專利名稱：一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬光學領域，涉及一種動態(tài)星模擬器，尤其涉及一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)。
背景技術：
星模擬技術是研究模擬星體輻照特性及星體間相互位置關系的一門技術。應用星模擬技術研制的星模擬器是航天技術中衛(wèi)星空間環(huán)境模擬試驗的主要組成部分，星模擬器用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的導航光學星敏感器地面模擬試驗與標定。過去研制的各種星模擬器，主要是以靜態(tài)星模擬器為主，動態(tài)星模擬器的目標源均以液晶光閥為主。其中靜態(tài)星模動態(tài)模擬性能差，不能實時模擬不同天區(qū)的星圖變化情況；而動態(tài)星模其分辨率低，在有限焦距條件下模擬單星張角大，準直精度也較低。同時以 往的各種星模擬器都由于視場較小，或者視場大而畸變也偏大，故不能在像面大范圍精確模擬各種天區(qū)的星圖。因此，開展高精度、高分辨率、模擬單星張角小、高可靠性的動態(tài)大視場星模擬器作為課題研究，具有較高的實用價值。

發(fā)明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提出了一種能夠有效的在實驗室內高精度、動態(tài)模擬各種天區(qū)星圖的變化的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明提供了一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特殊之處在于所述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)包括光源、PBS(偏振光分光棱鏡)、LC0S(硅基液晶)組、星模擬器平行光光學系統(tǒng)以及星圖控制及光源控制器；所述光源、PBS以及LCOS組依次設置于同一光路上；所述PBS與星模擬器平行光光學系統(tǒng)設置于同一光路上；所述星圖控制及光源控制器和LCOS電性連接。上述LCOS組包括第一 LCOS以及第二 LCOS ;所述光源經(jīng)PBS后分為反射光以及透射光；所述反射光經(jīng)PBS反射后入射至第一 LCOS ;所述透射光經(jīng)PBS透射后入射至第二LCOS。上述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括設置在PBS與LCOS組之間的1/4波片組。上述1/4波片組包括第一 1/4波片以及第二 1/4波片；所述第一 1/4波片設置于PBS與第一 LCOS之間；所述第二 1/4波片設置于PBS與第二 LCOS之間。上述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括偏振片，所述偏振片設置于光源和PBS之間。上述星模擬器平行光光學系統(tǒng)包括第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡；所述第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡依次設置于同一光軸上；所述第一負透鏡設置于PBS的出射光路上。
上述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括光闌，所述光闌與第五正透鏡設置于同一光路上。上述PBS、第一負透鏡以及第一正透鏡依次設置于同一光軸上。上述光源是均勻光源，一般可采用均勻積分球或LED面均勻發(fā)光體。上述星圖控制及光源控制器分別是指控制不同天區(qū)星體變化的模擬軟件及星等能量控制的仿真器。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明主要圍繞星模擬技術開展研究，完成了一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)的設計；該星模擬器光學系統(tǒng)的設計，解決了高精度大視場星圖的星間角間距動態(tài)模擬難題，為星敏感器在實驗室內完成大天區(qū)精確動態(tài)標定奠定了基礎，研究動態(tài)大視場小畸變星模擬器對衛(wèi)星上姿態(tài)測量關鍵部件導航光學星敏感器的質量考核、性能測試和生 產具有重要意義，具體而言，本發(fā)明的優(yōu)點是I、可動態(tài)模擬星圖。本發(fā)明所提供的動態(tài)大視場星模擬器光學系統(tǒng)，利用電動可變光闌可以使輸出光能進行衰減，模擬不同星等的輻照度，其星等模擬精度高，可實時模擬不同天區(qū)星圖的變化情況，具有動態(tài)星等模擬的功能。2、成像質量高。本發(fā)明所提供的動態(tài)大視場星模擬器光學系統(tǒng)，將原來的第四塊透鏡，分割成兩塊透鏡，增加了設計的變量參數(shù)，進而大大提高了光學系統(tǒng)在大視場、長焦距的前提下，仍然有很好的成像像質。該動態(tài)大視場星模擬器光學系統(tǒng)是一種大視場非對稱式光學結構，其像質優(yōu)良，畸變小于O. 05%,能量中心與主光線位置偏差小于8",光學系統(tǒng)準直性精度優(yōu)于10"，成像質量高。3、應用范圍廣。本發(fā)明所提供的動態(tài)大視場星模擬器光學系統(tǒng)，突破了以往星模擬器模擬星圖范圍小的缺陷，其可在短焦星模擬器中模擬大線視場星圖(焦距90mm)，線視場Φ22_，并且其質量輕、體積小，可與被測星敏感器連接在一起進行各種試驗，尤其是在環(huán)境試驗中，可配合模擬環(huán)境模擬真實天區(qū)的變化情況。


圖I是本發(fā)明所提供的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)的結構示意圖；圖2是本發(fā)明所采用的星模擬器光學系統(tǒng)的結構示意圖；其中I-光闌；2_星模擬器平行光光學系統(tǒng)；3_第四組鏡；12_PBS ;5-像面；6_CCD ;7-星敏感器光學系統(tǒng)；10-偏振片；11-均勻光源；13-第一 LCOS ; 14-第二 LCOS ; 15-1/4波片；16_星圖控制及光源控制器。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明提供了一種全新的非對稱式大視場長焦距結構的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，尤其是均勻光源、偏振片10、PBS12、LCOS組、1/4波片組、星模擬器平行光光學系統(tǒng)2以及星圖控制及光源控制器16 ;光源、偏振片10、PBS12U/4波片組以及LCOS組依次設置于同一光路上；PBS12與星模擬器平行光光學系統(tǒng)2設置于同一光路上；星圖控制及光源控制器16和LCOS組電性連接。(XD6是星敏感器光學系統(tǒng)的焦面組件，用于接收星敏感器光學系統(tǒng)所成的星體像。LCOS組包括第一 LC0S13以及第二 LC0S14 ;光源經(jīng)PBS12后分為反射光以及透射光；反射光經(jīng)PBS12反射后入射至第一 LC0S13 ;透射光經(jīng)PBS12透射后入射至第二 LC0S14。1/4波片組包括第一 1/4波片以及第二 1/4波片；第一 1/4波片設置于PBS12與第一 LC0S13之間；第二 1/4波片設置于PBS12與第二 LC0S14之間。星模擬器平行光光學系統(tǒng)2包括第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡；第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡依次設置于同一光軸上；第一負透鏡設置于PBS12的出射光路上。動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括光闌1，光闌I與第五正透鏡設置于同一光路上。
PBS、第一負透鏡以及第一正透鏡依次設置于同一光軸上。以往的星模擬器均采用光闌內置或光闌位于某塊透鏡邊框的結構，而該系統(tǒng)光闌設置在光學系統(tǒng)外，有利于與被測系統(tǒng)共用光闌；另外，該光學系統(tǒng)在設計時，將原來的第四塊透鏡，分割成兩塊透鏡(就是本發(fā)明中的第三正透鏡以及第二負透鏡)，增加了設計的變量參數(shù)，進而大大提高了光學系統(tǒng)在大視場、長焦距的前提下，仍然有很好的成像像質?？紤]到整個系統(tǒng)要求有高的模擬精度，并且能夠模擬較大的天區(qū)，故在設計整個星模擬器光學系統(tǒng)時，在像面采用LCOS光學拼接的方式來保證該系統(tǒng)具有較大的線視場。此設計方式，改變了傳統(tǒng)像面采用LCD或TFT模擬精度低，以及靶面線視場小的缺陷。該星模擬器的光學系統(tǒng)設計方案如圖2所示，星模擬器裝置設計原理如圖I所示。如圖2所示，在星敏感器進行測試時，將其星敏感器的光軸與星模擬器光軸調至平行，即星模擬器的光闌與星敏感器的入瞳重合。其中大視場動態(tài)星模擬器主要由星模擬器平行光光學系統(tǒng)2、均勻光源11、PBS12、第一 LC0S13、第二 LC0S14、星圖控制及光源控制器16組成。工作原理是圖2是一個高精度、大視場平行光管，該光學系統(tǒng)是一個非對稱式光闌外置結構；根據(jù)需要，在Plossl式靜態(tài)星模擬器光學系統(tǒng)上改型，將其第四塊正透鏡3分成兩塊正負透鏡組合，這樣的組合可使第四塊透鏡的光焦度變小，在一定程度上減小高級像差的引入；另外，正負透鏡組合可以在很大程度上校正色差對整個光學系統(tǒng)的影響。該光學系統(tǒng)比起以往的星模系統(tǒng)具有大視場、長焦距、小畸變等優(yōu)點。工作時，由在平行光管處的星點發(fā)出的光，經(jīng)平行光管準直后發(fā)出一束平行光，星敏感器光學系統(tǒng)7對著其出瞳拍攝，可在星敏感器的像面5處形成一幅星圖像，進而可標定星敏感器光學系統(tǒng)7的可靠性。系統(tǒng)具體工作原理是由均勻光源11發(fā)出的光線經(jīng)過偏振片10起偏后，到達PBS12的下表面，PBS12再將光線分成P光和S光，其中S光被反射，經(jīng)過1/4波片15到達第一 LC0S13上，P光透過PBS12和另一塊1/4波片15上打到第二 LC0S14上，此時可同時照亮兩個LCOS (照亮后的LCOS可將打亮的星圖分別反射到星模器光學系統(tǒng)2中);然后通過星圖控制及光源控制器16可調整光源照度及控制模擬不同天區(qū)的星圖，從而使LCOS表面反射的光亮度及模擬星圖滿足不同天區(qū)的星模擬要求。由于該星模擬器要求模擬一個大天區(qū)星圖，在設計時，該星模擬器平行光光學系統(tǒng)2選用大視場平行光管系統(tǒng)，其像面尺寸為Φ 24_，而一般的LCOS像面尺寸沒有這么大，故需要選用兩個LCOS進行光學拼接，拼接方案如圖I所示。此時兩個LCOS分別位于星模擬器光學系統(tǒng)的共軛焦平面處，若通過光源照亮LC0S,則在星模擬器平行光光學系統(tǒng)2出口處發(fā)出一束平行光,對著光學系統(tǒng)光軸方向看去，正如來自無窮遠處的星光輻射，即動態(tài)星模擬器的工作原理。其中各部分的功能如下介紹均勻光源11主要為了提供模擬星圖發(fā)光的光能。偏振片10的作用是使光源發(fā)出的光線變成P光和S光。PBS12的作用是使光線被分光，即P光透過PBS12，S光在分光面被反射，行成兩束相互垂直的光線進行傳播。兩個1/4波片15的主要作用是使入射到LCOS表面的P光和S光被分別調制成S光和P光。兩個LCOS的作用是使入射到其表面的光打亮星圖控制及光源控制器16，然后將星圖控制及光源控制器16反射到星模擬器平行光光學系統(tǒng)2中，實現(xiàn)星模擬器的星圖模擬；另外，采用兩個LCOS的作用是為了實現(xiàn)大視場光學系統(tǒng)像面的光學拼接。準直光學系統(tǒng)采用的是大視場光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)的像質優(yōu)良，畸變小于O. 05%，能量中心與主光線位置偏差小于8"，光學系統(tǒng)準直性精度優(yōu)于10";準直光學系統(tǒng)主要是為了模擬無窮遠處的星點輻射。星圖控制及光源控制器16主要是通過計算機 控制單元實現(xiàn)不同天區(qū)星圖的變化，并且控制光源的輻亮度大小來模擬不同星等的發(fā)光特性。
該星模擬器的發(fā)明難度在于星模擬器平行光光學系統(tǒng)2的設計及大視場LCOS的拼接。圖I為該星模擬器平行光光學系統(tǒng)2的設計結果，其解決了大視場與小畸變的設計矛盾，設計了一種非對稱型光闌外置式大視場準直光學系統(tǒng)(該系統(tǒng)光闌與星敏感器光闌共用)，其中畸變、色差、彌散斑直徑、準直精度、能量中心與主光線位置偏差均滿足使用要求，具有良好的像質。另外，圖2中采用兩個LCOS實現(xiàn)了光學方式的大視場拼接，這種方法的采用彌補了現(xiàn)有器件尺寸太小的缺陷，具有突破性的創(chuàng)新。
權利要求
1.一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)包括光源、偏振光分光棱鏡PBS、娃基液晶LCOS組、星模擬器平行光光學系統(tǒng)以及星圖控制及光源控制器；所述光源、偏振光分光棱鏡PBS以及硅基液晶LCOS組依次設置于同一光路上；所述偏振光分光棱鏡PBS與星模擬器平行光光學系統(tǒng)設置于同一光路上；所述星圖控制及光源控制器和硅基液晶LCOS組電性連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述硅基液晶LCOS組包括第一硅基液晶LCOS以及第二硅基液晶LCOS ;所述光源經(jīng)偏振光分光棱鏡PBS后分為反射光以及透射光；所述反射光經(jīng)偏振光分光棱鏡PBS反射后入射至第一娃基液晶LCOS ;所述透射光經(jīng)偏振光分光棱鏡PBS透射后入射至第二硅基液晶LC0S。
3.根據(jù)權利要求2所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括設置在偏振光分光棱鏡PBS與娃基液晶LCOS組之間的1/4波片組。
4.根據(jù)權利要求3所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述1/4波片組包括第一 I/4波片以及第二 I/4波片；所述第一 I/4波片設置于偏振光分光棱鏡PBS與第一娃基液晶LCOS之間；所述第二 1/4波片設置于偏振光分光棱鏡PBS與第二娃基液晶LCOS之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括偏振片，所述偏振片設置于光源和偏振光分光棱鏡PBS之間。
6.根據(jù)權利要求1-5任一權利要求所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng),其特征在于所述星模擬器平行光光學系統(tǒng)包括第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡；所述第一負透鏡、第一正透鏡、第二正透鏡、第三正透鏡、第二負透鏡、第三負透鏡、第四正透鏡以及第五正透鏡依次設置于同一光軸上；所述第一負透鏡設置于PBS的出射光路上。
7.根據(jù)權利要求6所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)還包括光闌，所述光闌與第五正透鏡設置于同一光路上。
8.根據(jù)權利要求7所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述偏振光分光棱鏡PBS、第一負透鏡以及第一正透鏡依次設置于同一光軸上。
9.根據(jù)權利要求I所述的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，其特征在于所述光源是均勻光源，所述均勻光源是采用均勻積分球或LED面均勻發(fā)光體所得到的光源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)，包括光源、偏振光分光棱鏡PBS、硅基液晶LCOS組、星模擬器平行光光學系統(tǒng)以及星圖控制及光源控制器；光源、偏振光分光棱鏡PBS以及硅基液晶LCOS組依次設置于同一光路上；偏振光分光棱鏡PBS與星模擬器平行光光學系統(tǒng)設置于同一光路上；星圖控制及光源控制器和硅基液晶LCOS組電性連接。本發(fā)明提出了一種能夠有效的在實驗室內高精度、動態(tài)模擬各種天區(qū)星圖的變化的動態(tài)大視場小畸變星模擬器光學系統(tǒng)。
文檔編號G02B27/30GK102830498SQ20111016462
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權日2011年6月17日
發(fā)明者徐亮, 趙建科, 周艷, 劉峰, 胡丹丹 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所