一種全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠實現(xiàn)全天時觀測的小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)。該全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，包括沿成像光路光軸依次設置的成像單元、帶通濾光片、主反射鏡、次反射鏡以及掃描反射鏡，所述主反射鏡中心為通孔；入射光依次經(jīng)過掃描反射鏡、主反射鏡、次反射鏡完成三次反射后再經(jīng)主反射鏡的中心通孔、帶通濾光片出射至成像單元；入射光的光路與所述成像光路在30°～50°掃描視場時存在部分光路重疊以滿足系統(tǒng)小型化；主反射鏡、次反射鏡均設置有遮光罩，掃描反射鏡邊緣垂直延伸設置有遮光板。本發(fā)明利用掃描反射鏡進行視場掃描，能夠全天時觀測天頂30°～85°空域之間的區(qū)域，系統(tǒng)瞬時視場小于30′。
【專利說明】—種全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬光學設計領域，涉及一種全天候利用恒星作為參照系進行導航定位的恒星跟蹤系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前在飛行器和艦船導航過程中，慣性陀螺是最為常用的導航設備，具有很高的瞬時姿態(tài)測量精度，但是長時間工作狀態(tài)下漂移較大，誤差隨著時間不斷的積累，需要外部信息源校正其誤差。而星敏感器利用天球坐標系中恒星的位置不變性來測量載體的運動參數(shù)，無姿態(tài)累積誤差，因此，星敏感器成為校正慣性導航測量誤差的最佳系統(tǒng)。慣性/星光組合導航將星光導航與慣性導航結合，優(yōu)勢互補，從而實現(xiàn)長時間高精度導航。慣性/星光組合導航作為一種新型的導航技術也成為研究熱點方向。
[0003]慣性/星光組合導航中的星敏感器是各種姿態(tài)敏感器中姿態(tài)測量精度最高的敏感器之一，在航天工程中得到了廣泛的應用，但是用于全天時觀測的星敏感器光學系統(tǒng)卻很少，這是因為在大氣層內(nèi)工作的星敏感器白天觀測恒星的最大困難是白天的天空背景輻射過強，造成的白天觀星的對比度比夜間要差IO5倍，因此在夜間能觀測到的恒星在白天卻很難觀測到。
[0004]美國在上個世紀80年代末開展了具有全天時工作能力的星敏感器研究，美國Northrop公司研發(fā)的星光慣性導航系統(tǒng)采用3個視場角3°的望遠系統(tǒng)組合而成，聯(lián)合使用能夠觀測天頂30°范圍內(nèi)的區(qū)域，該公司研發(fā)的第四代星敏感器口徑為50.8mm，并通過導航系統(tǒng)上部口徑228.6mm的窗口，可以觀測天頂95°范圍內(nèi)的區(qū)域。2006年，美國Microcosm公司研發(fā)的DayStar系統(tǒng)，同樣采用3視場原理，同時觀測3個方向，其視場角30°，口徑為76_。BLAST白天觀星采用大口徑長焦距的鏡頭，配合4英尺長得遮光罩進行白天觀測。
[0005]目前國內(nèi)長光所在90年代利用口徑350臟，焦距3000mm的電影經(jīng)緯儀進行了白天觀星實驗，可以在白天觀測到3等星，在星體探測能力上達到了國外80年代中期水平。該系統(tǒng)口徑達到了 350mm，體積較大，重量較重，不適合在飛行器等對重量要求比較苛刻的場合使用。
[0006]我國的白天觀星能力較弱，小型化的全天時星敏感器光學技術更是幾乎空白，國外同類產(chǎn)品大多采用3個鏡頭同時進行觀測，系統(tǒng)硬件較為復雜。因此。發(fā)明一種用于全天時小型化恒星觀測的光學系統(tǒng)尤為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決【背景技術】中存在的上述技術問題，本發(fā)明目的提供了一種能夠實現(xiàn)全天時觀測的小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術解決方案:
[0009]一種全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，包括沿成像光路光軸依次設置的成像單元、帶通濾光片、主反射鏡、次反射鏡以及掃描反射鏡，所述主反射鏡中心為通孔；其中，主反射鏡面型為凹的二次非球面，次反射鏡面型為凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次經(jīng)過掃描反射鏡、主反射鏡、次反射鏡完成三次反射后再經(jīng)主反射鏡的中心通孔、帶通濾光片出射至成像單元；所述入射光的光路與所述成像光路在30°-50°掃描視場時存在部分光路重疊以滿足系統(tǒng)小型化；主反射鏡面向次反射鏡延伸設置有圓錐筒形主鏡遮光罩，次反射鏡面向主反射鏡延伸設置有圓錐筒形次鏡遮光罩，掃描反射鏡邊緣垂直延伸設置有遮光板。
[0010]基于上述基本方案，本發(fā)明還可作如下優(yōu)化限定和改進:
[0011]所述掃描反射鏡形狀為長八邊形或者為橢圓形。
[0012]在主鏡遮光罩內(nèi)還設置有校正鏡，用以校正光學系統(tǒng)的球差和擴大系統(tǒng)視場。
[0013]掃描反射鏡的材料為熔融石英材料JGS1，主反射鏡的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，次反射鏡的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，校正鏡材料為輕冕光學玻璃材料H-QK3L，帶通濾光片的材料為熔融石英材料JGSl或者為有色玻璃HB550、HB650。
[0014]主反射鏡與次反射鏡之間采用三桿連接方式，連接桿材料采用銦鋼。
[0015]次反射鏡的外圍還設置有至少一級遮光筒。
[0016]主反射鏡的表面頂點半徑200mm-300mm ;次反射鏡的表面頂點半徑35mm-80mm ;校正鏡米用彎月形凸透鏡,焦距350mm〈f’ <600mm ；
[0017]從掃面反射鏡中心到成像單元的成像面的距離為180mm-220mm，主反射鏡與次反射鏡之間距離為70mm-90mm ；
[0018]主鏡遮光罩的尺寸為:從主反射鏡表面頂點到主鏡遮光罩末端長度為40mm-55mm ；
[0019]次鏡遮光罩的尺寸為:從次反射鏡表面頂點到次鏡遮光罩末端長度為8mm-15mm ；
[0020]遮光筒共有兩級，其結構特性為:第一級遮光筒直徑為26mm-35mm，長度為25mm-30mm,第二級遮光筒直徑為38mm-42mm,長度為48mm-55mm ;或者在此基礎上增設第三級，第三級遮光筒直徑為55mm-60mm,長度為75mm-80mm ；
[0021]掃描反射鏡的遮光板的長度為30mm-50mm。
[0022]所述帶通濾光片的光學特性為:
[0023]在600nm-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%,在200-570nm譜段內(nèi)，
帶通濾光片透過率T ≤ 2% ；
[0024]在700nm-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%,在200-670nm譜段內(nèi)，
帶通濾光片透過率T ≤ 2% ；
[0025]在600nm-900nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%,在200-570nm譜段內(nèi)，帶
通濾光片透過率T ≤ 2% ；
[0026]在930-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T ≤ 2%。
[0027]主鏡遮光罩、次鏡遮光罩、遮光筒、掃描反射鏡的遮光板的材料均為招合金，表面處理均為噴砂和噴涂消光漆。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:[0029]1、本發(fā)明利用掃描反射鏡進行視場掃描，掃描反射鏡通過15°?42.5°的旋轉，可以觀測天頂30°?85°空域之間的區(qū)域，系統(tǒng)瞬時視場小于30'，可以有效增加星跟蹤器的探測區(qū)域和減小視場外的雜散光水平。
[0030]2、本發(fā)明設計掃描光路與成像光路部分重疊，使得光學系統(tǒng)的總長度更短，達到了小型化的目的。
[0031]3、本發(fā)明通過在成像光路中設置多級遮光罩防止外界雜散光直接進入像面，有效的減小雜散光對光學系統(tǒng)探測性能的影響，進一步保證了白天和晚上全天時恒星觀測的能力。
[0032]4、本發(fā)明主次鏡材料均采用熔融石英JGSl或者微晶材料，材料熱膨脹系數(shù)(10_6/k，光學環(huán)境溫度的變化對主反射鏡和次反射鏡的面型影響較小。
[0033]5、本發(fā)明主次反射鏡之間可采用三桿銦鋼材料進行支撐，銦鋼材料的熱膨脹系數(shù)(10_7/k，因此，在工作環(huán)境溫度-30°C?+60°C范圍內(nèi)，主次鏡之間的間隔變化在μ m量級。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明全天時小型化恒星追蹤器光學系統(tǒng)示意圖；
[0035]其中附圖標記為:1-掃描反射鏡，2-主反射鏡，3-次反射鏡，4-校正鏡，5-帶通濾光片，6-主鏡遮光罩，7-次鏡遮光罩，8-光路中的兩級或者三級遮光筒，9-掃描反射鏡遮光板。
[0036]圖2為圖1中掃描反射鏡(I)的外形圖。
[0037]圖3為采用本發(fā)明光學系統(tǒng)其最佳像面不同視場彌散斑能量分布曲線圖。
[0038]圖4為采用本發(fā)明光學系統(tǒng)其最佳像面畸變網(wǎng)格圖。
[0039]圖5為本發(fā)明光學系統(tǒng)的不同離軸角雜散光PST仿真曲線圖。
【具體實施方式】
[0040]本發(fā)明預期掃描視場為30°到80°，全天時可以觀測到3Mv星以上，系統(tǒng)總長度控制在250_以內(nèi)。由于需要在白天對恒星等微弱目標進行觀測，這是一個對光學系統(tǒng)雜散光指標要求很高的光學系統(tǒng)。
[0041]本發(fā)明利用掃描反射鏡進行視場掃描，通過15°?42.5°的旋轉，可以觀測天頂30°?85°空域之間的區(qū)域，通過掃描光路和成像光路進行重疊來保證光學系統(tǒng)的總長度，從而滿足小型化的需求。不過，這在很大程度上增加了光學系統(tǒng)抑制雜散光的負擔。因此，在雜散光抑制設計方面，成為了 一個設計難點。
[0042]本發(fā)明考慮采用主、次鏡遮光罩、掃描反射鏡遮光板對雜散光進行遮擋，并且為了減小非掃描視場外的雜散光影響，在成像光路中設計兩級或者三級圓筒型遮光罩，阻擋非正常光線進入系統(tǒng)像面。遮光罩表面采用噴砂發(fā)黑的表面處理形式來增加對雜光的吸收能力。
[0043]為了滿足光學系統(tǒng)在不同的溫度條件下均能正常工作，主反射鏡和次反射鏡均選用膨脹系數(shù)非常小的熔融石英JGSl或者是微晶材料，減小溫度變化對鏡面面型的影響，并且選擇銦鋼作為主反射鏡和次反射鏡之間的連接材料，因為銦鋼熱膨脹系數(shù)非常小，為io-6/k量級，可以有效的降低溫度變化對主反射鏡和次反射鏡之間間隔的影響。[0044]采用折反射光學系統(tǒng)，主反射鏡采用二次非球面，次鏡采用球面，利用校正鏡在校正光學系統(tǒng)的球差和擴大系統(tǒng)視場，實現(xiàn)系統(tǒng)焦距為800mm,入瞳直徑大于60mm,瞬時視場角小于10'的全天時小型化星跟蹤光學系統(tǒng)。
[0045]如圖1所示本發(fā)明的基本光路結構，以下給出一個具體示例來詳細闡述本發(fā)明，該示例不應視為對本發(fā)明權利要求的限制。
[0046]掃描反射鏡(I)的光學特性為:
[0047]掃描反射鏡為平面，表面面型RMS誤差為1/30-1/50 λ ;
[0048]主反射鏡(2)的光學特性為:
[0049]主反射鏡面型為凹的二次非球面，表面頂點半徑200mm< 300mm之間，表面面型RMS誤差為1/20-1/50 λ ;
[0050]次反射鏡(3 )的光學特性為:
[0051 ] 次反射鏡面型為凸的球面或者是凸的二次非球面，表面頂點半徑35mm 80mm之間；
[0052]校正鏡(4)的光學特性為:
[0053]彎月形凸透鏡,焦距350mm〈f’ <600mm。
[0054]帶通濾光片(5)的光學特性為:
[0055]在600nm-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤90%,在200-570nm譜段內(nèi)，
帶通濾光片透過率T ( 2%。
[0056]在700nm-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤90%,在200-670nm譜段內(nèi)，
帶通濾光片透過率T ( 2%。
[0057]在600nm-900nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤90%,在200-570nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤2%。在930-I IOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤2%。
[0058]主鏡遮光罩(6)的結構特性為:
[0059]從主反射鏡表面頂點處到主鏡遮光罩另一端長度為40mm-55mm之間，形狀圓錐筒形。
[0060]次鏡遮光罩(7 )特性為:
[0061]從次反射鏡表面頂點處到次鏡遮光罩另一端長度為8mm-15mm之間。
[0062]所述光路中兩級或者三級遮光筒(8)的結構特性為:
[0063]兩級或者三級圓筒形，第一級遮光筒直徑為26mm-35mm，長度大約為25mm-30mm,第二級遮光筒直徑為38mm-42mm,長度大約為48mm-55mm ;如果是三級,則在第二級的外圍設置第三級遮光筒，第三級遮光筒直徑為55mm-60mm,長度大約為75mm-80mm。每一級筒壁厚度< 1mm。
[0064]所述光路中掃描反射鏡遮光板(9)的結構特性為:
[0065]從掃描反射鏡邊緣垂直反射鏡伸出帽檐形遮光板，伸出長度為30mm-50mm之間。
[0066]掃描反射鏡(I)的材料為熔融石英材料JGS1，形狀可為長八邊形或者為橢圓形。掃描反射鏡(I)沿光軸為旋轉中心掃描角度為15°到42.5° ;
[0067]主反射鏡(2)的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，次反射鏡
(3)的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，校正鏡(4)材料為輕冕光學玻璃材料H-QK3L，帶通濾光片(5)的材料為熔融石英材料JGSl或者為有色玻璃HB550、HB650。[0068]主反射鏡(2)與次反射鏡(3)之間采用3桿連接，連接桿材料采用銦鋼。主反射鏡
(2)與次反射鏡(3)之間的間隔70mm ≤LI ≤90mm。
[0069]全天時小型化恒星追蹤器的瞬時視場不大于60'，系統(tǒng)焦距600mm≤F≤1000mm，
有效入瞳直徑大于60mm，次鏡遮攔比< 20%。
[0070]主鏡遮光罩(6 )、次鏡遮光罩(7 )、光路中的兩級或者三級遮光筒(8 )、掃描反射鏡遮光筒(9 )的材料為鋁合金，它們的表面處理均為噴砂和噴涂消光漆。
[0071]掃描反射鏡光路部分同主次鏡成像光路部分在30°-50°掃描視場時存在光路重疊來滿足系統(tǒng)小型化的要求，如附圖1所示。
[0072]全天時小型化恒星追蹤器從掃面反射鏡(I)中心到系統(tǒng)像面的長度180mm≤ L≤220mm 之間。
[0073]如圖1所示，掃描反射鏡(I)采用八邊形的結構形式，沿光軸在15°-42.5°之間進行掃描，通過二次非球面主反射鏡(2)和凸球面反射鏡(3)以及校正鏡(3)、600nm-IlOOnm帶通濾光片(5)對恒星目標進行探測成像，可以觀測天頂30°-85°空域之間的區(qū)域。
[0074]下表I為采用本實施例光學系統(tǒng)的主要指標其最佳像面全視場內(nèi)不同色光相對中心波長0.8 μ m的色偏差值。
[0075]表I其它色光彌散斑質量中心相對于0.8 μ m波長色偏差值y ( μ m)
[0076]
【權利要求】
1.一種全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:包括沿成像光路光軸依次設置的成像單元、帶通濾光片(5)、主反射鏡(2)、次反射鏡(3)以及掃描反射鏡(1)，所述主反射鏡(2)中心為通孔；其中，主反射鏡(2)面型為凹的二次非球面，次反射鏡(3)面型為凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次經(jīng)過掃描反射鏡(I)、主反射鏡(2)、次反射鏡(3)完成三次反射后再經(jīng)主反射鏡(2)的中心通孔、帶通濾光片(5)出射至成像單元；所述入射光的光路與所述成像光路在30°?50°掃描視場時存在部分光路重疊以滿足系統(tǒng)小型化；主反射鏡(2)面向次反射鏡(3)延伸設置有圓錐筒形主鏡遮光罩(6)，次反射鏡(3)面向主反射鏡(2)延伸設置有圓錐筒形次鏡遮光罩(7)，掃描反射鏡邊緣垂直延伸設置有遮光板(9)。
2.根據(jù)權利要求1所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:所述掃描反射鏡(I)形狀為長八邊形或者為橢圓形。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:在主鏡遮光罩(6)內(nèi)還設置有校正鏡(4)，用以校正光學系統(tǒng)的球差和擴大系統(tǒng)視場。
4.根據(jù)權利要求3所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:掃描反射鏡(I)的材料為熔融石英材料JGSl，主反射鏡(2)的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，次反射鏡(3)的材料為熔融石英材料JGSl或者為微晶光學玻璃材料，校正鏡(4)材料為輕冕光學玻璃材料H-QK3L，帶通濾光片(5)的材料為熔融石英材料JGSl或者為有色玻璃HB550、HB650。
5.根據(jù)權利要求3所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:主反射鏡(2)與次反射鏡(3)之間采用三桿連接方式，連接桿材料采用銦鋼。
6.根據(jù)權利要求3所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:次反射鏡(3)的外圍還設置有至少一級遮光筒(8 )。
7.根據(jù)權利要求6所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:主反射鏡(2)的表面頂點半徑200mm?300mm ;次反射鏡(3)的表面頂點半徑35mm?80mm ;校正鏡(4)采用彎月形凸透鏡，焦距350mm〈f’ <600mm ； 從掃面反射鏡(I)中心到成像單元的成像面的距離為180mm?220mm，主反射鏡(2)與次反射鏡(3)之間距離為70mm?90mm ； 主鏡遮光罩(6)的尺寸為:從主反射鏡表面頂點到主鏡遮光罩末端長度為40mm?55mm ； 次鏡遮光罩(7)的尺寸為:從次反射鏡表面頂點到次鏡遮光罩末端長度為8mm?15mm ； 遮光筒(8)共有兩級，其結構特性為:第一級遮光筒直徑為26mm?35mm，長度為25mm?30mm,第二級遮光筒直徑為38mm?42mm,長度為48mm?55mm ;或者在此基礎上增設第三級，第三級遮光筒直徑為55mm?60mm,長度為75mm?80mm ； 掃描反射鏡的遮光板(9)的長度為30mm?50mm。
8.根據(jù)權利要求7所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于: 所述帶通濾光片(5)的光學特性為: 在600nm?IlOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%,在200?570nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T ≤ 2% ；在700nm?IlOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%，在200?670nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T ( 2% ； 在600nm?900nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≥90%,在200?570nm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T ( 2% ； 在930?IlOOnm譜段內(nèi)，帶通濾光片透過率T≤2%。
9.根據(jù)權利要求8所述的全天時小型化恒星跟蹤光學系統(tǒng)，其特征在于:主鏡遮光罩(6)、次鏡遮光罩(7)、遮光筒(8)、掃描反射鏡的遮光板(9)的材料均為招合金,表面處理均為噴砂和噴涂消光漆。
【文檔編號】G01C21/02GK103439792SQ201310390501
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權日:2013年8月30日
【發(fā)明者】王虎, 薛要克, 劉杰, 劉陽, 劉美瑩, 林上民, 楊少東, 張潔 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所