CN102116926B - 一种恒星敏感器成像结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深空导航敏感器技术领域，具体公开了一种恒星敏感器成像结构，像差校正镜的一个光学面采用2次非球面，不但能够起到校正像差的作用，使系统成像能够达到近衍射极限水平，而且降低了系统加工和装调难度，节约了成本；同时像差校正镜还可以起到保护窗口的作用，能够防止空间环境对系统的破坏，如辐照、温差等。
Description
技术领域
本发明属于深空导航敏感器技术领域，具体涉及折射反射式恒星敏感器成像系统。
背景技术
在航天技术领域恒星敏感器是通过成像测量恒星在惯性空间角位置的方法确定航天器姿态的一类光学敏感器。恒星敏感器一般由光学系统、结构、探测器电子线路、数据处理器电子线路、消杂光部件、外部接口、星图识别和姿态处理软件等组成。其中光学系统为恒星敏感器的成像系统，其成像结构决定了光学系统的优越性。
一般光学系统的成像结构均为透射式，由多个透镜零件组装到一起构成的，如法国SODERN公司的SED系列恒星敏感器、德国ASTRO系列恒星敏感器、国内北京控制工程研究所CCD恒星敏感器等等。这种类型的恒星敏感器具有较大的视场角，相对较小的焦距，较大的相对孔径，一般最高精度为1″量级。但是对于精度0.1″量级的恒星敏感器类型，焦距要求近1000mm，如果采用以往折射式镜头，则光学系统重量将会非常大，而且色差和其它像差校正困难，外形尺寸也会很大，因此国际上一般采用折射反射式系统来满足此类恒星敏感器光学系统的要求。
所述的恒星敏感器，是折射反射式的，其视场角在1°左右，焦距近1m，是一类高灵敏度的甚高精度星敏感器，如美国DS-1(深空-1号火星探测器)恒星敏感器，采用反射式的成像结构，其中具有3个二次非球面，使得加工装调变得复杂。这类结构中，有一类是采用卡塞-格林加校正镜系统或者采用R-C加校正镜系统，其中至少含有2个二次非球面。另外，潘君骅在论文“一个新的泛卡塞格林望远镜系统”中还提出了一种一个高次非球面校正镜和球面主次镜结构。以上两种结构中采用2个(2个以上)非球面或者采用1个高次非球面，其不利于因素在于：非球面加工和装调难度较高，增加非球面个数和非球面的次数都会引起加工和装调的难度增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过降低非球面个数和次数，降低系统加工和装调难度、节约成本，同时能够达到近衍射极限水平的成像质量的恒星敏感器成像结构。
本发明的技术方案如下：
一种恒星敏感器成像结构，它包括主镜和次镜，其中：主镜的中心开有圆孔，次镜的左端设有像差校正镜，所述的成像结构还包括有校正镜组和光栏5，校正镜组右侧设有焦平面探测器，所述的像差校正镜有两个光学面，其中一个为球面，另外一个为二次非球面，所述的主镜是一个凹面球面反射镜，所述的次镜为一个凸面球面反射镜，所述的校正镜组为2～5片同种材料的球面透镜组成的球面透镜组；所述的焦平面探测器为光电类型探测器；所述的校正镜组位于主镜圆孔中，且在主镜左右两侧的任意一侧。
光线从无限远处经光栏约束入射到像差校正镜的第一个面，透射到像差校正镜的第二个面，再进入主镜，经反射后进入次镜，再经过反射后进入校正镜组，经校正镜组聚焦后进入焦平面探测器。
在上述的一种恒星敏感器成像结构中：所述的光栏设在校正镜的光学面两端。
在上述的一种恒星敏感器成像结构中：所述的光栏设在主镜反射面两端。
在上述的一种恒星敏感器成像结构中：所述的像差校正镜的镜片形状可以是弯月形。
在上述的一种恒星敏感器成像结构中：将所述成像结构的光学系统的焦距长度设为f，沿着光轴方向，像差校正镜和次镜相对距离为0.01f～0.5f；次镜和主镜的相对距离0.15f～0.5f，次镜和校正镜组的相对距离为0.1f～0.6f。
本发明的显著效果在于：在整个恒星敏感器成像结构中，仅像差校正镜的一个光学面采用2次非球面，其余光学面均为球面，降低了系统加工和装调难度，节约了成本；像差校正镜不但能够起到校正像差的作用，使系统成像能够达到近衍射极限水平，同时像差校正镜还可以起到保护窗口的作用，能够防止空间环境对系统的破坏，如辐照、温差等。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例3结构示意图
图中：1.像差校正镜；2.主镜；3.次镜；4.校正镜组；5.光栏；6.焦平面探测器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种恒星敏感器成像结构，最左面的是校正镜1，依次是次镜3、主镜2、校正镜组4、焦平面探测器6。光栏5安装在校正镜1第一个光学面上或者第二个光学面上；主镜2的中心开一个圆孔，孔心位于主镜2中心，直径在其光学通光口径基础上最小外扩6mm，以适应校正镜组4穿入该孔或者满足从次镜3来的光不发生遮挡。
校正镜组4的最后一个光学面与焦平面探测器6的光敏面的距离应大于5mm，以适应探测器安装要求，本实施例中校正镜组4位于主镜2右侧，
像差校正镜1有两个光学面，其中一个为球面，另外一个为二次非球面，本实施例中像差校正镜1的镜片形状可以是弯月形，第一个面为球面，第二个面为二次非球面，其余各个光学面均为球面。主镜2是一个凹面球面反射镜，反射面上一般镀有反射膜；次镜3为一个凸面球面反射镜，校正镜组4为2～5片球面透镜组成的校正镜组，具有校正视场像差的作用；光栏5可以采用光学面本身，也可以设置单独的圆孔形零件，其直径与光学设计确定的孔径光栏直径一致；焦平面探测器6一般是光电类型探测器，含有一个以探测器保护玻璃窗口，该窗口参加本发明所述光学系统设计，是设计光路中的一个成像光学元件。
光线从无限远处首先入射到像差校正镜1的第一个光学面，透射到像差校正镜1的第二个光学面，再进入主镜2，经反射后进入次镜3，再经过反射后进入校正镜组4，经过校正镜组4后达到系统焦平面6。
本实施例中所述的校正镜组4中包含3个球面透镜，其组合光焦度接近于0光焦度。
沿着光轴方向，像差校正镜1位于次镜3一侧，主镜2位于次镜3的另一侧，本实施例中像差校正镜1的厚度为9.7mm，像差校正镜1与主镜2的间隔为80mm，像差校正镜1与次镜3相距10mm，主镜2与次镜3的中心间距为60.76mm，次镜3与校正镜组4的中心间隔为50.6mm，校正镜组4与焦平面探测器6距离8mm。
所述恒星敏感器成像结构的像差校正镜1可兼作保护窗口玻璃使用，以便节省一个通常此类系统专门设置的保护窗口玻璃。
所述恒星敏感器成像结构，其相对孔径范围可为
全视场角范围为1°～5°，当视场角减小或者少量增大情况下也在本系统的保护范围之内。所述恒星敏感器成像系统，折射光学零件和反射光学零件的中心厚度以加工和装调工艺限定的最小值为下限，上限不能超过1/5的厚度与通光口径比。
像差校正镜1的材料为石英玻璃，具有空间防辐照作用。主镜2和次镜3反射镜材料为近零热膨胀系数的材料，如镕石英、微晶玻璃、ULE等。
实施例2
如图2所示，所述的光栏5安装在主镜2的反射面上，光栏5位置沿着光轴方向前后少量移动也可以完成本发明设计。所述的校正镜组4位于主镜2的圆孔中心，位于主镜2左侧。
实施例3
如图3所示，光栏5安装在像差校正镜1第一个光学面上或者第二个光面上，校正镜组4位于主镜2的圆孔中心，位于主镜2左侧。光学系统的焦距f为500mm，相对孔径为
视场角为1.6°。
本实施例中所述系统的校正镜组4包含4片球面透镜，401、402、402、404，校正镜组4的透镜材料为同一种牌号的玻璃，如K9，QK3等，本实施例采用K9玻璃。
其结构参数如下：
曲率半径 中心间隔 玻璃材料
401 第一个面 33.23875 4.000000 K9
401 第二个面 18.30291 2.800000
402 第一个面 316.41161 4.215735 K9
402 第二个面 -23.28973 16.265451
403 第一个面 -12.25150 4.000000 K9
403 第二个面 40.31964 2.832744
404 第一个面 -11.52884 4.000000 K9
401 第二个面 -10.35606 8.012675
上述的说明，仅为本发明的实施例而已，非为限定本发明的实施例；凡熟悉该项技艺的人士，其所依本发明的特征范畴，所作出的其它等效变化或修饰，如尺寸大小、材料选择、或形状变化、功能组件的类型和数量的增减等，皆应涵盖在以下本实发明所申请专利范围内。
Claims (1)
1.一种恒星敏感器成像结构，其包括主镜（2）和次镜（3），主镜（2）的中心开有圆孔，次镜（3）的左侧设有像差校正镜（1）；所述的成像结构还包括有校正镜组（4）和光栏（5），校正镜组（4）的右侧设有焦平面探测器（6）；所述的像差校正镜（1）有两个光学面，其中一个为球面，另外一个为二次非球面；所述的主镜（2）是一个凹面球面反射镜，所述的次镜（3）为一个凸面球面反射镜，所述的校正镜组（4）为3片同种材料的球面透镜组成的球面透镜组，3片球面透镜的组合光焦度接近于0；所述的焦平面探测器（6）为光电类型探测器；所述的校正镜组（4）位于主镜（2）的圆孔所限定的开口范围中，且在主镜（2）左右两侧的任意一侧；所述的像差校正镜（1）的镜片形状是弯月形；光线从无限远处经光栏（5）约束入射到像差校正镜（1）的第一个面，透射到像差校正镜（1）的第二个面，再进入主镜（2），经反射后进入次镜（3），再经过反射后进入校正镜组（4），经校正镜组（4）聚焦后进入焦平面探测器（6）；其特征在于：
将所述成像结构的光学系统的焦距长度设为f，沿着光轴方向，像差校正镜（1）和次镜（3）的相对距离为0.01f～0.5f，次镜（3）和主镜（2）的相对距离为0.15f～0.5f，次镜（3）和校正镜组（4）的相对距离为0.1f～0.6f。
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