CN109143558B - 一种小型化全天候星敏感器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化全天候星敏感器光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜和像平面，入射光线依次通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜并到达像平面，所述第二反射镜上设有孔径光阑，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为光学系统的光轴，第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为正，第二反射镜的光焦度为负，第一反射镜为二次曲面反射镜，第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜；本发明采用视场偏置的消像散离轴三反光学系统，无中心遮拦，有利于提高恒星探测能量，并避免了由于中心遮拦引起的光斑中心能量分布下降，能够实现响应谱段范围内的全部恒星光信号的收集，探测能力强。

Description

一种小型化全天候星敏感器光学系统
技术领域
本发明涉及一种星敏感器光学系统，特别涉及一种小型化全天候星敏感器光学系统，属于光学设计技术领域。
背景技术
在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，测量精度可以达到亚秒级。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出。
星敏感器光学系统一方面抑制外界杂散光，一方面将恒星光信号以对称分布大小合适的光斑形状会聚到星敏感器的探测器靶面，获得高信噪比、细分精度高的像素灰度信息。星敏感器光学系统的性能对星敏感器的探测精度、星等探测能力以及轻小型化等有着至关重要的影响。
近年来，随着星敏感器导航技术的发展以及地面、航空飞行器技术应用需求推动，甚至空间飞行器在大气层内飞行段对自主导航也有着迫切的需求，将星敏感器技术应用到大气层内实现白天观星成为研究热点。大气层内进行恒星观测时，大气背景散射杂光严重影响恒星的探测。随着观测高度越低，视场内的杂散光干扰越强。杂光到达探测器靶面的照度与光学系统相对孔径的平方成正比，空间用星敏感器光学系统属于大相对孔径光学系统，无法适应白天观星的探测环境。因此，研究全天候星敏感器光学系统对于解决星敏感器应用于大气层内的导航具有非常重要的意义和价值。
全天候星敏感器光学系统的实现需要综合考虑大气背景辐射强度、谱段分布以及恒星光谱选择等进行平衡选择设计。一般来说，需要采用长焦距中等相对孔径甚至小相对孔径的光学系统。现有的星敏感器光学系统采用透射式或折反射式光学系统，长焦距下难以校正色差及二级光谱，难以满足白天观星的使用要求，也不易兼顾白天观星和夜间观星的光谱选择引起像质变化要求；专利CN104090355A介绍了一种全天候星敏感器光学系统，由于相对孔径大，抑制白天强背景辐射的能力较弱；该光学系统长度较长，且存在较大的中心遮拦，降低相对孔径会造成探测能力的迅速下降，且中心遮拦引起恒星光斑的中心能量降低，不利于提高后续的细分精度；另外，该光学系统采用了多达三个非球面反射镜，制造与装调成本较高，不利于推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有星敏感器光学系统存在较大的中心遮拦，降低相对孔径会造成探测能力的迅速下降，且中心遮拦引起恒星光斑的中心能量降低的问题。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种小型化全天候星敏感器光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜和像平面，入射光线依次通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜并到达像平面，所述第二反射镜上设有孔径光阑，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为所述光学系统的光轴，所述第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为正，所述第二反射镜的光焦度为负，所述第一反射镜为二次曲面反射镜，所述第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜，所述第一反射镜的二次曲面常数K满足：-1.75≤K≤-1.55。
进一步，所述光轴与子午方向的入射视场角的夹角ω1满足：5°≤ω1≤10°；
所述光轴与弧矢方向入射视场角的夹角ω2满足：-5°≤ω2≤5°。
进一步，第一反射镜的光焦度φ1与光学系统的光焦度φ的比值满足：1.15≤φ1/φ≤1.45；
第二反射镜的光焦度φ2与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：-3.75≤φ2/φ≤-3.05；
第三反射镜的光焦度φ3与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：1.85≤φ3/φ≤2.55。
进一步，所述光学系统的探测入瞳口径D与所述光学系统的焦距f的比值满足：1/10≤D/f≤1/5。
进一步，所述光学系统的焦距300mm，相对孔径1/7.5。
进一步，所述光学系统的主光线与像平面的夹角不超过0.05°。
本发明的有益效果是：本发明采用视场偏置的消像散离轴三反光学系统，无中心遮拦，有利于提高恒星探测能量，并避免了由于中心遮拦引起的光斑中心能量分布下降，能够实现响应谱段范围内的全部恒星光信号的收集，探测能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1为本发明光学系统的结构示意图；
图2为本发明光学系统的光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统的能量集中度曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，一种小型化全天候星敏感器光学系统，包括：第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3和像平面5，入射光线依次通过第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3并到达像平面5，所述第二反射镜2上设有孔径光阑4，所述第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为所述光学系统的光轴，所述第一反射镜1和第三反射镜3的光焦度均为正，所述第二反射镜2的光焦度为负，所述第一反射镜1为二次曲面反射镜，所述第二反射镜2和第三反射镜3为球面反射镜，所述第一反射镜1的二次曲面常数K满足：-1.75≤K≤-1.55。
本发明光学系统的视场较大，采用同轴反射式光学系统会引起较大的中心遮拦；采用透射式光学系统校正色差及二级光谱难度非常大，且系统体量较大；因此本发明采用视场偏置的离轴三反光学系统结构型式，仍然保持三个反射镜顶点球心同轴的特性，有利于装调实施。为了降低视场较大引起的像散及场曲，采用正负正的光焦度分配，光阑位于第二反射镜2的较对称结构；将第一反射镜1设置为二次曲面进行优化控制，系统消除了像散及场曲，实现了优异的成像质量。
为了让本发明光学系统具有实际应用价值并易于推广应用，将第二反射镜2与第三反射镜3控制为球面面型，加工制造难度降低；并将第一反射镜1和第三反射镜3顶点重合，采用共基准的方式进行加工装调，降低装调周期及装调成本。
本发明采用视场偏置的消像散离轴三反光学系统，无中心遮拦，有利于提高恒星探测能量，并避免了由于中心遮拦引起的光斑中心能量分布下降，能够实现响应谱段范围内的全部恒星光信号的收集，探测能力强。
本发明光学系统实现了像方远心的光路，提高像面照度均匀性，更为重要的是降低了探测器靶面与光学系统轴向位置的敏感性，在受到振动与冲击下仍能保证较高的测量精度。
本发明光学系统相对孔径适中，有利于降低视场内的白天强背景杂光干扰，并且能够在反射镜折叠光路间布置消杂光光阑，有效抑制视场外杂光。
作为优化，所述光轴与子午方向的入射视场角的夹角ω1满足：5°≤ω1≤10°；
所述光轴与弧矢方向入射视场角的夹角ω2满足：-5°≤ω2≤5°。
作为优化，第一反射镜1的光焦度φ1与光学系统的光焦度φ的比值满足：1.15≤φ1/φ≤1.45；
第二反射镜2的光焦度φ2与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：-3.75≤φ2/φ≤-3.05；
第三反射镜3的光焦度φ3与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：1.85≤φ3/φ≤2.55。
作为优化，所述光学系统的探测入瞳口径D与所述光学系统的焦距f的比值满足：1/10≤D/f≤1/5。
作为优化，所述光学系统的焦距300mm，相对孔径1/7.5，子午视场范围为5°～9°，弧矢视场范围为-3°～3°。
本光学系统的全视场平均传函≥0.6@50lp/mm，光学系统总长170mm，后工作距离超过38mm。探测有效视场达到4°×6°，配合当前典型科学级CCD或CMOS探测器，探测极限星等达到7.5等，视场内探测到3颗星的概率达到99％以上，单星测量精度优于3.67″。
本发明光学系统光学总长(第一反射镜1到像面的距离)仅170mm，与焦距的比值为0.57，比透射式光学系统相比，长度大幅缩短，有利于空间应用。
作为优化，所述光学系统的主光线与像平面5的夹角不超过0.05°。
参考图2，图2为本发明通过光学设计软件zemax分析所得的光学传递函数曲线图，全视场的传函均优于0.6@50lp/mm，成像质量优异。
参照图3，图3为本发明通过光学设计软件zemax分析所得的能量集中度曲线图，各视场的能量分布一致性较好，在φ13μm内能量集中度优于80％。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种小型化全天候星敏感器离轴三反光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜和像平面，入射光线依次通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜并到达像平面，其特征在于：所述第二反射镜上设有孔径光阑，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为所述光学系统的光轴，所述第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为正，所述第二反射镜的光焦度为负，所述第一反射镜为二次曲面反射镜，所述第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜，所述第一反射镜的二次曲面常数K满足：-1.75≤K≤-1.55；
第一反射镜的光焦度φ1与光学系统的光焦度φ的比值满足：1.15≤φ1/φ≤1.45；
第二反射镜的光焦度φ2与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：-3.75≤φ2/φ≤-3.05；
第三反射镜的光焦度φ3与所述光学系统的光焦度φ的比值满足：1.85≤φ3/φ≤2.55。
2.根据权利要求1所述的一种小型化全天候星敏感器离轴三反光学系统，其特征在于：所述光轴与子午方向的入射视场角的夹角ω1满足：
5°≤ω1≤10°；
所述光轴与弧矢方向入射视场角的夹角ω2满足：
-5°≤ω2≤5°。
3.根据权利要求1所述的一种小型化全天候星敏感器离轴三反光学系统，其特征在于：所述光学系统的探测入瞳口径D与所述光学系统的焦距f的比值满足：1/10≤D/f≤1/5。
4.根据权利要求1所述的一种小型化全天候星敏感器离轴三反光学系统，其特征在于：所述光学系统的焦距300mm，相对孔径1/7.5。
5.根据权利要求1所述的一种小型化全天候星敏感器离轴三反光学系统，其特征在于：所述光学系统的主光线与像平面的夹角不超过0.05°。
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