[发明专利]一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统

说明书

本发明公开了一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，包括孔径光阑、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述孔径光阑位于所述第一透镜的前方，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜；本发明采用基于孔径离轴的折反射式结构型式，有效缩短长焦距星敏感器光学系统的尺寸，解决了同轴折反射式系统引起的中心遮拦问题，提高了探测恒星光信号的能量集中度性能。

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统。

背景技术

在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，测量精度可以达到亚秒级甚至更高。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出，因而在高精度自主导航领域获得了广泛应用。

星敏感器光学系统作为星敏感器的核心装置，是星敏感器实现高信噪比恒星光谱能量收集、高精度恒星质心位置探测的关键部件。星敏感器光学系统所探测对象是能量弱、光谱分布宽的恒星，属于点目标探测。

星敏感器光学系统的主要参数包括焦距、视场、相对孔径、成像光谱以及单星测量精度等。星敏感器光学系统的焦距与单星测量精度成反比，焦距越长，测量精度越高。当前主流星敏感器光学系统的焦距一般不超过50mm，多数集中在20mm～30mm范围，探测视场比较大，探测光谱范围一般不超过300nm，单星测量精度不高，恒星探测能力比较有限。为追求更高的恒星探测精度，采用长焦距光学系统是有效的手段。随着高分辨率对地立体测绘相机、空间天文观测望远镜以及空间导引武器系统等领域技术的发展，对亚秒级甚至更高精度的星敏感器提出了需求，满足应用系统的高精度对地定位、长时间稳像观测或者长航时飞行姿态的自主导航等关键性能。核心技术是采用长焦距星敏感器光学系统提高单像元分辨率，进而采用细分算法进一步提高质心分辨率精度。然而，当星敏感器光学系统的焦距接近或达到米级时，纯透射光学系统不仅系统尺寸长，且难以校正宽光谱下的二级光谱像差，无法实现宽光谱的恒星光信号收集，无论从体量还是性能上都不能满足空间平台的应用需求；采用反射式光学系统虽然可以实现光路折叠，获得紧凑的光学系统布局设计，但在校正像差方面需要采用非球面，制造及装调难度高，不利于降低成本。

进一步研究发现，采用同轴折反射式光学系统虽然可以有效解决上述设计矛盾，实现高像质及轻小型化的设计；但由于次反射镜的遮挡引起中心遮拦，中心艾里斑衍射能量往次峰转移，导致能量集中度性能下降。在相对孔径一致的前提下，即使光学系统达到衍射极限像质，有遮拦的光学系统也无法达到与无遮拦光学系统相同的恒星光信号聚集能力，从而造成星敏感器光学系统性能的下降。

发明内容

本发明型要解决的技术问题是现有的星敏感器光学系统的中心遮拦引起能量集中度下降。

本发明提供一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，采用孔径离轴的折反射式结构型式，大幅降低光学系统的尺寸，有利于恒星探测。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种无遮拦长焦距星敏感器光学系统，包括孔径光阑、前透镜组、反射镜组、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜和第二透镜，所述孔径光阑位于所述第一透镜的前方，所述反射镜组包括主反射镜和次反射镜，所述主反射镜位于所述第二透镜的后方，所述次反射镜为所述第二透镜的下方，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第三透镜和第四透镜，所述后透镜组位于所述次反射镜的后方，所述像面位于所述第四透镜的后方；

所述第一透镜为弯月形负光焦度透镜，所述第二透镜为双凸正光焦度透镜，所述第三透镜和第四透镜均为弯月形负光焦度透镜；