[发明专利]一种大视场高精度的星敏感器光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种大视场高精度的星敏感器光学系统，属于光学领域。

背景技术

星敏感器是飞行器控制系统中测量精度较高的姿态敏感器，在卫星器姿态控制中发挥着尤为重要的作用。近年来随着微小卫星技术快速发展，特别是自主导航星敏感器研究和应用的日益广泛，星敏感器逐渐向大视场、轻量化、高精度的趋势发展。

目前，星敏感器关键技术主要包括光学系统研制技术、图像处理技术、星图匹配等。其中，光学系统设计是星敏感器研制过程中的重要部分，由于成像目标以及对像质的要求不同，星敏感器光学系统具有如下特点：(1)对星点目标成像，不要求成像的细节，但要保证像点质心位置的精度；(2)要求使用全分离式光学结构，以防空间在轨工作过程中出现胶合面脱胶现象；(3)要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定范围内，一般不超过像元尺寸的十分之一；(4)满足成像质量的前提下，使用尽可能少的光学零件数目以便于加工装配；尽量减小的镜头轴向尺寸和径向尺寸以便减小星敏感器的体积和质量。设计的难点在于保证优良的恒星像质。

目前星敏感器光学系统主要有如下几种：

(1)9片球面透镜组成的双高斯结构非像方远心光学系统。

该光学系统光栏位于4、5片透镜之间，第三、第四片和第五、第六片为胶合透镜，系统视场角为25°×25°，焦距为22.5mm，F数为1.2，总长度为46.51mm。胶合透镜可有效减小色差对光学系统成像质量的影响，但卫星实际在轨工作中，胶合面受空间环境的作用容易发生脱胶现象，进而改变了星敏感器光学系统的结构，导致星图无法识别或误匹配，从而影响星敏感器姿态确定结果。

(2)7片无胶合球面透镜构成的非像方远心光学系统。

该光学系统的长为45.3mm，全视场角为25°×25°的，相对孔径为1：1.4。非像方远心光学系统不利于克服热离焦和发射冲击离焦，也不利于星敏感器标定过程中弥散斑的调整。

(3)无胶合的像方远心光学系统的设计。

该光学系统由11片透镜组成，镜头的光学筒长与焦距相比较长，对心加工工艺难度较大，且不利于空间产品轻量化的要求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有星敏感器光学系统存在的问题，提供了一种大视场高精度的星敏感器光学系统。

本发明所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统，它包括光栏、镜片组和像平面，视场中恒星发出的光线经光栏入至镜片组，经镜片组透射后在像平面上成像；

所述镜片组是由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片构成的近像方远心光学系统；

第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片和第六镜片按从光栏至像平面的方向依次摆放在同一光轴上；

第一镜片、第四镜片和第五镜片为正透镜，第二镜片、第三镜片和第六镜片为负透镜。

本发明的优点：本发明所述的星敏感器光学系统透镜组为近像方远心光学系统，镜片的三种光学材料NLAF2、ZF6、LaF4和SF14具有折射率高的、无理性能良好且吸收小的特点，高折射率光学材料使系统对透镜厚度的要求降低，缩短系统总长，增加结构的紧凑度，进而实现系统的小型化；高折射率、低色散的正透镜玻璃材料，可以提高相对孔径、增大视角及透镜半径、降低高级像差，使各视场角的弥散圆更均匀；透镜组镜片数量为6个，少于现有的透镜组透镜数，减小了透镜组的体积和质量。

附图说明

图1是本发明所述一种大视场高精度的星敏感器光学系统的结构示意图；

图2是星敏感器光学系统的光路图；

图3是星敏感器光学系统点列图；

图4是星敏感器光学系统MTF曲线；图中标记说明：9——弧矢衍射极限传函曲线；10——子午衍射极限传函曲线；11——相对视场0.2子午传函曲线；12——相对视场0.2弧矢传函曲线；13——相对视场0.7子午传函曲线；14——相对视场0.7弧矢传函曲线；15——相对视场1.0子午传函曲线；16——相对视场1.0弧矢传函曲线；

图5是星敏感器光学系统像差特性曲线；图中〈1〉表示700.000nm，〈2〉表示546.000nm，〈3〉表示404.700nm；

图6是星敏感器光学畸变曲线；

图7是星敏感器光学系统能量集中度，图中17表示(0.0°,0.0°)，18表示(0.0°,5.0°)，19表示(0.0°,10.0°)，20表示(0.0°,15.0°)，21表示(0.0°,22.35°)。

具体实施方式