一种实现全天候的星敏感器光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种星敏感器光学系统，尤其涉及一种用来实现全天候的超大口径宽谱段星敏感器光学系统；光学系统采用了同轴三反射镜结构型式，包括轴心在一直线上依次排列的第一片正反射镜、第二片负反射镜、第三片平面反射镜、第四片正反射镜，光阑设置在第一片正反射镜上；本发明解决了现公布的星敏感器光学系统存在两个技术问题，一是只能用于外层空间的测量，没有实现全天候，二是口径较小，可探测极限星等较低，二级光谱较大的技术问题，本发明有利于实现星敏感器的全天候使用，增大星敏感器光学系统的孔径，摆脱色差对光学系统成像质量的影响，一次探测概率较高，可观测星等较高的功能。
【专利说明】一种实现全天候的星敏感器光学系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学设计领域，涉及一种利用恒星作为参照系进行导航的星敏感器光 学系统，尤其涉及一种实现全天候的星敏感器光学系统。
【背景技术】
[0002] 恒星所发出的光经过遮光罩去除大部分杂散光后，再通过镜头在探测器平面上成 像，星图像经过平面阵列探测器光电采样后形成数字化星图，然后将其送入微处理器。拍摄 的星图通过星点提取得到恒星像在探测器平面的位置坐标和星敏感器坐标系下的位置矢 量；提取星图中若干星点位置坐标后通过星图识别得到所提取的星点在天球惯性系中的坐 标，从而得到其在天球惯性系中的位置矢量；最后根据星点在星敏感器坐标系下的位置矢 量和天球惯性系中的位置矢量可计算出当前星敏感器姿态。
[0003] 星敏感器作为目前各种姿态测量部件中精度最高的姿态敏感器之一，在大气层外 的卫星平台上得到了广泛应用，但在大气层内的空间飞行器上，如飞艇、浮空气球、高空长 航时无人机甚至导弹上还没有得到广泛应用。白天的强背景是阻碍星敏感器全天时应用的 主要因素，传统的星敏感器主要是光学系统设计不能满足白天观星的要求，因而应用受到 限制。因此对全天时星敏感器的关键技术瓶颈光学系统的深入分析和重新设计具有重要意 义。
[0004] 全天候星敏感器光学系统不同于一般的星敏感器光学系统，高质量、高性能的全 天候星敏感器光学系统是研制高精度全天候星敏感器的基础。其光学系统评价标准主要有 以下几个方面。
[0005] (1)视场大小确定的情况下，可探测极限星等和恒星-背景对比度随观测高度、太 阳天顶角、波段、恒星光谱变化的情况需要折衷选取；
[0006] (2)相对孔径、视场大小的选取与一次可探测概率之间需要折衷，必须重点考虑到 视场内观测星等的数目选择；
[0007] (3)以现有的可见光CCD图像传感器和光学镜头加工水平为基础，依据星敏感器 探测能力、探测精度与各参数的关系，选择相应技术指标下的光学系统指标。
[0008] 目前国内公布的星敏感器光学系统如2004年《光子学报》刊登的"轻小型星敏感 器光学系统设计"和2004年3月《光学技术》刊登的"折反式大视场星敏感器光学系统设 计"分别使用了透射式和折反式光学结构型式，两者都是应用在卫星等外太空航天设备中 的，存在着无法应用到大气层内的全天候星敏感器的缺陷。申请号为200610170214. 9、申请 号为201110288663. 4和申请号为201210358933. 9的星敏感器光学系统均是透射式系统， 虽然在视场和相对孔径上都各有特点，但是都是应用在卫星等外太空航天设备中的，存在 着无法应用到大气层内的全天候星敏感器的缺陷。
[0009] 光学系统的孔径的增大直接影响光学系统的色差，极大地增加了光学系统像差的 校正难度。现公布的光学系统入瞳直径较小，可观测极限星等有限。
【发明内容】
[0010] 为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本发明提供了一种实现全天候的星敏 感器光学系统，其性能指标优良，入瞳直径150mm，能够在3°视场范围满足较高测量精度 的星敏感器使用要求的光学系统。
[0011] 本发明的技术解决方案：
[0012] 本发明的超大孔径宽谱段反射式星敏感器光学系统，其特征在于：包括轴心在一 直线上依次排列的第一正反射镜（1)、第二负反射镜（2)、第三平面反射镜（3)、第四正反射 镜（4)，光阑（5)位于第一正反射镜上；
[0013] 所述第一正反射镜（1)的光学特性为：
[0014] _f' <f' '_0. 5f'，光阑位于此面上，Rpif' i，ei2 = -0.6,与第四反射镜⑷共用 一块基底SiC材料；
[0015] 所述第二负反射镜（2)的光学特性为：
[0016] 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光经过第一正反射镜和第二负反射镜 后会有中间像，为后续的消杂光提供了很好的空间；
[0017] 所述第三平面反射镜（3)的光学特性为：
[0018] 该面是平面镜，主要用来转折光路，便于后续放置图像传感器；
[0019] 所述第四正反射镜（4)的光学特性为：
[0020] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,将光路转折汇聚到图像传感器上；
[0021] 其中f '为该光学系统的焦距，f ' p f ' 2、f ' 4分别为3个反射镜的焦距，％、R2、R4 分别为3个反射镜的曲率半径，θΛ e22、e42为三个反射镜的二次系数。
[0022] 上述超大孔径宽光谱反射式星敏感器光学系统的后工作距离大于20mm。
[0023] 本发明所具有的优点：
[0024] 1、本发明光学系统实现了星敏感器的大气层内的全天候应用，工作在大气层内的 全天时星敏感器性能不但受轨道高度、太阳方位等因素影响，还与光学镜头和图像传感器 等参数有密切关系。通过分析和设计，设计达到了如下指标：对视场范围取：?的全天时星 敏感器，当选用尺寸为4096pixel X4096pixel，像元大于10 μ mX 10 μ m的典型CO)图像传 感器时，可探测极限星等大于8等，视场范围内观测到3颗星的概率达99%以上，横滚姿态 精度为0.5172 "?4. 0431"，偏仰偏航姿态精度为0.0096 "?0.0706 ";
[0025] 2、采用同轴三反消像散系统，有利于利用较少的参数校正轴外像差，减轻了系统 的重量，主镜和三镜加工在同一块材料上，有利于系统的装调；
[0026] 3、镜面基底材料选择的是SiC。SiC(碳化硅）比刚度仅比Be (金属铍）稍小，而 Be加工时有毒，成本高；SiC的A/K最小，比Be小约5倍，因此，SiC材料是制作这类光学系 统的最佳材料；
[0027] 4、反射式光学系统不存在色差，结构简单，适用光谱范围宽，并且反射系统不需要 无热化设计，使用温度范围较宽，在-50°到+60°温度区间内均可保证成像质量；
[0028] 5.本发明光学系统有中间像，因此便于在后期设计中加入Lyot光阑和相关的消 杂光光阑进行系统的消杂光设计，便于提供系统的信噪比。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是本发明实施例的系统总体结构示意图；
[0030] 图2是本发明的包围圆能量图；
[0031] 图1中，1-第一正反射镜、2-第二负反射镜、3-第三平面反射镜、4-第三平面反射 镜、5-光阑。
【具体实施方式】
[0032] 如图1所示，本发明的超大孔径宽谱段反射式星敏感器光学系统，其特征在于：包 括轴心在一直线上依次排列的第一正反射镜（1)、第二负反射镜（2)、第三平面反射镜（3)、 第四正反射镜（4)，光阑（5)位于第一正反射镜上；
[0033] 所述第一正反射镜（1)的光学特性为：
[0034] _f' <f' '_0. 5f'，光阑位于此面上，Rpjf' i，ei2 = -0.6,与第四反射镜⑷共用 一块基底SiC材料；
[0035] 所述第二负反射镜（2)的光学特性为：
[0036] 1. 5f ' <f ' 2〈2f '，R2>-0. 5f ' 2, e22 = -0. 715,光经过第一正反射镜和第二负反射镜 后会有中间像，为后续的消杂光提供了很好的空间；
[0037] 所述第三平面反射镜（3)的光学特性为：
[0038] 该面是平面镜，主要用来转折光路，便于后续放置图像传感器；
[0039] 所述第四正反射镜（4)的光学特性为：
[0040] f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,将光路转折汇聚到图像传感器上；
[0041] 其中f '为该光学系统的焦距，f ' p f ' 2、f ' 4分别为3个反射镜的焦距，％、R2、R4 分别为3个反射镜的曲率半径，θΛ e22、e42为三个反射镜的二次系数；
[0042] 上述超大孔径宽光谱反射式星敏感器光学系统的后工作距离大于20mm。
[0043] 下面用实例来说明一些具体情况：
[0044] 全天候星敏感器光学镜头要求做到入瞳直径有150_，视场角3°，弥散斑在各波 段在边缘视场均大于10 μ m小于三个探测器像元。这是一个技术指标要求很高的光学系 统，由于入瞳直径过大会带来很大的色差，而色差的校正尤其是二级光谱的校正需要昂贵 的材料，因此必须考虑反射式系统的使用。同时，反射式系统中的反射面有二次系数，这样 就为像差的校正增加了自由度，从而通过光学设计软件中的优化程序来校正系统的初级像 差。考虑到后续的高级像差校正和平衡，在优化的过程中，控制每个面的偏角不宜过大，让 光学顺畅的通过每个反射面。
[0045] 另外，考虑到后续的环境影响和轻量化设计，镜面基底材料选择的是SiC。SiC(碳 化硅）比刚度仅比Be (金属铍）稍小，而Be加工时有毒，成本高；SiC的A/K最小，比Be小 约5倍，因此，SiC材料是制作这类光学系统的最佳材料。
【权利要求】
1.本发明的一种实现全天候的星敏感器光学系统，其特征在于：包括轴心在一直线上 依次排列的第一正反射镜（1)、第二负反射镜（2)、第三平面反射镜（3)、第四正反射镜（4)， 光阑（5)位于第一正反射镜（1)上； 所述第一正反射镜（1)的光学特性为： -f' <f' '-0. 5f'，光阑位于此面上，RAjf' i，ei2 = -0.6,与第四反射镜⑷共用一块 基底SiC材料； 所述第二负反射镜（2)的光学特性为： 1. 5f' <f' 2〈2f'，R2>-0. 5f' 2，e22 = -0· 715,光经过第一正反射镜和第二负反射镜后会 有中间像，为后续的消杂光提供了很好的空间； 所述第三平面反射镜（3)的光学特性为： 该面是平面镜，主要用来转折光路，便于后续放置图像传感器； 所述第四正反射镜（4)的光学特性为： f' 4〈-0· 5f'，R4>2f' 4, e42 = -0· 279,将光路转折汇聚到图像传感器上； 其中f '为该光学系统的焦距，f ' i、f ' 2、f ' 4分别为3个反射镜的焦距，Rp R2、R4分别 为3个反射镜的曲率半径，ei2、e22、e 42为三个反射镜的二次系数。
2. 根据权力要求1所述的超大孔径宽谱段星敏感器光学系统，其特征在于：所述的反 射镜基底材料为SiC。
3. 根据权力要求2所述的超大孔径宽谱段星敏感器光学系统，其特征在于：通过采用 反射式光学元件达到了摆脱色差影响的目的，同时可以达到超大孔径的目的。
4. 根据权利要求3所述的超大孔径宽谱段星敏感器光学系统，其特征在于：本发明光 学系统的相对孔径为1 :2。
5. 根据权利要求4所述的超大孔径宽谱段星敏感器光学系统，其特征在于：焦距为 500111111，光学视场为3°，波段范围50011111?100011111，？数为2，基本上80%的能量都集中在 10#内，无色差。
【文档编号】G02B1/00GK104090355SQ201410311855
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】常军, 王凡, 郝云彩, 牛亚军, 查为懿, 许尧, 冯驰 申请人:北京理工大学