专利名称：一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属光学领域，涉及一种动态星模拟器，尤其涉及一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统。
背景技术：
星模拟技术是研究模拟星体辐照特性及星体间相互位置关系的一门技术。应用星模拟技术研制的星模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟试验的主要组成部分，星模拟器用于卫星姿态控制的导航光学星敏感器地面模拟试验与标定。过去研制的各种星模拟器，主要是以静态星模拟器为主，动态星模拟器的目标源均以液晶光阀为主。其中静态星模动态模拟性能差，不能实时模拟不同天区的星图变化情况；而动态星模其分辨率低，在有限焦距条件下模拟单星张角大，准直精度也较低。同时以 往的各种星模拟器都由于视场较小，或者视场大而畸变也偏大，故不能在像面大范围精确模拟各种天区的星图。因此，开展高精度、高分辨率、模拟单星张角小、高可靠性的动态大视场星模拟器作为课题研究，具有较高的实用价值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种能够有效的在实验室内高精度、动态模拟各种天区星图的变化的动态大视场小畸变星模拟器光学系统。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特殊之处在于所述动态大视场小畸变星模拟器光学系统包括光源、PBS(偏振光分光棱镜)、LC0S(硅基液晶)组、星模拟器平行光光学系统以及星图控制及光源控制器；所述光源、PBS以及LCOS组依次设置于同一光路上；所述PBS与星模拟器平行光光学系统设置于同一光路上；所述星图控制及光源控制器和LCOS电性连接。上述LCOS组包括第一 LCOS以及第二 LCOS ;所述光源经PBS后分为反射光以及透射光；所述反射光经PBS反射后入射至第一 LCOS ;所述透射光经PBS透射后入射至第二LCOS。上述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括设置在PBS与LCOS组之间的1/4波片组。上述1/4波片组包括第一 1/4波片以及第二 1/4波片；所述第一 1/4波片设置于PBS与第一 LCOS之间；所述第二 1/4波片设置于PBS与第二 LCOS之间。上述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括偏振片，所述偏振片设置于光源和PBS之间。上述星模拟器平行光光学系统包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜；所述第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜依次设置于同一光轴上；所述第一负透镜设置于PBS的出射光路上。
上述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括光阑，所述光阑与第五正透镜设置于同一光路上。上述PBS、第一负透镜以及第一正透镜依次设置于同一光轴上。上述光源是均匀光源，一般可采用均匀积分球或LED面均匀发光体。上述星图控制及光源控制器分别是指控制不同天区星体变化的模拟软件及星等能量控制的仿真器。本发明的优点是本发明主要围绕星模拟技术开展研究，完成了一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统的设计；该星模拟器光学系统的设计，解决了高精度大视场星图的星间角间距动态模拟难题，为星敏感器在实验室内完成大天区精确动态标定奠定了基础，研究动态大视场小畸变星模拟器对卫星上姿态测量关键部件导航光学星敏感器的质量考核、性能测试和生 产具有重要意义，具体而言，本发明的优点是I、可动态模拟星图。本发明所提供的动态大视场星模拟器光学系统，利用电动可变光阑可以使输出光能进行衰减，模拟不同星等的辐照度，其星等模拟精度高，可实时模拟不同天区星图的变化情况，具有动态星等模拟的功能。2、成像质量高。本发明所提供的动态大视场星模拟器光学系统，将原来的第四块透镜，分割成两块透镜，增加了设计的变量参数，进而大大提高了光学系统在大视场、长焦距的前提下，仍然有很好的成像像质。该动态大视场星模拟器光学系统是一种大视场非对称式光学结构，其像质优良，畸变小于O. 05%,能量中心与主光线位置偏差小于8",光学系统准直性精度优于10"，成像质量高。3、应用范围广。本发明所提供的动态大视场星模拟器光学系统，突破了以往星模拟器模拟星图范围小的缺陷，其可在短焦星模拟器中模拟大线视场星图(焦距90mm)，线视场Φ22_，并且其质量轻、体积小，可与被测星敏感器连接在一起进行各种试验，尤其是在环境试验中，可配合模拟环境模拟真实天区的变化情况。
图I是本发明所提供的动态大视场小畸变星模拟器光学系统的结构示意图；图2是本发明所采用的星模拟器光学系统的结构示意图；其中I-光阑；2_星模拟器平行光光学系统；3_第四组镜；12_PBS ;5-像面；6_CCD ;7-星敏感器光学系统；10-偏振片；11-均匀光源；13-第一 LCOS ; 14-第二 LCOS ; 15-1/4波片；16_星图控制及光源控制器。
具体实施例方式参见图1，本发明提供了一种全新的非对称式大视场长焦距结构的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，该系统包括光源，尤其是均匀光源、偏振片10、PBS12、LCOS组、1/4波片组、星模拟器平行光光学系统2以及星图控制及光源控制器16 ;光源、偏振片10、PBS12U/4波片组以及LCOS组依次设置于同一光路上；PBS12与星模拟器平行光光学系统2设置于同一光路上；星图控制及光源控制器16和LCOS组电性连接。(XD6是星敏感器光学系统的焦面组件，用于接收星敏感器光学系统所成的星体像。LCOS组包括第一 LC0S13以及第二 LC0S14 ;光源经PBS12后分为反射光以及透射光；反射光经PBS12反射后入射至第一 LC0S13 ;透射光经PBS12透射后入射至第二 LC0S14。1/4波片组包括第一 1/4波片以及第二 1/4波片；第一 1/4波片设置于PBS12与第一 LC0S13之间；第二 1/4波片设置于PBS12与第二 LC0S14之间。星模拟器平行光光学系统2包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜；第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜依次设置于同一光轴上；第一负透镜设置于PBS12的出射光路上。动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括光阑1，光阑I与第五正透镜设置于同一光路上。
PBS、第一负透镜以及第一正透镜依次设置于同一光轴上。以往的星模拟器均采用光阑内置或光阑位于某块透镜边框的结构，而该系统光阑设置在光学系统外，有利于与被测系统共用光阑；另外，该光学系统在设计时，将原来的第四块透镜，分割成两块透镜(就是本发明中的第三正透镜以及第二负透镜)，增加了设计的变量参数，进而大大提高了光学系统在大视场、长焦距的前提下，仍然有很好的成像像质。考虑到整个系统要求有高的模拟精度，并且能够模拟较大的天区，故在设计整个星模拟器光学系统时，在像面采用LCOS光学拼接的方式来保证该系统具有较大的线视场。此设计方式，改变了传统像面采用LCD或TFT模拟精度低，以及靶面线视场小的缺陷。该星模拟器的光学系统设计方案如图2所示，星模拟器装置设计原理如图I所示。如图2所示，在星敏感器进行测试时，将其星敏感器的光轴与星模拟器光轴调至平行，即星模拟器的光阑与星敏感器的入瞳重合。其中大视场动态星模拟器主要由星模拟器平行光光学系统2、均匀光源11、PBS12、第一 LC0S13、第二 LC0S14、星图控制及光源控制器16组成。工作原理是图2是一个高精度、大视场平行光管，该光学系统是一个非对称式光阑外置结构；根据需要，在Plossl式静态星模拟器光学系统上改型，将其第四块正透镜3分成两块正负透镜组合，这样的组合可使第四块透镜的光焦度变小，在一定程度上减小高级像差的引入；另外，正负透镜组合可以在很大程度上校正色差对整个光学系统的影响。该光学系统比起以往的星模系统具有大视场、长焦距、小畸变等优点。工作时，由在平行光管处的星点发出的光，经平行光管准直后发出一束平行光，星敏感器光学系统7对着其出瞳拍摄，可在星敏感器的像面5处形成一幅星图像，进而可标定星敏感器光学系统7的可靠性。系统具体工作原理是由均匀光源11发出的光线经过偏振片10起偏后，到达PBS12的下表面，PBS12再将光线分成P光和S光，其中S光被反射，经过1/4波片15到达第一 LC0S13上，P光透过PBS12和另一块1/4波片15上打到第二 LC0S14上，此时可同时照亮两个LCOS (照亮后的LCOS可将打亮的星图分别反射到星模器光学系统2中);然后通过星图控制及光源控制器16可调整光源照度及控制模拟不同天区的星图，从而使LCOS表面反射的光亮度及模拟星图满足不同天区的星模拟要求。由于该星模拟器要求模拟一个大天区星图，在设计时，该星模拟器平行光光学系统2选用大视场平行光管系统，其像面尺寸为Φ 24_，而一般的LCOS像面尺寸没有这么大，故需要选用两个LCOS进行光学拼接，拼接方案如图I所示。此时两个LCOS分别位于星模拟器光学系统的共轭焦平面处，若通过光源照亮LC0S,则在星模拟器平行光光学系统2出口处发出一束平行光,对着光学系统光轴方向看去，正如来自无穷远处的星光辐射，即动态星模拟器的工作原理。其中各部分的功能如下介绍均匀光源11主要为了提供模拟星图发光的光能。偏振片10的作用是使光源发出的光线变成P光和S光。PBS12的作用是使光线被分光，即P光透过PBS12，S光在分光面被反射，行成两束相互垂直的光线进行传播。两个1/4波片15的主要作用是使入射到LCOS表面的P光和S光被分别调制成S光和P光。两个LCOS的作用是使入射到其表面的光打亮星图控制及光源控制器16，然后将星图控制及光源控制器16反射到星模拟器平行光光学系统2中，实现星模拟器的星图模拟；另外，采用两个LCOS的作用是为了实现大视场光学系统像面的光学拼接。准直光学系统采用的是大视场光学系统，该系统的像质优良，畸变小于O. 05%，能量中心与主光线位置偏差小于8"，光学系统准直性精度优于10";准直光学系统主要是为了模拟无穷远处的星点辐射。星图控制及光源控制器16主要是通过计算机 控制单元实现不同天区星图的变化，并且控制光源的辐亮度大小来模拟不同星等的发光特性。
该星模拟器的发明难度在于星模拟器平行光光学系统2的设计及大视场LCOS的拼接。图I为该星模拟器平行光光学系统2的设计结果，其解决了大视场与小畸变的设计矛盾，设计了一种非对称型光阑外置式大视场准直光学系统(该系统光阑与星敏感器光阑共用)，其中畸变、色差、弥散斑直径、准直精度、能量中心与主光线位置偏差均满足使用要求，具有良好的像质。另外，图2中采用两个LCOS实现了光学方式的大视场拼接，这种方法的采用弥补了现有器件尺寸太小的缺陷，具有突破性的创新。
权利要求
1.一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述动态大视场小畸变星模拟器光学系统包括光源、偏振光分光棱镜PBS、娃基液晶LCOS组、星模拟器平行光光学系统以及星图控制及光源控制器；所述光源、偏振光分光棱镜PBS以及硅基液晶LCOS组依次设置于同一光路上；所述偏振光分光棱镜PBS与星模拟器平行光光学系统设置于同一光路上；所述星图控制及光源控制器和硅基液晶LCOS组电性连接。
2.根据权利要求I所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述硅基液晶LCOS组包括第一硅基液晶LCOS以及第二硅基液晶LCOS ;所述光源经偏振光分光棱镜PBS后分为反射光以及透射光；所述反射光经偏振光分光棱镜PBS反射后入射至第一娃基液晶LCOS ;所述透射光经偏振光分光棱镜PBS透射后入射至第二硅基液晶LC0S。
3.根据权利要求2所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括设置在偏振光分光棱镜PBS与娃基液晶LCOS组之间的1/4波片组。
4.根据权利要求3所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述1/4波片组包括第一 I/4波片以及第二 I/4波片；所述第一 I/4波片设置于偏振光分光棱镜PBS与第一娃基液晶LCOS之间；所述第二 1/4波片设置于偏振光分光棱镜PBS与第二娃基液晶LCOS之间。
5.根据权利要求4所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括偏振片，所述偏振片设置于光源和偏振光分光棱镜PBS之间。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统,其特征在于所述星模拟器平行光光学系统包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜；所述第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第五正透镜依次设置于同一光轴上；所述第一负透镜设置于PBS的出射光路上。
7.根据权利要求6所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述动态大视场小畸变星模拟器光学系统还包括光阑，所述光阑与第五正透镜设置于同一光路上。
8.根据权利要求7所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述偏振光分光棱镜PBS、第一负透镜以及第一正透镜依次设置于同一光轴上。
9.根据权利要求I所述的动态大视场小畸变星模拟器光学系统，其特征在于所述光源是均匀光源，所述均匀光源是采用均匀积分球或LED面均匀发光体所得到的光源。
全文摘要
本发明涉及一种动态大视场小畸变星模拟器光学系统，包括光源、偏振光分光棱镜PBS、硅基液晶LCOS组、星模拟器平行光光学系统以及星图控制及光源控制器；光源、偏振光分光棱镜PBS以及硅基液晶LCOS组依次设置于同一光路上；偏振光分光棱镜PBS与星模拟器平行光光学系统设置于同一光路上；星图控制及光源控制器和硅基液晶LCOS组电性连接。本发明提出了一种能够有效的在实验室内高精度、动态模拟各种天区星图的变化的动态大视场小畸变星模拟器光学系统。
文档编号G02B27/30GK102830498SQ20111016462
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者徐亮, 赵建科, 周艳, 刘峰, 胡丹丹 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所