缝，竖狭缝位于平行光管前焦面上，LED准直光源经竖狭缝单独使用时，可实现自准直测量；横狭缝、竖狭缝共同作用时，将横狭缝成像到竖狭缝处，横狭缝像面位置与竖狭缝像面处于共轭位置，两个狭缝正交分布后可以形成一个方形星点，可实现合成星点。
本发明提供的一种平行光路中双狭缝合成星点方法，由于在光源照明系统中采用双远心结构和横狭缝、竖狭缝正交合成方法，能够实现同一平行光路中的准直测量光源和星点光源融合；同时，通过后端LED准直光源、LED星模光源的快速切换，以及光路中巧妙的光源分光镜的设计，可以方便的实现准直测量和恒星模拟的功能切换。本发明颠覆了传统星模系统星点的设计，在平行光路中提供了一种双狭缝合成星点方法。
附图说明
图1为本发明一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统的示意图；
图2为本发明一种双狭缝合成星点的光学结构示意图。
图中：1-物镜前组，2-物镜后组，3-分光棱镜，4-光源照明系统，5-准直接收传感器；
41-光源分光镜，42-竖狭缝，43-横狭缝，441-第一照明正透镜，451-第一照明胶合镜，442-第二照明正透镜，452-第二照明胶合镜，443-第三照明正透镜，453-第三照明胶合镜，461-第一匀光板，462-第二匀光板，47-LED准直光源，48-LED星模光源，491-第一光敏传感器，492-第二光敏传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，包括物镜前组1、物镜后组2、分光棱镜3、光源照明系统4和准直接收传感器5；其中，物镜前组1由前组第一正透镜，前组第二透正镜以及前组负透镜组成；物镜后组2由后组正透镜以及后组负透镜组成；准直接收传感器5由滤光片和CCD传感器组成。
光源照明系统4包括光源分光镜41、竖狭缝42、横狭缝43、第一照明正透镜441、第一照明胶合镜451、第二照明正透镜442、第三照明正透镜443、第三照明胶合镜453、第二照明胶合镜452、第一匀光板461、第二匀光板462、LED准直光源47和LED星模光源48、第一光敏传感器491和第二光敏传感器492。
LED准直光源47发出的光通过第一光敏传感器491进行稳恒控制后，被第一匀光板461匀光，依次经第一照明正透镜441、第一照明胶合镜451、光源分光镜41、第二照明胶合镜452和第二照明正透镜442后照亮竖狭缝42。LED星模光源48发出的光经通过二光敏传感器492进行稳恒控制后，经第二匀光板462匀光，照亮横狭缝43，然后依次经第三照明正透镜443、第三照明胶合镜453、光源分光镜41、第二照明胶合镜452和第二照明正透镜442后照亮竖狭缝42。
本发明提供的一种平行光路中双狭缝合成星点方法，包括以下步骤：
确定平行光路的工作状态：LED准直光源47开启工作，LED星模光源48关闭时，为准直工作状态；LED准直光源47关闭，LED星模光源48开启工作时，为星模工作状态；
准直工作状态时：LED准直光源47开启工作，LED星模光源48关闭，LED准直光源47发出的光通过第一光敏传感器491进行稳恒控制后，被第一匀光板461匀光，依次经第一照明正透镜441、第一照明胶合镜451、光源分光镜41、第二照明胶合镜452和第二照明正透镜442后照亮竖狭缝42；然后准直光经分光棱镜3透射，由物镜前组1和物镜后组2出射后形成平行光束，在被测量目标反射后，再经物镜后组2、物镜前组1和分光棱镜3反射后被准直接收传感器5接收，完成准直测量；
星模工作状态时：LED星模光源48发出的光经通过二光敏传感器492进行稳恒控制后，经第二匀光板462匀光，照亮横狭缝43，然后依次经第三照明正透镜443、第三照明胶合镜453、光源分光镜41、第二照明胶合镜452和第二照明正透镜442后照亮竖狭缝42，形成一个方形的星点，星点经分光棱镜3、物镜前组1和物镜后组2后以平行光束出射，完成星点模拟。
上述物镜前组1保证了双狭缝合成星点的光学系统焦距，并以校正光学系统轴向像差为主，采用三片式分离结构；上述物镜后组2以校正轴外像差为主，并辅以平衡前组的剩余像差，最终使整个系统像差得以校正，采用两片式分离结构；上述分光棱镜3用来实现自准直测量中出射和返回光的光路分离。两直角胶合棱镜通过两块镜之间的45°半透半反分光膜，对经过光路具备透射和反射两种工作状态；上述光源照明系统4用来合成星点以及进行准直和星模光源的切换；光源照明系统采用近似双远心结构，横狭缝43像面位置与竖狭缝42像面处于共轭位置。这种结构方便在光路中间加入光源分光镜41实现LED准直光源48和LED星模光源49的切换；上述准直接收传感器5为CCD传感器，通过分光棱镜3和滤光片将返回光成像在CCD传感器像面上。
为了在平行光路中同时实现准直狭缝和星点，本发明采用的一种平行光路中双狭缝合成星点方法为：LED星模光源48发出的光通过第二光敏传感器492进行稳恒控制后，经第一匀光板461匀光后照亮横狭缝43，再由横狭缝43发出的光经过第三照明正透镜443、第三照明胶合镜453的作用1:1共轭成像到竖狭缝42处。此时，竖狭缝42作为光阑，将横狭缝43、竖狭缝42交叉处的光线通过，并形成一个方形的光点，从而完成对星点的模拟。
横狭缝43、竖狭缝42共同作用时，星模光源通过横狭缝43再经共轭镜组的作用1:1成像到竖狭缝42处。合成星点为方形星点，其尺寸与横狭缝43、竖狭缝42缝宽成一定比例；当狭缝线宽均为20μm，两个狭缝正交分布后可以形成一个近似20×20μm的方形星点。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，包括物镜前组(1)、物镜后组(2)、分光棱镜(3)、光源照明系统(4)和准直接收传感器(5)，光源照明系统(4)包括竖狭缝(42)、横狭缝(43)、LED准直光源(47)和LED星模光源(48)；其中，
在准直工作时，光源照明系统(4)中的LED准直光源(47)发出的光经匀光后照亮位于平行光路前焦面上的竖狭缝(42)，然后准直光经分光棱镜(3)透射，由物镜前组(1)和物镜后组(2)出射后形成平行光束，在被测量目标反射后，再经物镜后组(2)、物镜前组(1)和分光棱镜(3)反射后被准直接收传感器(5)接收，完成准直测量；
在星模工作时，光源照明系统中的LED星模光源(48)发出的光经匀光后照亮横狭缝(43)，经过共轭镜组将横狭缝(43)成像到竖狭缝(42)处，形成一个方形的星点，星点经分光棱镜(3)、物镜前组(1)和物镜后组(2)后以平行光束出射，完成星点模拟。
2.根据权利要求1所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，物镜前组(1)由前组第一正透镜，前组第二透正镜以及前组负透镜组成。
3.根据权利要求1所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，物镜后组(2)由后组正透镜以及后组负透镜组成。
4.根据权利要求1所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，准直接收传感器(5)由滤光片和CCD传感器组成。
5.根据权利要求1所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，光源照明系统(4)还包括光源分光镜(41)、第一照明正透镜(441)、第一照明胶合镜(451)、第二照明正透镜(442)、第二照明胶合镜(452)、第一匀光板(461)和第一光敏传感器(491)；其中，
LED准直光源(47)发出的光通过第一光敏传感器(491)进行稳恒控制后，被第一匀光板(461)匀光，依次经第一照明正透镜(441)、第一照明胶合镜(451)、光源分光镜(41)、第二照明胶合镜(452)和第二照明正透镜(442)后照亮竖狭缝(42)。
6.根据权利要求5所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，其特征在于，光源照明系统(4)还包括第三照明正透镜(443)、第三照明胶合镜(453)、第二匀光板(462)和第二光敏传感器(492)；其中，
LED星模光源(48)发出的光经通过二光敏传感器(492)进行稳恒控制后，经第二匀光板(462)匀光，照亮横狭缝(43)，然后依次经第三照明正透镜(443)、第三照明胶合镜(453)、光源分光镜(41)、第二照明胶合镜(452)和第二照明正透镜(442)后照亮竖狭缝(42)。
7.一种平行光路中双狭缝合成星点方法，其特征在于，该方法基于权利要求6所述的一种平行光路中双狭缝合成星点的光学系统，包括以下步骤：
确定平行光路的工作状态：LED准直光源(47)开启工作，LED星模光源(48)关闭时，为准直工作状态；LED准直光源(47)关闭，LED星模光源(48)开启工作时，为星模工作状态；
准直工作状态时：LED准直光源(47)开启工作，LED星模光源(48)关闭，LED准直光源(47)发出的光通过第一光敏传感器(491)进行稳恒控制后，被第一匀光板(461)匀光，依次经第一照明正透镜(441)、第一照明胶合镜(451)、光源分光镜(41)、第二照明胶合镜(452)和第二照明正透镜(442)后照亮竖狭缝(42)；然后准直光经分光棱镜(3)透射，由物镜前组(1)和物镜后组(2)出射后形成平行光束，在被测量目标反射后，再经物镜后组(2)、物镜前组(1)和分光棱镜(3)反射后被准直接收传感器(5)接收，完成准直测量；
星模工作状态时：LED星模光源(48)发出的光经通过二光敏传感器(492)进行稳恒控制后，经第二匀光板(462)匀光，照亮横狭缝(43)，然后依次经第三照明正透镜(443)、第三照明胶合镜(453)、光源分光镜(41)、第二照明胶合镜(452)和第二照明正透镜(442)后照亮竖狭缝(42)，形成一个方形的星点，星点经分光棱镜(3)、物镜前组(1)和物镜后组(2)后以平行光束出射，完成星点模拟。
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