[实用新型]基于APS探测器的星敏感器光学系统

说明书

技术领域

本实用新型属光学设计领域，涉及一种利用恒星作为参照系进行导航定位的星敏感器光学系统，尤其涉及基于APS探测器的星敏感器光学系统。 

背景技术

现如今，在对航天、航空和航海领域的研究任务中对控制对象的姿态测量是最重要的一部分。获取控制对象精确的姿态信息成为任务成败的关键。在众多的姿态测量仪器当中，惯性陀螺具有很高的瞬时姿态测量精度，但是长时间工作状态下漂移较大，而地球敏感器和太阳敏感器由于利用地球和太阳作为参考系，测量精度只能达到度或分的量级。 

于是就出现了光学星敏感器，星敏感器通过对视场范围内的恒星进行拍摄，利用恒星间距和相对位置进行导航定位的惯性姿态敏感器。具有测量精度高、重量轻、功耗低、无漂移等优点。其基本组成部分为光学系统、图像传感器、信号处理单元和通讯接口等几大部分。光学系统的主要作用的将星空成像在探测器上，所成星象质量应能满足姿态测量精度需求。 

星敏感器光学系统不同于一般的光学系统，高质量、高性能的星敏感器光学系统是研制高精度星敏感器的基础。其光学系统评价标准主要由以下几个方面。 

(1)视场大小直接关系到系统一次探测的恒星数目，恒星数目的多少影响最终的测量精度和系统一次捕获概率； 

(2)视场内弥散斑直径大小应覆盖探测器2×2或者3×3像素，以满足星点提取精度； 

(3)系统各个光谱的弥散斑能量质心偏差控制在3个μm以内； 

(4)系统工作在-50°到+60°的温度范围内，光学系统离焦范围和弥散斑直径大小应能控制在一定的范围内。

目前国内已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”提出的焦距为22.7mm，相对孔径1∶1.4，视场角为 17.1°×17.1°(方视场)的光学系统。该系统入瞳直径较小，仅为16.2mm。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”视场角为20°，焦距为43.56mm，相对孔径为1∶1.2。该光学系统采用折反结构，覆盖光谱范围宽，但是系统存在遮拦，外形尺寸大，系统装调难度较大的缺点。申请号为200610170214.9的星敏感光学系统结构采用7片式近远心的结构形式，焦距为49mm，相对孔径为1∶1.2，视场角为14.14°×14.14°(圆视场)的光学系统。该系统成像质量较好，但可用视场角较小。 

光学系统视场的增大直接影响光学系统的慧差、畸变、场曲和垂轴色差。极大的增加了系统的设计难度。现公布的光学系统存在视场大的入瞳直径较小，可观测极限星等有限。入瞳直径大的视场角较小，一次可观测的恒星数目少，不利于最终系统姿态测量精度的提高等问题。 

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型目的提供了一种基于APS探测器的星敏感器光学系统，其性能指标优良，入瞳直径在36mm以上，能够在28.4°×28.4°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。 

本实用新型的技术解决方案： 

基于APS探测器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透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、光阑4、第二负透镜5、第三正透镜6、第三负透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9； 

所述第一正透镜1的光学特性为： 

4.5f′＜f′₁＜5.5f′，1.4＜n₁＜1.6，R₁＜0.3f′₁，R₂＜0.5f′₁； 

所述第二正透镜2的光学特性为： 

1f′＜f′₂＜2f′，1.7＜n₂＜1.8，R₃＜0.8f′₂，3.5f′₂＜R₄＜4.5f′₂； 

所述第一负透镜3的光学特性为： 

-2f′＜f′₃＜-1f′，1.7＜n₃＜1.8，1.5f′₃＜R₅＜0.5f′₃，-2.5f′₃＜R₆＜-3.5f′₃； 

所述第二负透镜5的光学特性为：