本發(fā)明涉及一種星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)工程范疇。

背景技術(shù)：

星敏感器以恒星為測量目標(biāo)，通過光學(xué)系統(tǒng)將恒星成像于光電轉(zhuǎn)換器上，輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)星點提取和星圖識別，確定星敏感器光軸矢量在慣性坐標(biāo)系下的指向，通過星敏感器在飛行器、星光導(dǎo)航系統(tǒng)及艦船的上的安裝矩陣，確定其在慣性坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)。

星敏感器一般由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、探測器組件及其電路、數(shù)據(jù)處理電路、二次電源、軟件(系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及星表)、主體結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)鏡等組成。

星敏感器光學(xué)系統(tǒng)對星敏感器的整機性能，特別是精度等核心性能有著重要影響，光學(xué)系統(tǒng)性能的降低將帶來整機精度、靈敏度等核心指標(biāo)的降低，因此光學(xué)系統(tǒng)是星敏感器的關(guān)鍵部件之一。相比較于常用的照相物鏡，星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)的觀測目標(biāo)是恒星目標(biāo)，恒星目標(biāo)一般具有寬光譜、低照度的特點；同時為了提高整機對恒星像點的定位精度，光學(xué)系統(tǒng)需將恒星目標(biāo)在光電探測器上，恒星像點應(yīng)接近高斯分布。

由于星敏感器用于空間環(huán)境，因此光學(xué)系統(tǒng)在滿足成像性能的同時，需具有較好的抗力學(xué)性能，耐高溫差能力和抗宇宙輻射能力等。這些要求使得星敏感器光學(xué)系統(tǒng)在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面有較大限制。

根據(jù)星敏感器整機和恒星目標(biāo)的特點，星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計難度較大，對結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)裝調(diào)等要求很高，星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計及裝調(diào)技術(shù)是星敏感器的核心技術(shù)之一。

星敏感器光學(xué)系統(tǒng)一般使用復(fù)雜化的光學(xué)系統(tǒng)、甚至非球面光學(xué)系統(tǒng)保證光學(xué)系統(tǒng)具有良好的成像性能。光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化后一般體積重量較大。光學(xué)系統(tǒng)體積重量變大后，使得星敏感器需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計才能滿足光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等要求，導(dǎo)致星敏感器產(chǎn)品的整機體積和重量較大，不利星敏感器整機的輕量化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小型化高精度星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，具有寬光譜、大視場、大相對孔徑特點，滿足了工作于空間惡劣溫度環(huán)境下的高精度星敏感器的姿態(tài)測量需求。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種小型化高精度星敏感器用光學(xué)系統(tǒng)，包括依次排列的第一透鏡、第二透鏡、孔徑光闌、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、探測器保護(hù)玻璃和光電探測器；入射光線從第一透鏡入射，第一透鏡為正透鏡，收集目標(biāo)的發(fā)射光線，并將目標(biāo)發(fā)出的光能量匯聚后入射至第二透鏡上；第二透鏡為正透鏡，用于校正第一透鏡產(chǎn)生的球差；第三透鏡對第二透鏡發(fā)出的光能量進(jìn)行像差校正后發(fā)送給第四透鏡；第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡對光學(xué)系統(tǒng)焦距進(jìn)行修正，并對第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的像差進(jìn)行校正；光電探測器對接收的光能量進(jìn)行探測；第四透鏡、第五透鏡均為正透鏡，第三透鏡、第六透鏡均為負(fù)透鏡。

所述光學(xué)系統(tǒng)焦距為37.6mm，入瞳直徑為34mm，F(xiàn)數(shù)為1.1，全視場角為17°；第一透鏡頂點距光電探測器的總長度為62.7mm，光學(xué)系統(tǒng)焦距與長度的比例為1:2。

所述第一透鏡前表面曲率半徑57.94mm，后表面曲率半徑-192.31mm，透鏡中心厚度5mm，外輪廓直徑38mm，材料為熔石英材料；

第二透鏡前表面曲率半徑31.05mm，后表面曲率半徑81.41mm，透鏡中心厚度6mm，外輪廓直徑35mm，玻璃牌號為ZK9；

第三透鏡前表面曲率半徑-45mm，后表面曲率半徑32.29mm，透鏡中心厚度4.5mm，外輪廓直徑29.4mm，玻璃牌號為ZF4；

第四透鏡前表面曲率半徑37mm，后表面曲率半徑-44.06mm，透鏡中心厚度8.5mm，外輪廓直徑33mm，玻璃牌號為LAK3；

第五透鏡前表面曲率半徑26.92mm，后表面曲率半徑-161.81mm，透鏡中心厚度6.9mm，外輪廓直徑24.4mm，玻璃牌號為LAK3；

第六透鏡前表面曲率半徑-28.25mm，后表面曲率半徑42.46mm，透鏡中心厚度2.5mm，外輪廓直徑17mm，玻璃牌號為ZF4。

所述探測器保護(hù)玻璃為平板玻璃，厚度為1mm，玻璃牌號為BK7。

所述第一透鏡和第二透鏡空氣間隔為0.5mm；所述第二透鏡和孔徑光闌空氣間隔為2mm；所述孔徑光闌和第三透鏡空氣間隔為4.5mm；所述第三透鏡和第四透鏡空氣間隔為2.3mm；所述第四透鏡和第五透鏡空氣間隔為12.5mm；所述第五透鏡和第六透鏡空氣間隔為3mm；所述第六透鏡和探測器保護(hù)玻璃空氣間隔為3.42mm；所述探測器保護(hù)玻璃和光電探測器空氣間隔為0.5mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為1.1，星敏感器常用的F數(shù)為1.2～2，本發(fā)明具有較小的F數(shù)，可以收集更多的恒星光能量，有效提升星敏感器的探測靈敏度。

(2)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)采用了無保護(hù)窗設(shè)計，避免了使用保護(hù)窗帶來的光學(xué)系統(tǒng)體積和重量增加的問題。

(3)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)畸變較小，最大絕對畸變優(yōu)于5um，可以減小光學(xué)系統(tǒng)對恒星成像后星點位置偏差對星敏感器精度的影響。

(4)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)可以工作于-50℃～+70℃的溫度環(huán)境。在該工作溫度范圍內(nèi)的最大離焦量約為0.05mm，且具有良好的像質(zhì)，使光學(xué)系統(tǒng)具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性。

(5)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)中各透鏡均為球面透鏡。球面透鏡的加工及裝調(diào)方法已經(jīng)比較成熟，零件加工難度較低。系統(tǒng)的研制周期和研制成本較非球面光學(xué)系統(tǒng)大大降低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

星敏感器一般由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、探測器組件及其電路、數(shù)據(jù)處理電路、二次電源、軟件(系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及星表)、主體結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)鏡等組成。

星敏感器使用光學(xué)系統(tǒng)將恒星目標(biāo)的能量進(jìn)行會聚，會聚后的星點能量成像于星敏感器探測器上進(jìn)行后續(xù)的圖像處理及姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。因此光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、體積重量、空間環(huán)境適應(yīng)性是評估星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。

如圖1所示，本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)由六片透鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)由左至右依次包括第一透鏡1、第二透鏡2、孔徑光闌3、第三透鏡4、第四透鏡5、第五透鏡6、第六透鏡7、探測器保護(hù)玻璃8和光電探測器9；

光學(xué)系統(tǒng)工作光譜范圍為0.5μm～0.9μm，系統(tǒng)焦距37.6mm，入瞳直徑34mm，全視場17°，工作溫度為-50℃～+70℃。

光學(xué)系統(tǒng)工作光譜范圍較寬，為了校正系統(tǒng)中色差，系統(tǒng)整體透鏡采用了“++-++-”結(jié)構(gòu)。

入射光線從第一透鏡1入射，第一透鏡1為正透鏡，用于收集目標(biāo)的發(fā)射光線，并將目標(biāo)發(fā)出的光能量匯聚后入射至第二透鏡2上；第一透鏡1材料選用熔石英材料；第二透鏡2為正透鏡，用于校正第一透鏡1產(chǎn)生的球差；孔徑光闌3位于光學(xué)系統(tǒng)第二透鏡2和第三透鏡4之間；第三透鏡4對第二透鏡2發(fā)出的光能量進(jìn)行像差校正后發(fā)送給第四透鏡5；第四透鏡5、第五透鏡6和第六透鏡7用于修正光學(xué)系統(tǒng)焦距，并對第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡4的像差進(jìn)行校正；探測器保護(hù)玻璃8起到保護(hù)作用，光電探測器9對接受的光能量進(jìn)行探測。所述第四透鏡5、第五透鏡6均為正透鏡，第三透鏡4、第六透鏡7為負(fù)透鏡。

探測器保護(hù)玻璃8位于探測器內(nèi)，用于避免探測器受灰塵及其他多余物影響。光電探測器9是系統(tǒng)探測器位置，用于放置星敏感器探測器。

本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌3位置靠前，可以減小光學(xué)系統(tǒng)、特別是孔徑光闌3前的各透鏡的通光孔徑。光學(xué)系統(tǒng)中各鏡片通光孔徑的減小可以減小各鏡片的體積和重量，同時帶來光學(xué)系統(tǒng)體積和重量的減小。

第一透鏡1材料使用熔石英材料。使用熔石英材料即可以校正光學(xué)系統(tǒng)像差，亦可保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)中各透鏡。使得光學(xué)系統(tǒng)中無需單獨設(shè)置保護(hù)玻璃，可以進(jìn)一步減小光學(xué)系統(tǒng)的重量。光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡1頂點距光電探測器9的總長度約為62.7mm，光學(xué)系統(tǒng)焦距與長度的比例約為1:2。透射式光學(xué)系統(tǒng)焦距與長度的比值一般在1:3以上，因此本發(fā)明具有較小的長度和體積。

本發(fā)明實施例中，第一透鏡1前表面曲率半徑57.94mm，后表面曲率半徑-192.31mm，透鏡中心厚度5mm，外輪廓直徑38mm，材料使用熔石英材料；第二透鏡2前表面曲率半徑31.05mm，后表面曲率半徑81.41mm，透鏡中心厚度6mm，外輪廓直徑35mm，玻璃牌號為ZK9；第三透鏡3前表面曲率半徑-45mm，后表面曲率半徑32.29mm，透鏡中心厚度4.5mm，外輪廓直徑29.4mm，玻璃牌號為ZF4；第四透鏡5前表面曲率半徑37mm，后表面曲率半徑-44.06mm，透鏡中心厚度8.5mm，外輪廓直徑33mm，玻璃牌號為LAK3；第五透鏡6前表面曲率半徑26.92mm，后表面曲率半徑-161.81mm，透鏡中心厚度6.9mm，外輪廓直徑24.4mm，玻璃牌號為LAK3；第六透鏡7前表面曲率半徑-28.25mm，后表面曲率半徑42.46mm，透鏡中心厚度2.5mm，外輪廓直徑17mm，玻璃牌號為ZF4；探測器保護(hù)玻璃8為平板玻璃，厚度為1mm，玻璃牌號為BK7。

第一透鏡1和第二透鏡2空氣間隔為0.5mm；第二透鏡2和孔徑光闌3空氣間隔為2mm；孔徑光闌3和第三透鏡4空氣間隔為4.5mm；第三透鏡4和第四透鏡5空氣間隔為2.3mm；第四透鏡5和第五透鏡6空氣間隔為12.5mm；第五透鏡6和第六透鏡7空氣間隔為3mm；第六透鏡7和探測器保護(hù)玻璃8空氣間隔為3.42mm；探測器保護(hù)玻璃8和光電探測器9空氣間隔為0.5mm。

為了使得系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)均具有良好的成像質(zhì)量，在系統(tǒng)中盡量使用對溫度敏感度較低的玻璃材料，同時使用不同牌號的玻璃進(jìn)行組合，對由于溫度變化帶來的像質(zhì)影響進(jìn)行抑制。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。