[发明专利]一种星敏感器用光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种星敏感器用光学系统，属于光学工程范畴。

背景技术

本发明用于航天器用星敏感器。星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于光电转换器上，输出信号经过A/D转换送数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性坐标系下的指向，通过星敏感器在飞行器、星光导航系统及舰船的上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿态。

星敏感器一般由遮光罩、光学系统、探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。

星敏感器光学系统对星敏感器的整机性能，特别是精度等核心性能有着重要影响，光学系统性能的降低将带来整机精度、灵敏度等核心指标的降低，因此光学系统是星敏感器的关键部件之一。相比较于常用的照相物镜，星敏感器用光学系统的观测目标是恒星目标，恒星目标一般具有宽光谱、低照度的特点；同时为了提高整机对恒星像点的定位精度，光学系统需将恒星目标在光电探测器上，恒星像点应接近高斯分布。

由于星敏感器用于空间环境，因此光学系统在满足成像性能的同时，需具有较好的抗力学性能，耐高温差能力和抗宇宙辐射能力等。这些要求使得星敏感器光学系统在材料选择、结构设计等方面有较大限制。

因此根据星敏感器整机和恒星目标的特点，星敏感器光学系统是一种具有大视场、大相对孔径、宽光谱、低畸变、高可靠度的成像系统，因此导致其设计难度较大，对结构设计、系统装调等要求很高。因此星敏感器光学系统的相关设计及装调技术是星敏感器的核心技术之一。

星敏感器光学系统具有大视场、宽谱段、大相对孔径、低畸变等特点，一般使用复杂化的光学系统、甚至非球面光学系统保证光学系统具有良好的成像性能。光学系统复杂化后一般体积重量较大。光学系统体积重量变大后，使得星敏感器需进行结构加固设计才能满足光学系统的稳定性等要求，导致星敏感器产品的整机体积和重量较大，不利星敏感器整机的轻量化。

非球面光学系统可以在一定程度上降低光学系统的体积和重量，但非球面光学系统加工难度较大，研制周期较长；同时非球面镜片的零件合格率较低，导致非球面光学系统成本较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器用光学系统，满足了工作于空间恶劣温度环境下的高精度星敏感器的姿态测量需求。

本发明的技术方案是：一种星敏感器用光学系统，光学系统由左至右依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、探测器保护玻璃和光电探测器；

孔径光阑位于光学系统第一透镜顶点上；光学系统第一透镜为正透镜，用于收集目标经孔径光阑后的发射光线，并将目标发出的光能量汇聚后入射至第二透镜上；第一透镜材料选用熔石英材料；第二透镜为负透镜，用于校正第一透镜产生的球差；第三透镜对第二透镜发出的光能量进行汇聚后发送给第四透镜；第四透镜、第五透镜和第六透镜用于修正光学系统焦距，并对第一透镜、第二透镜和第三透镜的像差进行校正；探测器保护玻璃起到保护作用，光电探测器对接受的光线进行探测。所述第三透镜、第四透镜、第五透镜均为正透镜，第六透镜为负透镜。

孔径光阑通光孔径为36mm；

第一透镜前表面曲率半径37mm，后表面曲率半径-118.03mm，透镜中心厚度10mm，外轮廓直径42mm，材料使用熔石英材料；

第二透镜前表面曲率半径-55.46mm，后表面曲率半径-973.6mm，透镜中心厚度2.98mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZF3；

第三透镜前表面曲率半径38.37mm，后表面曲率半径133.05mm，透镜中心厚度7mm，外轮廓直径42mm，玻璃牌号为ZK9；

第四透镜前表面曲率半径41.58mm，后表面曲率半径-133.05mm，透镜中心厚度7.5mm，外轮廓直径36.6mm，玻璃牌号为ZK9；

第五透镜前表面曲率半径32.89mm，后表面曲率半径65.77mm，透镜中心厚度5.85mm，外轮廓直径30mm，玻璃牌号为LAK3；

第六透镜前表面曲率半径-26.5mm，后表面曲率半径57.94mm，透镜中心厚度3.07mm，外轮廓直径21mm，玻璃牌号为ZF4；

探测器保护玻璃为平板玻璃，厚度为1mm，玻璃牌号为BK7。

第一透镜和第二透镜空气间隔为3.3mm；

第二透镜和第三透镜空气间隔为0.6mm；