CN109283771A - 一种全天时星敏感器r-c光学系统消杂光装置 - Google Patents

一种全天时星敏感器r-c光学系统消杂光装置 Download PDF

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CN109283771A CN201811294980.5A CN201811294980A CN109283771A CN 109283771 A CN109283771 A CN 109283771A CN 201811294980 A CN201811294980 A CN 201811294980A CN 109283771 A CN109283771 A CN 109283771A
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刘岩
熊琨
王春喜
赵天承
汪涛
刘凯
姜云翔
高秋娟
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Abstract

本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种全天时星敏感器R‑C光学系统消杂光装置。本发明在现有R‑C光学系统消杂光结构基础上，进一步改进内部消杂光结构，利用中心遮拦光路特点，在次镜中心加内消光孔，在保证小型化前提下，实现更高的抑制杂散光能力。本发明利用光路中心遮拦特点增加了次镜内消光孔，并涂消光漆，进一步提高系统抑制杂散光能力，仅在一级外遮光罩配合的条件下，就可达到PST<10‑9消光效果(太阳规避角45°)，为全天时星敏感器的工程化研制奠定基础。

Description

一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置。
背景技术
远程长航时制导需求星敏感器在全天时条件下具有稳定性能。为了实现星敏感器在白天近地条件观星测量，需要提高星敏感器光学系统抑制杂散光能力。
目前逆卡塞格林(R-C)星敏感器光学系统消杂光结构主要分为两部分，一部分为外遮光罩，一部为内部消杂光结构。
外遮光罩是以大于太阳规避角的入射杂散光不能直接进入光学镜头为设计原则，并在外遮光罩内设置挡光环及涂消光漆。对于高消杂光需求，一般采用多级遮光罩，或采用异形遮光罩和挡光环。但是多级遮光会急剧增加系统长度和体积，不利于系统满足空间飞行平台的尺寸要求，异形遮光罩和挡光环将增加了系统的复杂度和成本，并且难以保证消杂光稳定性。
为了弥补外遮光罩缺点，亟需研制一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，从而解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，从而在现有R-C光学系统消杂光结构基础上，进一步改进内部消杂光结构，利用中心遮拦光路特点，在次镜中心加内消光孔，在保证小型化前提下，实现更高的抑制杂散光能力。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，消光装置包含四部分：外遮光罩、次镜消光孔、内挡光环、内遮光罩；
一、内遮光罩
主镜中心设置通光孔，在主镜出光孔前端设置圆筒形结构的内遮光罩，通过内遮光罩阻隔杂散光直接入射至像面；
二、外遮光罩
外遮光罩采用一级消光设计形式，控制大于太阳规避角的入射杂光不能直接进入至光学系统；
在外遮光罩内壁设置挡光环；
外遮光罩中，挡光环高度为以下两种形式之一：①高度一致；②高度呈梯度分布；挡光环高度不遮挡成像光线；
三、次镜消光孔
全天时星敏感器R-C光学系统的次镜中心设置消光孔，以次镜顶点为圆心在次镜中心区域挖直径为D2的圆形孔；
挖孔尺寸由遮拦比及边缘光线追迹来确定；
四、内挡光环
在全天时星敏感器R-C光学系统的镜筒内的主镜和次镜之间设置内挡光环，以减小经由镜筒内壁和光学元件表面的多次反射的杂散光影响图像对比度。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，在外遮光罩、挡光环表面、次镜消光孔内、镜筒内壁、内挡光环表面、内遮光罩涂消光漆，进一步抑制杂散光。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，采用0.15mm厚度Avian Black-s消光漆，对深紫外至近红外谱段光波的反射率为1％。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，内遮光罩的尺寸包括内口径为Dn，外口径Dw，长度为Ln，通过如下方法确定上述尺寸：
在光学系统子午面内，以主镜顶点为原心建立局部直角坐标系，沿光轴方向为z轴，垂直于光轴方向为y轴；
在光学设计软件中设定两个边缘视场±ω进行光线追迹，其中令+ω视场经次镜反射后的上边缘出射光线与主镜非球面交于I点，其坐标为(zi,yi)；
令+ω视场上边缘光线与-ω视场上边缘光线交点为J点，其坐标为(zj,yj)；
则有Dn＝2yi Dw＝2yj Ln＝zj-zi。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，外遮光罩的尺寸包括内径D0，外径D1，长度L，通过如下方法确定上述参数：
首先确定外遮光罩的轮廓尺寸：
D1＝D0+2L tanω (1)
D0＝L tanθ-L tanω (2)
光学系统的入瞳直径D0、杂散光入射角θ，ω为光学系统视场角为已知，由上两式确定：
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，外遮光罩中，挡光环的设置根据以下方法确定：
根据光学元件的口径和机械壳体最大允许口径设定挡光环的最大高度H；
设定外遮光罩为圆柱形，边缘视场轮廓线为不加挡光环时遮光筒的位置；
在系统的子午截面内，圆柱形外遮光罩被分为上边缘线和下边缘线，其靠近镜筒一侧为内侧，远离镜筒一侧为外侧，以上边缘线外侧端点为起始点，向下引高为H的垂线至A点；令下边缘线内测端点为B点；以上边缘线内侧端点为起始点向下引高为H(1+cosω)的垂线至C点；
在A、C两处设置相应位置和高度的挡光环；
连接A点与B点做直线，该直线与边缘视场轮廓线相交于点E，在E处设置第一个挡光环；
连接视场内边缘点C与点E并延长与遮光罩外轮廓交于D点，连接点A与点D，与边缘视场轮廓线交于F，在F处设置第二个挡光环；
以此类推，直至获得一点G，连接CG，刚好与下边缘线相交于外侧端点或与下边缘线无交点，在G处设置最后一个挡光环。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，次镜消光孔的尺寸根据如下方法确定：
首先在光学设计软件CODE V或Zemax中设置遮拦比；
再通过实际光线追迹，确定边缘视场光线；
设定S1为ω视场最贴近次镜下边缘并参与成像的光线，S2为-ω视场的下边缘参与成像的光线；
S1光线与S2经次镜后的反射光线交点Q为主镜内孔遮光罩的边缘点；
S1光线在次镜上的投射点P为次镜消光孔的边缘点；
通过实际光线追迹确定P点坐标，设为(yP,zP)，次镜消光孔的直径为
D2＝2yP (5)。
进一步的，如上所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，内挡光环的尺寸和位置根据如下方法确定：
圆柱形镜筒在子午面内存在上边缘线和下边缘线，靠近主镜一侧为内侧，靠近次镜一侧为外侧；
镜筒内壁挡光环高度一致，记作h，其大小保证不遮挡边缘视场光线；
在子午面内，令次镜及其支撑结构外侧上边缘点为M，令镜筒内壁上边缘线内侧端点为S，主镜通光口内侧上边缘点为N，连接MS，交内壁挡光环轮廓线于T点，过T点设置第一个内挡光环；
连接NT并延长交上边缘线于R点，连接MR，交挡光环轮廓线于U点，过U点设置第二个内挡光环；
以此类推，直到获得一点V，连接NV，与上边缘线无交点，此时过V设置的挡光环即为镜筒内壁最后一个内挡光环。
本发明技术方案的有益效果在于：
R-C光学系统新型消杂光结构是在原有的基础上改进了内消光结构，利用光路中心遮拦特点增加了次镜内消光孔，并涂消光漆，进一步提高系统抑制杂散光能力，仅在一级外遮光罩配合的条件下，就可达到PST&lt;10-9消光效果(太阳规避角45°)，为全天时星敏感器的工程化研制奠定基础。
附图说明
图1为本发明全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置结构三维图；
图2为本发明全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置子午面内光路原理图。
图中：1外遮光罩、2次镜消光孔、3内挡光环、4内遮光罩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：
消光装置包含四部分：外遮光罩、次镜消光孔、内挡光环、内遮光罩；
一、内遮光罩
主镜中心设置通光孔，在主镜出光孔前端设置圆筒形结构的内遮光罩，通过内遮光罩阻隔杂散光直接入射至像面；
内遮光罩的尺寸包括内口径为Dn，外口径Dw，长度为Ln，通过如下方法确定上述尺寸：
在光学系统子午面内，以主镜顶点为原心建立局部直角坐标系，沿光轴方向为z轴，垂直于光轴方向为y轴；
在光学设计软件中设定两个边缘视场±ω进行光线追迹，其中令+ω视场经次镜反射后的上边缘出射光线与主镜非球面交于I点，其坐标为(zi,yi)；
令+ω视场上边缘光线与-ω视场上边缘光线交点为J点，其坐标为(zj,yj)；
则有Dn＝2yi Dw＝2yj Ln＝zj-zi。
二、外遮光罩
外遮光罩采用一级消光设计形式，控制大于太阳规避角的入射杂光不能直接进入至光学系统；
在外遮光罩内壁设置挡光环；
外遮光罩中，挡光环高度为以下两种形式之一：①高度一致；②高度呈梯度分布；挡光环高度不遮挡成像光线；
外遮光罩的尺寸包括内径D0，外径D1，长度L，通过如下方法确定上述参数：
首先确定外遮光罩的轮廓尺寸：
D1＝D0+2L tanω (1)
D0＝L tanθ-L tanω (2)
光学系统的入瞳直径D0、杂散光入射角θ，ω为光学系统视场角为已知，由上两式确定：
外遮光罩中，挡光环的设置根据以下方法确定：
根据光学元件的口径和机械壳体最大允许口径设定挡光环的最大高度H；
设定外遮光罩为圆柱形，边缘视场轮廓线为不加挡光环时遮光筒的位置；
在系统的子午截面内，圆柱形外遮光罩被分为上边缘线和下边缘线，其靠近镜筒一侧为内侧，远离镜筒一侧为外侧，以上边缘线外侧端点为起始点，向下引高为H的垂线至A点；令下边缘线内测端点为B点；以上边缘线内侧端点为起始点向下引高为H(1+cosω)的垂线至C点；
在A、C两处设置相应位置和高度的挡光环；
连接A点与B点做直线，该直线与边缘视场轮廓线相交于点E，在E处设置第一个挡光环；
连接视场内边缘点C与点E并延长与遮光罩外轮廓交于D点，连接点A与点D，与边缘视场轮廓线交于F，在F处设置第二个挡光环；
以此类推，直至获得一点G，连接CG，刚好与下边缘线相交于外侧端点或与下边缘线无交点，在G处设置最后一个挡光环。
三、次镜消光孔
全天时星敏感器R-C光学系统的次镜中心设置消光孔，以次镜顶点为圆心在次镜中心区域挖直径为D2的圆形孔；
挖孔尺寸由遮拦比及边缘光线追迹来确定；
次镜消光孔的尺寸根据如下方法确定：
首先在光学设计软件CODE V或Zemax中设置遮拦比；
再通过实际光线追迹，确定边缘视场光线；
设定S1为ω视场最贴近次镜下边缘并参与成像的光线，S2为-ω视场的下边缘参与成像的光线；
S1光线与S2经次镜后的反射光线交点Q为主镜内孔遮光罩的边缘点；
S1光线在次镜上的投射点P为次镜消光孔的边缘点；
通过实际光线追迹确定P点坐标，设为(yP,zP)，次镜消光孔的直径为
D2＝2yP (5)。
四、内挡光环
在全天时星敏感器R-C光学系统的镜筒内的主镜和次镜之间设置内挡光环，以减小经由镜筒内壁和光学元件表面的多次反射的杂散光影响图像对比度。
内挡光环的尺寸和位置根据如下方法确定：
圆柱形镜筒在子午面内存在上边缘线和下边缘线，靠近主镜一侧为内侧，靠近次镜一侧为外侧；
镜筒内壁挡光环高度一致，记作h，其大小保证不遮挡边缘视场光线；
在子午面内，令次镜及其支撑结构外侧上边缘点为M，令镜筒内壁上边缘线内侧端点为S，主镜通光口内侧上边缘点为N，连接MS，交内壁挡光环轮廓线于T点，过T点设置第一个内挡光环；
连接NT并延长交上边缘线于R点，连接MR，交挡光环轮廓线于U点，过U点设置第二个内挡光环；
以此类推，直到获得一点V，连接NV，与上边缘线无交点，此时过V设置的挡光环即为镜筒内壁最后一个内挡光环。
在外遮光罩、挡光环表面、次镜消光孔内、镜筒内壁、内挡光环表面、内遮光罩涂消光漆，进一步抑制杂散光。具体的，在本实施例中采用的是0.15mm厚度Avian Black-s消光漆，对深紫外至近红外谱段光波的反射率为1％。
本发明可应用于空间观测、导航定位定向、精密测量等需要抑制杂散光干扰的光学系统中，保证系统小型化前提下提高抑制杂散光性能。

Claims (10)

1.一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：
消光装置包含四部分：外遮光罩、次镜消光孔、内挡光环、内遮光罩；
一、内遮光罩
主镜中心设置通光孔，在主镜出光孔前端设置圆筒形结构的内遮光罩，通过内遮光罩阻隔杂散光直接入射至像面；
二、外遮光罩
外遮光罩采用一级消光设计形式，控制大于太阳规避角的入射杂光不能直接进入至光学系统；
在外遮光罩内壁设置挡光环；
外遮光罩中，挡光环高度为以下两种形式之一：①高度一致；②高度呈梯度分布；挡光环高度不遮挡成像光线；
三、次镜消光孔
全天时星敏感器R-C光学系统的次镜中心设置消光孔，以次镜顶点为圆心在次镜中心区域挖直径为D2的圆形孔；
挖孔尺寸由遮拦比及边缘光线追迹来确定；
四、内挡光环
在全天时星敏感器R-C光学系统的镜筒内的主镜和次镜之间设置内挡光环，以减小经由镜筒内壁和光学元件表面的多次反射的杂散光影响图像对比度。
2.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：在外遮光罩、挡光环表面、次镜消光孔内、镜筒内壁、内挡光环表面、内遮光罩涂消光漆，进一步抑制杂散光。
3.如权利要求2所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：采用0.15mm厚度Avian Black-s消光漆，对深紫外至近红外谱段光波的反射率为1％。
4.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：内遮光罩的尺寸包括内口径为Dn，外口径Dw，长度为Ln，通过如下方法确定上述尺寸：
在光学系统子午面内，以主镜顶点为原心建立局部直角坐标系，沿光轴方向为z轴，垂直于光轴方向为y轴；
在光学设计软件中设定两个边缘视场±ω进行光线追迹，其中令+ω视场经次镜反射后的上边缘出射光线与主镜非球面交于I点，其坐标为(zi,yi)；
令+ω视场上边缘光线与-ω视场上边缘光线交点为J点，其坐标为(zj,yj)；
则有Dn＝2yiDw＝2yjLn＝zj-zi。
5.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：外遮光罩的尺寸包括内径D0，外径D1，长度L，通过如下方法确定上述参数：
首先确定外遮光罩的轮廓尺寸：
D1＝D0+2L tanω (1)
D0＝Ltanθ-L tanω (2)
光学系统的入瞳直径D0、杂散光入射角θ，ω为光学系统视场角为已知，由上两式确定：
6.如权利要求5所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：外遮光罩中，挡光环的设置根据以下方法确定：
根据光学元件的口径和机械壳体最大允许口径设定挡光环的最大高度H；
设定外遮光罩为圆柱形，边缘视场轮廓线为不加挡光环时遮光筒的位置；
在系统的子午截面内，圆柱形外遮光罩被分为上边缘线和下边缘线，其靠近镜筒一侧为内侧，远离镜筒一侧为外侧，以上边缘线外侧端点为起始点，向下引高为H的垂线至A点；令下边缘线内测端点为B点；以上边缘线内侧端点为起始点向下引高为H(1+cosω)的垂线至C点；
在A、C两处设置相应位置和高度的挡光环；
连接A点与B点做直线，该直线与边缘视场轮廓线相交于点E，在E处设置第一个挡光环；
连接视场内边缘点C与点E并延长与遮光罩外轮廓交于D点，连接点A与点D，与边缘视场轮廓线交于F，在F处设置第二个挡光环；
以此类推，直至获得一点G，连接CG，刚好与下边缘线相交于外侧端点或与下边缘线无交点，在G处设置最后一个挡光环。
7.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：次镜消光孔的尺寸根据如下方法确定：
首先在光学设计软件CODE V或Zemax中设置遮拦比；
再通过实际光线追迹，确定边缘视场光线；
设定S1为ω视场最贴近次镜下边缘并参与成像的光线，S2为-ω视场的下边缘参与成像的光线；
S1光线与S2经次镜后的反射光线交点Q为主镜内孔遮光罩的边缘点；
S1光线在次镜上的投射点P为次镜消光孔的边缘点；
通过实际光线追迹确定P点坐标，设为(yP,zP)，次镜消光孔的直径为
D2＝2yP (5)。
8.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：内挡光环的尺寸和位置根据如下方法确定：
圆柱形镜筒在子午面内存在上边缘线和下边缘线，靠近主镜一侧为内侧，靠近次镜一侧为外侧；
镜筒内壁挡光环高度一致，记作h，其大小保证不遮挡边缘视场光线；
在子午面内，令次镜及其支撑结构外侧上边缘点为M，令镜筒内壁上边缘线内侧端点为S，主镜通光口内侧上边缘点为N，连接MS，交内壁挡光环轮廓线于T点，过T点设置第一个内挡光环；
连接NT并延长交上边缘线于R点，连接MR，交挡光环轮廓线于U点，过U点设置第二个内挡光环；
以此类推，直到获得一点V，连接NV，与上边缘线无交点，此时过V设置的挡光环即为镜筒内壁最后一个内挡光环。
9.如权利要求1所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：在外遮光罩、挡光环表面、次镜消光孔内、镜筒内壁、内挡光环表面、内遮光罩涂消光漆；
内遮光罩的尺寸包括内口径为n，外口径Dw，长度为L，通过如下方法确定上述尺寸：n
在光学系统子午面内，以主镜顶点为原心建立局部直角坐标系，沿光轴方向为z轴，垂直于光轴方向为y轴；
在光学设计软件中设定两个边缘视场±ω进行光线追迹，其中令+ω视场经次镜反射后的上边缘出射光线与主镜非球面交于I点，其坐标为(zi,yi)；
令+ω视场上边缘光线与-ω视场上边缘光线交点为J点，其坐标为(zj,yj)；
则有Dn＝2yiDw＝2yjLn＝zj-zi；
外遮光罩的尺寸包括内径D0，外径D1，长度L，通过如下方法确定上述参数：
首先确定外遮光罩的轮廓尺寸：
D1＝D0+2L tanω (1)
D0＝L tanθ-L tanω (2)
光学系统的入瞳直径D0、杂散光入射角θ，ω为光学系统视场角为已知，由上两式确定：
外遮光罩中，挡光环的设置根据以下方法确定：
根据光学元件的口径和机械壳体最大允许口径设定挡光环的最大高度H；
设定外遮光罩为圆柱形，边缘视场轮廓线为不加挡光环时遮光筒的位置；
在系统的子午截面内，圆柱形外遮光罩被分为上边缘线和下边缘线，其靠近镜筒一侧为内侧，远离镜筒一侧为外侧，以上边缘线外侧端点为起始点，向下引高为H的垂线至A点；令下边缘线内测端点为B点；以上边缘线内侧端点为起始点向下引高为H(1+cosω)的垂线至C点；
在A、C两处设置相应位置和高度的挡光环；
连接A点与B点做直线，该直线与边缘视场轮廓线相交于点E，在E处设置第一个挡光环；
连接视场内边缘点C与点E并延长与遮光罩外轮廓交于D点，连接点A与点D，与边缘视场轮廓线交于F，在F处设置第二个挡光环；
以此类推，直至获得一点G，连接CG，刚好与下边缘线相交于外侧端点或与下边缘线无交点，在G处设置最后一个挡光环；
次镜消光孔的尺寸根据如下方法确定：
首先在光学设计软件CODE V或Zemax中设置遮拦比；
再通过实际光线追迹，确定边缘视场光线；
设定S1为ω视场最贴近次镜下边缘并参与成像的光线，S2为-ω视场的下边缘参与成像的光线；
S1光线与S2经次镜后的反射光线交点Q为主镜内孔遮光罩的边缘点；
S1光线在次镜上的投射点P为次镜消光孔的边缘点；
通过实际光线追迹确定P点坐标，设为(yP,zP)，次镜消光孔的直径为
D2＝2yP (5)；
内挡光环的尺寸和位置根据如下方法确定：
圆柱形镜筒在子午面内存在上边缘线和下边缘线，靠近主镜一侧为内侧，靠近次镜一侧为外侧；
镜筒内壁挡光环高度一致，记作h，其大小保证不遮挡边缘视场光线；
在子午面内，令次镜及其支撑结构外侧上边缘点为M，令镜筒内壁上边缘线内侧端点为S，主镜通光口内侧上边缘点为N，连接MS，交内壁挡光环轮廓线于T点，过T点设置第一个内挡光环；
连接NT并延长交上边缘线于R点，连接MR，交挡光环轮廓线于U点，过U点设置第二个内挡光环；
以此类推，直到获得一点V，连接NV，与上边缘线无交点，此时过V设置的挡光环即为镜筒内壁最后一个内挡光环。
10.如权利要求9所述的一种全天时星敏感器R-C光学系统消杂光装置，其特征在于：在外遮光罩、挡光环表面、次镜消光孔内、镜筒内壁、内挡光环表面、内遮光罩涂0.15mm厚度Avian Black-s消光漆，对深紫外至近红外谱段光波的反射率为1％。
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