一種星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)工程范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明用于航天器用星敏感器。星敏感器以恒星為測量目標(biāo)，通過光學(xué)系統(tǒng)將恒星成像于光電轉(zhuǎn)換器上，輸出信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)星點(diǎn)提取和星圖識(shí)別，確定星敏感器光軸矢量在慣性坐標(biāo)系下的指向，通過星敏感器在飛行器、星光導(dǎo)航系統(tǒng)及艦船的上的安裝矩陣，確定其在慣性坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)。
[0003]星敏感器一般由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、探測器組件及其電路、數(shù)據(jù)處理電路、二次電源、軟件(系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及星表)、主體結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)鏡等組成。
[0004]星敏感器光學(xué)系統(tǒng)對(duì)星敏感器的整機(jī)性能，特別是精度等核心性能有著重要影響，光學(xué)系統(tǒng)性能的降低將帶來整機(jī)精度、靈敏度等核心指標(biāo)的降低，因此光學(xué)系統(tǒng)是星敏感器的關(guān)鍵部件之一。相比較于常用的照相物鏡，星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)的觀測目標(biāo)是恒星目標(biāo)，恒星目標(biāo)一般具有寬光譜、低照度的特點(diǎn)；同時(shí)為了提高整機(jī)對(duì)恒星像點(diǎn)的定位精度，光學(xué)系統(tǒng)需將恒星目標(biāo)在光電探測器上，恒星像點(diǎn)應(yīng)接近高斯分布。
[0005]由于星敏感器用于空間環(huán)境，因此光學(xué)系統(tǒng)在滿足成像性能的同時(shí)，需具有較好的抗力學(xué)性能，耐高溫差能力和抗宇宙輻射能力等。這些要求使得星敏感器光學(xué)系統(tǒng)在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面有較大限制。
[0006]因此根據(jù)星敏感器整機(jī)和恒星目標(biāo)的特點(diǎn)，星敏感器光學(xué)系統(tǒng)是一種具有大視場、大相對(duì)孔徑、寬光譜、低畸變、高可靠度的成像系統(tǒng)，因此導(dǎo)致其設(shè)計(jì)難度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)裝調(diào)等要求很高。因此星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)及裝調(diào)技術(shù)是星敏感器的核心技術(shù)之一。
[0007]星敏感器光學(xué)系統(tǒng)具有大視場、寬譜段、大相對(duì)孔徑、低畸變等特點(diǎn)，一般使用復(fù)雜化的光學(xué)系統(tǒng)、甚至非球面光學(xué)系統(tǒng)保證光學(xué)系統(tǒng)具有良好的成像性能。光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化后一般體積重量較大。光學(xué)系統(tǒng)體積重量變大后，使得星敏感器需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)才能滿足光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等要求，導(dǎo)致星敏感器產(chǎn)品的整機(jī)體積和重量較大，不利星敏感器整機(jī)的輕量化。
[0008]非球面光學(xué)系統(tǒng)可以在一定程度上降低光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量，但非球面光學(xué)系統(tǒng)加工難度較大，研制周期較長；同時(shí)非球面鏡片的零件合格率較低，導(dǎo)致非球面光學(xué)系統(tǒng)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，滿足了工作于空間惡劣溫度環(huán)境下的高精度星敏感器的姿態(tài)測量需求。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)由左至右依次包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、探測器保護(hù)玻璃和光電探測器；
[0011]孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡頂點(diǎn)上；光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡為正透鏡，用于收集目標(biāo)經(jīng)孔徑光闌后的發(fā)射光線，并將目標(biāo)發(fā)出的光能量匯聚后入射至第二透鏡上；第一透鏡材料選用熔石英材料；第二透鏡為負(fù)透鏡，用于校正第一透鏡產(chǎn)生的球差；第三透鏡對(duì)第二透鏡發(fā)出的光能量進(jìn)行匯聚后發(fā)送給第四透鏡；第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡用于修正光學(xué)系統(tǒng)焦距，并對(duì)第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的像差進(jìn)行校正；探測器保護(hù)玻璃起到保護(hù)作用，光電探測器對(duì)接受的光線進(jìn)行探測。所述第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡均為正透鏡，第六透鏡為負(fù)透鏡。
[0012]孔徑光闌通光孔徑為36mm ;
[0013]第一透鏡前表面曲率半徑37mm，后表面曲率半徑-118.03mm，透鏡中心厚度10mm，外輪廓直徑42_，材料使用熔石英材料；
[0014]第二透鏡前表面曲率半徑-55.46mm，后表面曲率半徑-973.6mm，透鏡中心厚度
2.98mm，外輪廓直徑42mm，玻璃牌號(hào)為ZF3 ；
[0015]第三透鏡前表面曲率半徑38.37mm，后表面曲率半徑133.05mm，透鏡中心厚度7mm，外輪廓直徑42mm，玻璃牌號(hào)為ZK9 ；
[0016]第四透鏡前表面曲率半徑41.58mm，后表面曲率半徑-133.05mm，透鏡中心厚度7.5mm，外輪廓直徑36.6mm，玻璃牌號(hào)為ZK9 ；
[0017]第五透鏡前表面曲率半徑32.89mm，后表面曲率半徑65.77mm，透鏡中心厚度5.85mm，外輪廓直徑30mm，玻璃牌號(hào)為LAK3 ；
[0018]第六透鏡前表面曲率半徑-26.5mm，后表面曲率半徑57.94mm，透鏡中心厚度
3.07mm，外輪廓直徑21mm，玻璃牌號(hào)為ZF4 ；
[0019]探測器保護(hù)玻璃為平板玻璃，厚度為1_，玻璃牌號(hào)為BK7。
[0020]第一透鏡和第二透鏡空氣間隔為3.3mm ;
[0021]第二透鏡和第三透鏡空氣間隔為0.6mm;
[0022]第三透鏡和第四透鏡空氣間隔為17.4mm ；
[0023]第四透鏡和第五透鏡空氣間隔為0.62mm ;
[0024]第五透鏡和第六透鏡空氣間隔為3.3mm ;
[0025]第六透鏡和探測器保護(hù)玻璃空氣間隔為5.047mm ;
[0026]探測器保護(hù)玻璃和光電探測器空氣間隔為0.5_。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0028]I)本光學(xué)系統(tǒng)具有寬光譜、大視場、大相對(duì)孔徑、像質(zhì)優(yōu)良、空間熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，適用于高精度星敏感器，可以提高衛(wèi)星和空間飛行器的姿態(tài)測量精度，保證飛行器的穩(wěn)定運(yùn)行
[0029]2)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌位于第一透鏡前表面頂點(diǎn)處。孔徑光闌位置靠前，可以減小光學(xué)系統(tǒng)、特別是孔徑光闌前的各透鏡的通光孔徑。光學(xué)系統(tǒng)中各鏡片通光孔徑的減小可以減小各鏡片的體積和重量，同時(shí)帶來光學(xué)系統(tǒng)體積和重量的減小。
[0030]3)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的第一透鏡材料熔石英材料。使用熔石英材料即可以校正光學(xué)系統(tǒng)像差，亦可保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)中各透鏡。使得光學(xué)系統(tǒng)中無需單獨(dú)設(shè)置保護(hù)玻璃，可以進(jìn)一步減小光學(xué)系統(tǒng)的重量。
[0031]4)光學(xué)系統(tǒng)中各透鏡均為球面透鏡。球面透鏡的加工及裝調(diào)方法已經(jīng)比較成熟，零件加工難度較低。系統(tǒng)的研制周期和研制成本較非球面光學(xué)系統(tǒng)大大降低。
[0032]5)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性，可以工作于-50°C?+70°C的溫度環(huán)境。在該工作溫度范圍內(nèi)均具有良好的像質(zhì)，系統(tǒng)在該溫度范圍內(nèi)的最大離焦量約為0.05_，可以滿足高精度星敏感器的使用要求。
[0033]6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、組成簡單；具有寬譜段、大視場、大相對(duì)孔徑等特點(diǎn)，系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，畸變較小。可以用于穩(wěn)定、持續(xù)的獲取航天器的高精度姿態(tài)信息。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]星敏感器一般由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、探測器組件及其電路、數(shù)據(jù)處理電路、二次電源、軟件(系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及星表)、主體結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)鏡等組成。
[0036]星敏感器使用光學(xué)系統(tǒng)將恒星目標(biāo)的能量進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的星點(diǎn)能量成像于星敏感器探測器上進(jìn)行后續(xù)的圖像處理及姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。因此光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、體積重量、空間環(huán)境適應(yīng)性是評(píng)估星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)由六片透鏡組成，孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡前表面的頂點(diǎn)上，系