CN109781143A - 一种消热差动态星模拟器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消热差动态星模拟器光学系统，从物侧面方向依次包括同光轴的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、偏振分光器件以及星点显示器件，光阑与星敏感器入瞳匹配，第一透镜为双凸透镜，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，第四透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，第五透镜为凹面朝向光阑方向的弯月透镜，第五透镜可沿光轴方向移动，且通过第五透镜的移动，可保证光学系统在0～40℃的温度范围内保持像质稳定。

Description

一种消热差动态星模拟器光学系统
技术领域
本发明涉及空间探测模拟技术领域，更准确的说涉及一种消热差动态星模拟器光学系统。
背景技术
航天器在太空中运行时，利用光学导航敏感器捕获和测量其飞行姿态信息。达到对航天器空间运行轨迹和运动指向实时控制的目的。星敏感器作为一种精度最高的空间姿态光学敏感器，在空间领域得到了广泛应用。星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航能力，星敏感器具有精度高、小号弱的特性。星敏感器系统硬软件设计制作完成后，必须进行大量的观测以验证系统的设计，特别是软件模块还需不断测试、标定和改进整个星敏感器系统的动态性能。随着空间探测技术的不断发展，对星敏感器的技术指标和测试条件要求也越来越高。对真实星空的观测会受到种种限制，因此具备一台星模拟器以便在实验室正确完成星敏感器系统的所有任务是研制星敏感器系统的最佳途径。星敏感器用于卫星姿态地面闭环联试时，也必须使用星模拟器。其中，动态星模拟器作为星敏感器的地面测试和标定设备也越来越得到了广泛的关注，研制能够满足星敏感器地面标定工作的高精度动态星模拟器越来越重要。
现有的动态星模拟器的光学系统的主要不足之处在于星间角距误差精度不够高，为了提高动态星模拟器光学系统星间焦距误差精度，需要增大光学系统焦距，而长焦系统成像质量易受环境温度变化影响，通常会超出光学系统的焦深距离，而星敏感器的工作温度范围一般在0～40℃，现有的动态星模拟器光学系统无法在一般温度范围内保证精度要求，对温度范围控制要求较高，无法满足高精度星敏感器在不同温度下的地面测试和标定需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种消热差动态星模拟器光学系统，从物侧面方向依次包括同光轴的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、偏振分光器件以及星点显示器件，光阑与星敏感器入瞳匹配，第一透镜为双凸透镜，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，第四透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，第五透镜为凹面朝向光阑方向的弯月透镜，第五透镜可沿光轴方向移动，且通过第五透镜的移动，可保证光学系统在0～40℃的温度范围内保持像质稳定。
为了实现上述目的，本发明提供一种消热差动态星模拟器光学系统，用于测试星敏感器，从物侧面方向依次包括同光轴的一光阑、一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜、一偏振分光器件以及一星点显示器件，所述光阑与星敏感器入瞳匹配，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为凸面朝向所述光阑方向的平凸透镜，所述第四透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，所述第五透镜为凹面朝向光阑方向的弯月透镜，所述第五透镜可沿光轴方向移动。
优选地，所述第五透镜在0～40℃的温度范围内移动至不同位置，将20℃时第所述五透镜在光轴上的位置记为0，所述第五透镜移动至0位置左边记为负值，移动至0位置右边记为正值，所述第五透镜位置随温度变化范围的移动范围为-0.653～0.675mm。
优选地，所述光阑与所述第一透镜之间的最短距离为50mm，所述光阑口径为140mm。
优选地，所述第一透镜的厚度为23mm。
优选地，所述第二透镜的厚度为8mm，所述第二透镜与所述第一透镜之间的最短距离为6.4mm。
优选地，所述第三透镜的厚度为16mm，所述第三透镜与所述第二透镜之间的最短距离为1.35mm。
优选地，所述第四透镜厚度为14mm，所述第四透镜与所述第三透镜之间的最短距离为93.9mm。
优选地，所述第五透镜厚度为9mm，所述第五透镜与所述第四透镜之间的最短距离为197.5mm。
优选地，所述偏振分光器件厚度为22.5mm。
优选地，所述星点显示器件采用LCOS显示器。
与现有技术相比，本发明的一种消热差动态星模拟器光学系统的优点在于：通过所述消热差动态星模拟器光学系统所模拟星点的星间角距误差精度高，优于2″，且通过调节所述第五透镜，能够在不同温度下保持光学系统像质稳定，从而满足高精度星敏感器在不同温度下的地面测试和标定需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1所示为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统的结构示意图。
图2所示为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统的光路示意图。
图3所示为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统像面的调制传递函数(MTF)图。
图4所示为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统像面的场曲畸变图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种消热差动态星模拟器光学系统包括从物侧方向依次排列的一光阑1、一第一透镜2、一第二透镜3、一第三透镜4、一第四透镜5、一第五透镜6、一偏振分光器件7以及一星点显示器件8，所述光阑1、所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述第三透镜4、所述第四透镜5、所述第五透镜6、所述偏振分光器件7以及所述星点显示器件8共光轴。
其中，所述光阑1与所述第一透镜2之间的最短距离为50mm，所述光阑1口径为140mm，所述光阑1外置用于与待测试的星敏感器入瞳匹配。
其中，所述第一透镜2为一双凸透镜，所述第一透镜2的厚度为23mm。
所述第二透镜3为一双凹透镜，所述第二透镜3的厚度为8mm，所述第二透镜3与所述第一透镜2之间的最短距离为6.4mm。
所述第三透镜4为一平凸透镜，所述第三透镜4的厚度为16mm，所述第三透镜4的凸面朝向所述光阑1方向，所述第三透镜4与所述第二透镜3之间的最短距离为1.35mm。
值得注意的是，所述第一透镜2、所述第二透镜3、所述第三透镜4组合形成正负正结构，所述第一透镜2、所述第二透镜3以及所述透镜4主要用于校正所述消热差动态星模拟器光学系统的色差、球差和彗差。
所述第四透镜5为一平凸透镜，所述第四透镜5厚度为14mm，所述第四透镜5的凸面朝向远离所述光阑1的方向，所述第四透镜5与所述第三透镜4之间的最短距离为93.9mm。
所述第五透镜6为一弯月透镜，所述第五透镜6厚度为9mm，所述第五透镜6的凹面朝向所述光阑1的方向，所述第五透镜6与所述第四透镜5之间的最短距离为197.5mm。
所述第五透镜6用于光路对焦，通过调节所述第五透镜6的位置来主动校正光学系统热差。所述第四透镜5和所述第五透镜6组合为正负结构，共同用于消除光学系统色差及缩短光路长度。
具体的，所述第五透镜6可沿光轴方向进行移动，在不同的温度情况下通过移动所述第五透镜6，可保证所述消热差动态星模拟器光学系统在0～40℃的温度范围内，保持像质稳定。将20℃时第所述五透镜6在光轴上的位置记为0，所述第五透镜6移动至0位置左边记为负值，移动至0位置右边记为正值，所述第五透镜6位置随温度变化范围为-0.653～0.675mm。具体的，所述第五透镜6在0～40℃的温度范围所需调节的位置数据如表1所示。
表1所述第五透镜在不同温度下的对应位置
所述偏振分光器件7厚度为22.5mm，用于两片所述星点显示器件8的拼接显示，以提高星图显示分辨率。
所述星点显示器件8用于星图动态显示，可采用LCOS等显示器件。
为保证星场内所有星图位置准确，能量均恒等，要求所述消热差动态星模拟器光学系统的成像质量为小畸变、平像场、复消色差。
如图2所示，为所述消热差动态星模拟器光学系统的光线传播路径，被光源点亮的所述星图显示器件8发出的光线经所述偏振分光器件7、所述第五透镜6、所述第四透镜5、所述第三透镜4、所述第二透镜3和所述第一透镜2后在所述光阑1处准直出射。
如表2所示，为所述消热差动态星模拟器光学系统在20℃温度情况下每一个透镜的具体参数值，其中“表面”一栏给出了每一块透镜表面对应编号；“半径”一栏给出了每一表面所对应的球面半径；“厚度/间距”一栏给出了相邻表面之间的轴向距离，如果该两表面属于同一透镜，则厚度值表示该透镜厚度，否则表示物/像面到透镜距离或相邻透镜间间距；“半孔径”一栏给出了所对应表面的1/2孔径值。
以所述第一透镜2为例，所述第一透镜2的前表面的球面半径和半孔径分别为251.54mm和72mm，所述第一透镜2的前表面到所述光阑1距离为50mm，所述第一透镜2的后表面的球面半径和半孔径分别为-307.38mm和72mm，所述第一透镜2的前表面到后表面的距离即所述第一透镜2的中心厚度为23mm。
表2 所述消热差动态星模拟器光学系统各透镜设计数据
如图3所示，为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统像面的调制传递函数(MTF)图，各视场在空间频率为59Lp/mm处的MTF>0.65，传递函数曲线同图中所示衍射极限接近，可见具有良好的像质。
如图4所示，为本发明一种消热差动态星模拟器光学系统像面的场曲畸变图，全视场最大畸变为0.001mm，可见能够满足小畸变的成像质量要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种消热差动态星模拟器光学系统，用于测试星敏感器，其特征在于，从物侧面方向依次包括同光轴的一光阑、一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜、一偏振分光器件以及一星点显示器件，所述光阑与星敏感器入瞳匹配，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为凸面朝向所述光阑方向的平凸透镜，所述第四透镜为凸面朝向光阑方向的平凸透镜，所述第五透镜为凹面朝向光阑方向的弯月透镜，所述第五透镜可沿光轴方向移动。
2.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第五透镜在0～40℃的温度范围内移动至不同位置，将20℃时第所述五透镜在光轴上的位置记为0，所述第五透镜移动至0位置左边记为负值，移动至0位置右边记为正值，所述第五透镜位置随温度变化范围的移动范围为-0.653～0.675mm。
3.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述光阑与所述第一透镜之间的最短距离为50mm，所述光阑口径为140mm。
4.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第一透镜的厚度为23mm。
5.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第二透镜的厚度为8mm，所述第二透镜与所述第一透镜之间的最短距离为6.4mm。
6.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第三透镜的厚度为16mm，所述第三透镜与所述第二透镜之间的最短距离为1.35mm。
7.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第四透镜厚度为14mm，所述第四透镜与所述第三透镜之间的最短距离为93.9mm。
8.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述第五透镜厚度为9mm，所述第五透镜与所述第四透镜之间的最短距离为197.5mm。
9.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述偏振分光器件厚度为22.5mm。
10.如权利要求1所述的消热差动态星模拟器光学系统，其特征在于，所述星点显示器件采用LCOS显示器。
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