基于APS探测器的星敏感器光学系统

摘要

本发明涉及基于APS探测器的星敏感器光学系统，包括轴心在一直线上依次排列的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、光阑、第二负透镜、第三正透镜、第三负透镜、第四正透镜以及第四负透镜；本发明解决了现公布的光学系统存在视场大的入瞳直径较小，可观测极限星等有限的技术问题，本发明有利于场曲的校正，视场较大，观测星空范围较大，一次探测概率较高，入瞳直径较大，可观测星等较高的功能。

说明书

技术领域

本发明属光学设计领域，涉及一种利用恒星作为参照系进行导航定位的星敏感器光学系统，尤其涉及基于APS探测器的星敏感器光学系统。 

背景技术

现如今，在对航天、航空和航海领域的研究任务中对控制对象的姿态测量是最重要的一部分。获取控制对象精确的姿态信息成为任务成败的关键。在众多的姿态测量仪器当中，惯性陀螺具有很高的瞬时姿态测量精度，但是长时间工作状态下漂移较大，而地球敏感器和太阳敏感器由于利用地球和太阳作为参考系，测量精度只能达到度或分的量级。 

于是就出现了光学星敏感器，星敏感器通过对视场范围内的恒星进行拍摄，利用恒星间距和相对位置进行导航定位的惯性姿态敏感器。具有测量精度高、重量轻、功耗低、无漂移等优点。其基本组成部分为光学系统、图像传感器、信号处理单元和通讯接口等几大部分。光学系统的主要作用的将星空成像在探测器上，所成星象质量应能满足姿态测量精度需求。 

星敏感器光学系统不同于一般的光学系统，高质量、高性能的星敏感器光学系统是研制高精度星敏感器的基础。其光学系统评价标准主要由以下几个方面。 

(1)视场大小直接关系到系统一次探测的恒星数目，恒星数目的多少影响最终的测量精度和系统一次捕获概率； 

(2)视场内弥散斑直径大小应覆盖探测器2×2或者3×3像素，以满足星点提取精度； 

(3)系统各个光谱的弥散斑能量质心偏差控制在3个μm以内； 

(4)系统工作在-50°到+60°的温度范围内，光学系统离焦范围和弥散斑直径大小应能控制在一定的范围内。

目前国内已公布的星敏感器光学系统如2004年《光子学报》刊登的“轻小型星敏感器光学系统设计”提出的焦距为22.7mm，相对孔径1∶1.4，视场角为 17.1°×17.1°(方视场)的光学系统。该系统入瞳直径较小，仅为16.2mm。2004年3月《光学技术》刊登的“折反式大视场星敏感器光学系统设计”视场角为20°，焦距为43.56mm，相对孔径为1∶1.2。该光学系统采用折反结构，覆盖光谱范围宽，但是系统存在遮拦，外形尺寸大，系统装调难度较大的缺点。申请号为200610170214.9的星敏感光学系统结构采用7片式近远心的结构形式，焦距为49mm，相对孔径为1∶1.2，视场角为14.14°×14.14°(圆视场)的光学系统。该系统成像质量较好，但可用视场角较小。 

光学系统视场的增大直接影响光学系统的慧差、畸变、场曲和垂轴色差。极大的增加了系统的设计难度。现公布的光学系统存在视场大的入瞳直径较小，可观测极限星等有限。入瞳直径大的视场角较小，一次可观测的恒星数目少，不利于最终系统姿态测量精度的提高等问题。 

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明目的提供了一种基于APS探测器的星敏感器光学系统，其性能指标优良，入瞳直径在36mm以上，能够在28.4°×28.4°视场范围满足较高测量精度的星敏感器使用要求的光学系统。 

本发明的技术解决方案： 

基于APS探测器的星敏感器光学系统，其特征在于：包括轴心在一直线上依次排列的第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、光阑4、第二负透镜5、第三正透镜6、第三负透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9； 

所述第一正透镜1的光学特性为： 

4.5f′＜f′₁＜5.5f′，1.4＜n₁＜1.6，R₁＜0.3f′₁，R₂＜0.5f′₁； 

所述第二正透镜2的光学特性为： 

1f′＜f′₂＜2f′，1.7＜n₂＜1.8，R₃＜0.8f′₂，3.5f′₂＜R₄＜4.5f′₂； 

所述第一负透镜3的光学特性为： 

-2f′＜f′₃＜-1f′，1.7＜n₃＜1.8，1.5f′₃＜R₅＜0.5f′₃，-2.5f′₃＜R₆＜-3.5f′₃； 

所述第二负透镜5的光学特性为： 

-2f′＜f′₄＜-1.5f′，1.7＜n₄＜1.8，-1f′₄＜R₇＜-1.5f′₄，R₈＜-0.8f′₄； 

所述第三正透镜6的光学特性为： 

0.5f′＜f′₅＜1.5f′，1.7＜n₅＜1.8，0.5f′₅＜R₉＜1.5f′₅，-2.5f′₅＜R₁₀＜-1.5f′₅； 

所述第三负透镜7的光学特性为： 

-9f′＜f′₆＜-8f′，1.7＜n₆＜1.8，R₁₁＜-0.2f′₆，R₁₂＜-0.2f′₆； 

所述第四正透镜8的光学特性为： 

f′₇＜f′，1.7＜n₇＜1.8，0.5f′₇＜R₁₃＜1.5f′₇，-3f′₇＜R₁₄＜-2f′₇； 

所述第四负透镜9的光学特性为： 

-1.5f′＜f′₈＜-0.5f′，1.7＜n₈＜1.8，1.5f′₈＜R₁₅＜0.5f′₈，-4.5f′₈＜R₁₆＜-5.5f′₈

其中f′为该光学系统的焦距，f′₁、f′₂、f′₃......f′₈分别为八个透镜的焦距，R′₁、R′₂、R′₃......R′₁₆分别为八个透镜十六个面的曲率半径，n′₁、n′₂、n′₃......n′₈分别为8个透镜的材料折射率。 

上述第一正透镜的材料为熔融石英材料JGS1。 

上述第二正透镜2为镧冕玻璃材料LaK3、第一负透镜3为重火石玻璃材料ZF4、第二负透镜5为重火石玻璃材料ZF4、第三正透镜6为镧冕玻璃材料LaK3、第三负透镜7为镧冕玻璃材料LaK3、第四正透镜8为镧冕玻璃材料LaK3以及第四负透镜9为重火石玻璃材料ZF4。 

上述第二正透镜2为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第一负透镜3为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第二负透镜5为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第三正透镜6为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第三负透镜7为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第四正透镜8为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503以及第四负透镜9为耐辐照重火石玻璃材料ZF404。 

上述基于APS探测器的星敏感器光学系统的后工作距大于8mm。 

本发明所具有的优点为： 

1、本发明光学系统采用“++--+-+-”也就是“正透镜、正透镜、负透镜、负透镜、正透镜、负透镜、正透镜、负透镜“的透镜组合结构，系统的光焦度分配决定了场曲，本发明系统更加有利于场曲的校正。 

2、本发明光学选用熔融石英JGS1作为第一正透镜，能有效抵抗空间中复杂的粒子辐照。因为JGS1的抗辐照性能极佳。利用高折射率低色散的镧冕系玻璃材料和重火石玻璃材料正负透镜结合，校正弥散斑能量质心色偏差。经过反复像差平衡和优化设计，有效减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，做到各视场弥散斑分布均匀；视场较大，观测星空范围较大，一次探测概率较高。入瞳直径较大，可观测星等较高的功能。 

3、本发明将传统的双胶合镜组变成小气隙双分离透镜，一方面为了减小高级球差，另一方面去除了胶合面在复杂空间环境下脱胶的风险。 

4、本发明通过多次试验计算出合适的透镜曲率半径，透镜分离后在总光焦度不变的情况下，每个透镜半径加大，减小了光线的入射角，减小了系统的高级像差，系统的高级像差的减少，也就提高了成像质量或光学特性。 

5、采用本发明的光学系统可以达到以下指标： 

(1)系统焦距为43.6mm，入瞳直径大于36mm，视场角大于28.4°，相对孔径为1/1.2； 

(2)最佳像面上，各个谱段相对于中心波长的弥散斑能量质心偏差极小，在3个微米以内，如附表1所示。 

(3)该光学系统，最佳像面上在0.8视场内，包括80％能量的弥散斑半径在12μm到20μm之间； 

(4)使用温度范围较宽，在-50°到+60°温度区间内均可保证成像质量。 

附图说明

图1为本发明基于APS的大视场星敏感器光学系统示意图； 

其中附图标记为：1-第一正透镜，2-第二正透镜，3-第一负透镜，4-光阑，5-第二负透镜，6-第三正透镜，7-第三负透镜，8-第四正透镜，9-第四负透镜； 

图2为本发明的中心视场和边缘视场的光线成像示意图； 

其中附图标记为：1-第一正透镜，2-第二正透镜，3-第一负透镜，4-光阑，5-第二负透镜，6-第三正透镜，7-第三负透镜，8-第四正透镜，9-第四负透镜； 

图3为采用本发明光学系统的主要指标其最佳像面上弥散斑的能量分布图。 

具体实施方式

如图1、图2所示，基于APS探测器的星敏感器光学系统，包括轴心在一直线上依次排列的第一正透镜1、第二正透镜2、第一负透镜3、光阑4、第二负透镜5、第三正透镜6、第三负透镜7、第四正透镜8以及第四负透镜9； 

第一正透镜1的光学特性为： 

4.5f′＜f′₁＜5.5f′，1.4＜n₁＜1.6，R₁＜0.3f′₁，R₂＜0.5f′₁； 

第二正透镜2的光学特性为： 

1f′＜f′₂＜2f′，1.7＜n₂＜1.8，R₃＜0.8f′₂，3.5f′₂＜R₄＜4.5f′₂； 

第一负透镜3的光学特性为： 

-2f′＜f′₃＜-1f′，1.7＜n₃＜1.8，1.5f′₃＜R₅＜0.5f′₃，-2.5f′₃＜R₆＜-3.5f′₃； 

第二负透镜5的光学特性为： 

-2f′＜f′₄＜-1.5f′，1.7＜n₄＜1.8，-1f′₄＜R₇＜-1.5f′₄，R₈＜-0.8f′₄； 

第三正透镜6的光学特性为： 

0.5f′＜f′₅＜1.5f′，1.7＜n₅＜1.8，0.5f′₅＜R₉＜1.5f′₅，-2.5f′₅＜R₁₀＜-1.5f′₅； 

第三负透镜7的光学特性为： 

-9f′＜f′₆＜-8f′，1.7＜n₆＜1.8，R₁₁＜-0.2f′₆，R₁₂＜-0.2f′₆； 

第四正透镜8的光学特性为： 

f′₇＜f′，1.7＜n₇＜1.8，0.5f′₇＜R₁₃＜1.5f′₇，-3f′₇＜R₁₄＜-2f′₇； 

第四负透镜9的光学特性为： 

-1.5f′＜f′₈＜-0.5f′，1.7＜n₈＜1.8，1.5f′₈＜R₁₅＜0.5f′₈，-4.5f′₈＜R₁₆＜-5.5f′₈其中f′为该光学系统的焦距，f′₁、f′₂、f′₃......f′₈分别为八个透镜的焦距，R′₁、R′₂、R′₃......R′₁₆分别为八个透镜十六个面的曲率半径，n′₁、n′₂、n′₃......n′₈分别为8个透镜的材料折射率。光阑4的位置，不影响，只要位于第一负透镜和第二负透镜之间。 

第一正透镜的材料为熔融石英材料JGS1。 

第二正透镜2为镧冕玻璃材料LaK3、第一负透镜3为重火石玻璃材料ZF4、第二负透镜5为重火石玻璃材料ZF4、第三正透镜6为镧冕玻璃材料LaK3、第三负透镜7为镧冕玻璃材料LaK3、第四正透镜8为镧冕玻璃材料LaK3以及第四负透镜9为重火石玻璃材料ZF4。 

第二正透镜2为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第一负透镜3为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第二负透镜5为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第三正透镜6为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第三负透镜7为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第四正透镜8为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503以及第四负透镜9为耐辐照重火石玻璃材料ZF404。 

基于APS探测器的星敏感器光学系统的后工作距大于8mm。 

下面用实例来说明一些具体情况： 

光学镜头要求做到相对孔径1/1.2，视场角28.4°，弥散斑在各波段0.8视场内 其半径均大于12μm而小于48μm。这是一个技术指标要求很高的光学系统，只有选用复杂化双高斯光学结构才能满足要求。结构复杂化的基本目的是要减小轴上高级球差和轴外像差。由于透镜增多以后，增加了系统校正像差的变量数，从而通过优化程序来控制总的像差，这样一方面容易校正像差，同时方便校正以后剩余的高级像差。因为光学系统中高级像差产生的原因，是由于光线在透镜表面上的入射角太大引起的(由于透镜表面半径较小造成的)，结构复杂化即透镜分离后在总光焦度不变的情况下，每个透镜半径加大，减小了每个透镜表面上光线的入射角，因而减小了系统的高级像差。系统的高级像差的减少，也就有可能提高光学系统的成像质量或光学特性。 

经过反复像差平衡和优化设计，选用高折射率材料，可以在减小系统尺寸的情况下，让每个镜片承担更多的光焦度，有效的减少轴外像差和各种高级像差，提高相对孔径，增大系统收集星光的能力。对提高系统的信噪比和可观测星等发挥重要作用。 

将双胶合组变成小气隙双分透镜的目的一方面是为了减小高级球差，另一方面是为了去除胶合面在空间复杂环境下脱胶的风险。 

系统的光焦度分配决定了场曲，该系统采用“++--+-+-”正负透镜分离，无胶合面。结构更加有利于场曲的校正。通过采用不同色散系数的玻璃配对使用可以校正色差。本次设计没有采用非常规色散玻璃材料，除第一片透镜材料必须采用JGS1石英材料外，在设计初始阶段其余玻璃品种仅选用了折射率高的、物理化学性能良好且吸收小的两种光学材料ZF4和LaK3(第二正透镜2为镧冕玻璃材料LaK3、第一负透镜3为重火石玻璃材料ZF4、第二负透镜5为重火石玻璃材料ZF4、第三正透镜6为镧冕玻璃材料LaK3、第三负透镜7为镧冕玻璃材料LaK3、第四正透镜8为镧冕玻璃材料LaK3以及第四负透镜9为重火石玻璃材料ZF4)在后期考虑长寿命因素后，将ZF4和LaK3更换成相同光学常数(折射率、色散系数)的耐辐照光学玻璃ZF404和LaK503(第二正透镜2为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第一负透镜3为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第二负透镜5为耐辐照重火石玻璃材料ZF404、第三正透镜6为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第三负透镜7为耐辐照镧冕玻璃材料LaK503、第四正透镜8为耐辐照镧冕玻璃材 料LaK503以及第四负透镜9为耐辐照重火石玻璃材料ZF404。 

在空间环境当中，ZF4和LaK3为普通的光学玻璃材料，在经过一段空间粒子辐照后，普通光学玻璃材料会发黑失效。而耐辐照光学玻璃材料ZF404和LaK503可以抵挡空间复杂的粒子辐照环境，经过长时间工作之后，仍然可以正常使用。 

航天空间星载用星敏感器光学系统，其使用光谱范围涵盖可见光波段，470nm到750nm，考虑到航天环境中粒子辐射等对光学系统的影响，该系统第一片玻璃采用抗辐照性能和热稳定性均较好的熔融石英材料JGS1，其余镜片材料采用重火石和镧冕光学材料，按照上述结构和数据制作要求其光学系统焦距为43.3mm，入瞳直径大于36mm，视场角大于28.4°，后工作距大于8mm，镜头无渐晕。相对于中心波长，各谱段像面上其能量质心位置之差小于3微米，如附表1所示， 

附表1为不同视场各个波段弥散斑能量中心相对于0.62μm波长主光线像高的偏差值。