星敏感器系統成像結構的製作方法

2023-06-15 22:16:41

專利名稱：星敏感器系統成像結構的製作方法
技術領域：
本發明及一種飛行器姿態控制系統所應用的恆星測量敏感器，尤其是 涉及一種星敏感器系統成像結構。
背景技術：
星敏感器是飛行器姿態控制系統所經常釆用的一種姿態測量敏感器， 在飛行器控制領域發揮非常重要的作用。星敏感器一般由光學成像系統、
CCD (Charge Coupled Devices,電荷耦合器件)或APS (Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)成像電子線路、DSP (Data Signal Processor, 數位訊號處理器)信息處理單元、星圖處理軟體、通訊接口等幾大部分構 成。其中光學系統完成將恆星成像在CCD焦平面上的功能。
星敏感器光學系統與一般的成像系統相比具有如下的特點
(1) 對於點目標成像，不要求成像的細節，代之以較高的消色差和畸 變水平，而且還要求像點在CCD/APS上佔有至少2X2個像素，以便保證星 點能量中心的準確提取。
(2) 要求採用全分離式光學結構設計，以防膠合面空間使用脫膠。
(3) 要求一定的彌散斑尺寸的調整能力，以便在標定時確定最終的彌 散斑大小；
(4) 要求各個光譜的彌散斑能量中心誤差在規定以內， 一般不超過l 微米；
(5) 儘可能少的光學零件數目；
(6) 儘可能小的鏡頭軸向尺寸和徑向尺寸。 國內外目前在該領域對其研究工作主要有以下方式，第一是在
2004年第2期光子學報上發表的"折反式大視場星敏感器光學系統"； 第二是在2004年第11期光子學報上發表的"輕小型星敏感器光學系統設 計"；第三是在2005年第12期光子學報上發表的"寬視場大相對孔徑星 敏感器光學系統設計"。上述已知技術均不完全具備以上所述的6個特點， 而且都存在著各自的不足。
在"輕小型星敏感器光學系統設計"中提出的光學系統焦距22. 7mm， 相對孔徑1/1.4，視場角17. 1°°X17. 1°°,總長度與焦距之比為2:1，雖然 視場較大，但是沒有設計為近遠心光路，對彌散斑調整帶來不便，另外像 面位於最後一面的球心附近，易產生鬼像。
上述提出的一種折反射式星敏感器光學系統，視場角020°,入瞳直 徑36.3咖，相對孔徑1/1.2,焦距為43.56mm。該系統雖具有色差校正良 好，覆蓋譜段寬等優點，其主要不足是外形尺寸較大，而且不是像方遠心 光路；
上述提到的寬視場大相對孔徑星敏感器光學系統設計，雖然視場較 大，相對孔徑也較高，但是使用了9片鏡片(包括一片窗口)，而且採用 了一個空間系統應避免採用的雙膠合結構，而且也不是像方近遠心光學系 統，不便於彌散斑調整。
綜上所述，現有的星敏感器設計存在的問題主要是，多採用非像方遠 心光學系統，偏重於成像質量的提高，忽略了空間環境要求、星敏感器標 定要求、研製工藝要求與成像質量的綜合性能提高，得到的星敏感器光學 系統在綜合性能上存在不足。例如，鏡片之間的邊緣間隔不夠大，造成對 心加工工藝難以實現；鏡頭的光學筒長與焦距相比較長，不利於空間產品 的輕量化要求；像方沒有採用近遠心光路，不利於星敏感器克服熱離焦和 發射衝擊離焦，也不利於在標定星敏感器過程中的彌散斑調整。
本

發明內容
本發明的目的克服上述現有技術的缺陷，提出一種綜合性能優良的星 敏感器光學系統成像結構，這種成像結構首先能夠保證星敏感器所特有的
成像要求，如各色光能量中心偏差要求在像元素尺寸的十分之一以內，除 了滿足星敏感器所特有的成像要求外，還綜合考慮了空間環境熱離焦和發 射力學離焦等影響的減弱設計、高精度對心加工工藝要求、星敏感器標定 的彌散斑可調性等星敏感器總體工程技術要求的滿足。所提出的成像結構 具有近像方遠心光路設計、全分離與寬邊緣空氣間隔、採用少量種類的光 學玻璃、短的光學筒長等優良的綜合性能。本發明的目的是通過下述技術方案來實現的，本發明所提供的星敏感器光學系統成像結構是由7個鏡片和一個探測器窗口構成，其中第一鏡片 為石英玻璃零件，其兼作抗空間輻照窗口；第二、三個鏡片為ZK9玻璃零 件，其玻璃零件是一種重冕玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的 消除，第一鏡片、第二鏡片和第三鏡片均為正透鏡；第四和第六鏡片為 ZF6玻璃零件，其是一種重火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像 差的消除，並且第四和第六鏡片均為負透鏡；第五鏡片和第七鏡片為LaF3 玻璃零件，其是一種鑭火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的 消除，並且第五鏡片和第七鏡片均為正透鏡；探測器窗口設置在第七鏡片 之後，並且其與上述鏡片一起構成星敏感器系統成像結構。如果星敏感器 所採用的探測器不帶窗口，則本發明所提出的成像結構中的窗口材料為空 氣或者真空。上述鏡片採用重冕玻璃和重火石玻璃的搭配則有利於色差的消除。整 個成像結構可實現。所述的成像結構的鏡頭結構最右端距離探測器窗口至少2mm，也就是 上述第七鏡片與探測器窗口之間應保留一定的間隔，這個間隔長度應當使 探測器的最左端和第七鏡片的固定結構的最右端不發生結構幹涉，為了在 焦面探測器沿光軸方向調焦時有足夠的空間，要求第七鏡片與探測器窗口 之間最近距離比第七鏡片的固定結構沿光軸長方向最右端長度大2mm以 上，使安放探測器時不發生接觸，以利調焦。第七鏡片朝向探測器窗口的 一面如果彎向探測器則曲率半徑大於70mm，以避免形成鬼像。所有鏡片 邊緣空氣間隔均不小於O. lmm，所有鏡片的中心間隔不小於O. lmm，所有 鏡片的邊緣厚度適合單零件裝框，以利定心加工工藝實現。
本發明的光學系統結構的出射光曈距LZ遵從以下公式:formula see original document page 6式中，y'為半線視場；Fft為鏡頭光圈數；K為像面離焦後邊緣視場 主光線在垂軸方向的允許偏離量與探測器像素尺寸的比值。公式(1)確 定了近像方遠心光路的出曈距離。成像鏡頭F數不小於1，視場角不大於30°,從第一面到像平面距離 不小於L4倍焦距。本發明星敏感器系統成像結構的優點是降低了工藝成本；由於採用了 近像方遠心光學系統設計，增加了在軌抗離焦能力，可以彌散斑調整的方 便性；採用了全分離式的結構形式，有利於對心加工工藝的實現，提高鏡 頭的裝調精度。下面就有關本發明的技術內容及詳細說明，現配合附圖和所給出的實 施例進行說明如下。


圖1為星敏感器光學系統成像結構圖。
具體實施方式
參看附圖l，本發明所提供的星敏感器光學系統成像結構是由7個鏡 片和一個探測器窗口8構成，其中第一至第七鏡片依次排列，第一鏡片l 為石英玻璃零件，其兼作抗空間輻照窗口；第二鏡片2、第三個鏡片3為 ZK9玻璃零件，其ZK9玻璃零件是一種重冕玻璃，具有較高的折射率，有 利於單色像差的消除，第一鏡片1、第二鏡片2和第三鏡3片均為正透鏡；第四鏡片4和第六鏡片6為ZF6玻璃零件，其ZF6玻璃零件是一種重火石 玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，並且第四鏡片4和第 六鏡片6均為負透鏡;第五鏡片5和第七鏡片7為LaF3玻璃零件，其LaF3 玻璃零件是一種鑭火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除， 並且第五鏡片5和第七鏡片7均為正透鏡；探測器窗口 8設置在第七鏡片 7之後，並且其與上述鏡片一起構成星敏感器系統成像結構。實施例1以下是一個按照本發明成像結構設計出來的星敏感器光學鏡頭，它是 對無限遠物體成像的，採用的玻璃種類和各個零件的光學面曲率半徑都符 合實施方法，如附圖1所示，共包含8個零件，16個光學面，各個光學 面的曲率半徑和間隔如下光學面號曲率半徑間隔材料零件編號物方無限大無限遠光欄69. 020007.500000SILICA12:-557.200002.0300003:50.120007. 000000ZK9—CHINA24:105.200000.3000005:36.890008.000000ZK9—CHINA36:95.800001.2000007:206.500004.000000ZF6—CHINA48:28.050003.9200009:19.770008.900000LAF3一C畫A510:42. 270000. 48000011:47. 000005.000000ZF6 CHINA6 12: 13: 14: 15: 16: 像面12.21800 17.49800 216.30000無限大 無限大 無限大8. 7400008.0000000.900000 0.050145 0.000000LAF3 CHINASAraiR78其中第七鏡片7與探測器窗口 8之間的間隔為8mm，第七鏡片7裝上 結構後也不會超過6mm，因此留下2mm的空間供調焦用。該鏡頭的性能參數為焦距49. 7mm，Ftt為1. 2，半線視場y，為4. 35mm， K取O. 1，貝U:V月104.4 mm根據設計結果 Lz=140mm所以formula see original document page 8符合公式(1)式中，y'為半線視場；Fft為鏡頭光圈數；K為像面離焦後邊緣視場 主光線在垂軸方向的允許偏離量與探測器像素尺寸的比值。Lz為近像方 遠心光路的出曈距離。實例1採用了4種牌號的光學玻璃，降低了工藝成本；採用了近像方 遠心光學系統設計，增加了在軌抗離焦能力，可以彌散斑調整的方便性； 採用了全分離式的結構形式，有利於對心加工工藝的實現，提高鏡頭的裝 調精度；總長度與焦距之比1.42，降低了鏡頭尺寸和重量，對空間應用 是非常重要的；最後一片透鏡的第二面球心距離像面較遠，不易形成鬼像; 第一個零件材料為抗輻照石英玻璃，兼顧像差校正元件和輻照防護窗口 。
上述實例1已經在我國嫦娥一號月球探測器的星敏感器上得到了應 用，並獲得了良好的結果。上述的說明，僅為本發明的實施例而已，非為限定本發明的實施例； 凡熟悉該項技藝的人士，其所依本發明的特徵範疇，所作出的其它等效變 化或修飾，如尺寸大小、材料選擇、或形狀變化等，皆應涵蓋在以下本發 明所申請專利範圍內。
權利要求
1. 一種星敏感器光學系統成像結構，其特徵在於該成像結構是由7個鏡片和一個探測器窗口構成，其中第一至第七鏡片依次排列，第一鏡片為石英玻璃零件，其兼作抗空間輻照窗口；第二鏡片、第三個鏡片為ZK9玻璃零件，其ZK9玻璃零件是一種重冕玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，第一鏡片、第二鏡片和第三鏡片均為正透鏡；第四鏡片和第六鏡片為ZF6玻璃零件，其ZF6玻璃零件是一種重火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，並且第四鏡片和第六鏡片均為負透鏡；第五鏡片和第七鏡片為LaF3玻璃零件，其LaF3玻璃零件是一種鑭火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，並且第五鏡片和第七鏡片均為正透鏡；探測器窗口設置在第七鏡片之後。
2. 根據權利要求1所述的星敏感器光學系統成像結構，其特徵在於所述 的成像結構的鏡頭結構最右端距離探測器窗口至少2mm。
3. 根據權利要求1所述的星敏感器光學系統成像結構，其特徵在於所述 的第七鏡片朝向探測器窗口的一面當向探測器窗口彎曲時的曲率半徑應大於 70mm。
4. 根據權利要求1所述的星敏感器光學系統成像結構，其特徵在於所有 鏡片邊緣空氣間隔均不小於0. Iran,所有鏡片的中心間隔不小於0. lmm。
5. 根據權利要求1所述的星敏感器光學系統成像結構，其特徵在於所述 的統成像結構其光學系統的出射光曈距Lz遵從以下公式式中，y'為半線視場；Ftt為鏡頭光圈數；K為像面離焦後邊緣視場主光線 在垂軸方向的允許偏離量與探測器像素尺寸的比值。
全文摘要
一種星敏感器光學系統成像結構，由7個鏡片和一個探測器窗口構成，其中第一鏡片為石英玻璃零件，兼作抗空間輻照窗口；第二、三個鏡片為ZK9玻璃零件，其玻璃零件是一種重冕玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，第一鏡片、第二鏡片和第三鏡片均為正透鏡；第四和第六鏡片為ZF6玻璃零件，其是一種重火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，並且第四和第六鏡片均為負透鏡；第五鏡片和第七鏡片為LaF3玻璃零件，其是一種鑭火石玻璃，具有較高的折射率，有利於單色像差的消除，第五鏡片和第七鏡片均為正透鏡。該成像結構能夠實現星敏感器所要求的色光能量中心偏差要求，並具有近像方遠心光路設計、全分離與寬邊緣空氣間隔、採用少量種類的光學玻璃、短的光學筒長等優良的綜合性能。
文檔編號B64G3/00GK101209753SQ20061017021
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月25日 優先權日2006年12月25日
發明者郝雲彩 申請人:北京控制工程研究所