深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统，可应用于外太空深空 探测飞行器定姿，属于光学系统技术领域。
【背景技术】
[0002] 星敏感器根据使用的波段范围、探测器种类有多种成像类型。目前已报道过的星 敏感器结构大多采用全透射镜片的透射式，系统焦距一般20mm~60mm，有效入瞳直径一般 10mm~50mm。这会造成当观测深空微弱小星等目标时，单位时间内图像探测器接收到的入 射光能量少，动态运动成像积分时间加长，图像刷新率慢，卫星定姿态速度慢等缺点，无法 适用于未来深空探测飞船卫星的定姿态领域。
【发明内容】
[0003] 本发明为了克服现有技术存在的问题，提供一种深空探测飞行器定姿用星敏感器 光学成像系统。
[0004] 深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统，按光线入射顺序同轴设置第一反 射镜、第二反射镜、第一正弯月透镜、第一负弯月透镜、第二负弯月透镜、第二正弯月透镜和 探测器，入射光线经过第一反射镜前表面反射，入射到第二反射镜后表面，经其反射后入射 到第一正弯月透镜，该入射光依次透过第一正弯月透镜、第一负弯月透镜、第二负弯月透镜 和第二正弯月透镜，最终被探测器接收；
[0005] 所述第一反射镜前表面与第二反射镜后表面中心距离为dl，75mm〈dl〈82mm，第二 反射镜后表面与第一正弯月透镜前表面中心距离为d2，83mm〈d2〈90mm，第一正弯月透镜后 表面与第一负弯月透镜前表面中心距离为d3,3.2mm〈d3〈6mm，第一负弯月透镜后表面与第 二负弯月透镜前表面中心距离为(14,7臟〈(14〈8 111111，第二负弯月透镜后表面与第二正弯月透 镜前表面中心距离d5，0 . Imm〈d5〈0.5mm，第二正弯月透镜后表面与探测器中心距离d6为 8mm 〇
[0006] 本发明光学系统中各光学元件的焦距、折射率、曲率半径及通光口径量值分别满 足以下条件：
[0007]
[0008] 本发明的有益效果是：
[0009] 1)通过计算机辅助光学设计和优化，选择两反射镜的距离与面型可降低入射光线 入射到透镜的矢高和角度，较好地减轻了后组透镜元件的像差校正压力，合理选择后组原 件数量和结构，保证了较高的成像质量，使镜头的MTF值在50 lp/mm时接近衍射极限，全视场 范围内大于0.80。
[0010] 2)集光能力是传统星敏感器的3~4倍，且85%弥散圆能量集中在8μπι~ΙΟμπι范围 内，能量集中度高，有利于探测器离焦下提高定位精度，全波段内能量质心偏差小于2μπι、垂 轴色偏差小于1.9μπι，单星测量精度优于2〃。
[0011] 3)第一反射镜、第二反射镜可使用常规非球面检测手段，分别装调，透镜原件均为 球面面型，共轴摆放，便于加工和装调，透镜材料均为普通商用玻璃，降低了光学系统材料 采购难度和制造成本。
[0012] 4)工作波段全视场范围内相对畸变小于0.08%，相比于传统定姿采用透射型星敏 感器的方法具有更小的相对畸变。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统结构示意图。
[0014] 图2为本发明深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统能量分布曲线。
[0015] 图3为本发明深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统垂轴色差曲线。
[0016] 图4为本发明深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统MTF曲线。
【具体实施方式】
[0017] 如图1所示，一种深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统，按光线入射顺序 同轴设置第一反射镜1、第二反射镜2、第一正弯月透镜3、第一负弯月透镜4、第二负弯月透 镜5、第二正弯月透镜6和探测器7,入射光线经过第一反射镜1前表面11反射，入射到第二反 射镜2后表面21，经其反射后入射到第一正弯月透镜3,该入射光依次透过第一正弯月透镜 3、第一负弯月透镜4、第二负弯月透镜5和第二正弯月透镜6,最终被探测器7接收。
[0018] 所述第一反射镜1前表面11与第二反射镜2后表面21中心距离dl，75mm〈dl〈82mm， 第二反射镜2后表面21与第一正弯月透镜3前表面31中心距离d2，831111]1〈(12〈9〇1]11]1，第一正弯 月透镜3后表面32与第一负弯月透镜4前表面41中心距离d3,3.2mm〈d3〈6mm，第一负弯月透 镜4后表面42与第二负弯月透镜5前表面51中心距离(147臟〈(14〈8111111，第二负弯月透镜5后表 面52与第二正弯月透镜6前表面61中心距离d5，0.1 mm〈d5〈0.5mm，第二正弯月透镜6后表62 面与探测器2中心距离d6为8mm。
[0019] 本发明光学系统中各光学元件的焦距、折射率(λ = 632.8ηπι)和曲率半径量值分别 满足以下条件：
[0020]
[0021] 本发明光学系统达到如下的光学指标：
[0022] 焦距:f ' =321.978mm;相对孔径:F = 2.01;实用谱线范围：450nm~900nm;视场角： 2W=2.2° ;畸变:〈0.08%;能量质心偏差:〈2μπι;色偏差:〈1.9ym;MTF:>0.8(501p/mm)。
[0023] 如图2所示，得到光学系统能量分布曲线，80%能量集中在12μηι之内，各视场能量 集中度较为统一。
[0024] 如图3所示，得到光学系统短波与参考波的垂轴色差小于1.5μπι，短波与长波的垂 轴色差小于lwn。
[0025] 如图4所示，得到光学系统各视场调制传递函数均在0.8以上，各视场较为统一。
【主权项】
1. 深空探测飞船定姿用星敏感器光学成像系统，其特征是，按光线入射顺序同轴设置 第一反射镜（1)、第二反射镜(2)、第一正弯月透镜(3)、第一负弯月透镜(4)、第二负弯月透 镜(5)、第二正弯月透镜(6)和探测器(7)，入射光线经过第一反射镜（1)前表面(11)反射，入 射到第二反射镜(2)后表面(21)，经其反射后入射到第一正弯月透镜(3)，该入射光依次透 过第一正弯月透镜(3)、第一负弯月透镜(4)、第二负弯月透镜(5)和第二正弯月透镜(6)，最 终被探测器(7)接收； 所述第一反射镜（1)前表面（11)与第二反射镜（2)后表面(21)中心距离dl，75mm〈dl〈 82mm，第二反射镜（2)后表面(21)与第一正弯月透镜(3)前表面(31)中心距离d2,83mm〈d2〈 90mm，第一正弯月透镜(3)后表面(32)与第一负弯月透镜(4)前表面(41)中心距离d3,3.2mm <d3〈6mm，第一负弯月透镜（4)后表面(42)与第二负弯月透镜（5)前表面(51)中心距离d4， 7111 111〈(14〈8111111，第二负弯月透镜（5)后表面(52)与第二正弯月透镜（6)前表面(61)中心距离 d5,0.1臟〈(15〈0.51111]1，第二正弯月透镜(6)后表面(62)与探测器(2)中心距离(16为81111]1。2. 根据权利要求1所述的深空探测飞船定姿用星敏感器光学成像系统，其特征是，各光 学元件的光学参数量值分别满足以下条件： 焦距（mm) 折射率 中心厚度 _曲率半径:（_mm) 第一反射 _ -120<fi<-115 m=-l 10.2<tli<13.5 -240<Rn--2iO W 第一 /5.射 '^ -64<('-.<-58 ?2=-1 7.1<tb<9.4 -I24<R，卜-120 镜__~_____^__^_ 第一正弯 .。 , 52<Rn<57 90<l-,<94 1.6S<n-.<l：7S 5.2<d 3<6.2 。 月透镜 270<R32<275 第一负弯 115<R4i<119 Η.^：Γ -35<f4<-32 1.61<Π 4<1.72 3,2<d4<4.2 。" 10 月透镜 15<R42<18 第二负弯 ，， m 15<Rsi<19 -64<Γ5<-60 1.68<n5<l.7 3.\<ch<5.2 n ' ^ 月透镜 10<Rs2<13 第25<fs<2:8 1.64<m<1.67 6.3<d 6<7.5 月域m 22<R62<28
【专利摘要】深空探测飞行器定姿用星敏感器光学成像系统，属于光学系统技术领域，为克服现有技术存在的问题，入射光线经过第一反射镜前表面反射，入射到第二反射镜后表面，经其反射后入射到第一正弯月透镜，该入射光依次透过第一正弯月透镜、第一负弯月透镜、第二负弯月透镜和第二正弯月透镜，最终被探测器接收；第一反射镜前表面与第二反射镜后表面中心距离为d1，第二反射镜后表面与第一正弯月透镜前表面中心距离为d2，第一正弯月透镜后表面与第一负弯月透镜前表面中心距离为d3，第一负弯月透镜后表面与第二负弯月透镜前表面中心距离为d4，第二负弯月透镜后表面与第二正弯月透镜前表面中心距离为d5，第二正弯月透镜后表面与探测器中心距离为d6。
【IPC分类】G01C21/02, G02B17/08
【公开号】CN105467570
【申请号】CN201510967562
【发明人】吕博, 刘伟奇, 姜珊, 冯睿
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月22日