一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明及一種飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)所應(yīng)用的恒星測(cè)量敏感器，尤其是涉及一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)成像鏡頭（1）、消雜光光纖面板（2）和光電探測(cè)器（3）三部分；在焦平面處引入消雜光光纖面板（2）前端面，在消雜光光纖面板（2）的出口端面密貼光電探測(cè)器（3）；所述消雜光光纖面板（2）、光電探測(cè)器（3）感光面與光學(xué)成像鏡頭（1）光軸垂直。本發(fā)明由于采用了消雜光光纖面板，不但使星敏感器光學(xué)系統(tǒng)本身具有了消雜光功能，而且還可以使得現(xiàn)有技術(shù)中的遮光罩尺寸和重量大幅度減小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增強(qiáng)星敏感器的消雜光能力，并且減小了遮光罩得尺寸重量，節(jié)省成本和資源，更加便于星體上安裝。
【專利說(shuō)明】一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明及一種飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)所應(yīng)用的恒星測(cè)量敏感器，尤其是涉及一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]星敏感器是飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)所經(jīng)常采用的一種姿態(tài)測(cè)量敏感器，在飛行器控制領(lǐng)域發(fā)揮非常重要的作用。星敏感器一般由光學(xué)成像系統(tǒng)、CXD (Charge CoupledDevices,電荷稱合器件)或APS (Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)成像電子線路、DSP (Data Signal Processor,數(shù)字信號(hào)處理器)信息處理單元、星圖處理軟件、通訊接口等幾大部分構(gòu)成。其中光學(xué)系統(tǒng)完成將恒星成像在CCD焦平面上的功能。
[0005]星敏感器光學(xué)系統(tǒng)與一般的成像系統(tǒng)相比具有如下的特點(diǎn):
(I)對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)成像，不要求成像的細(xì)節(jié)，代之以較高的消色差和畸變水平，而且還要求像點(diǎn)在(XD/APS上占有至少2X2個(gè)像素，以便保證星點(diǎn)能量中心的準(zhǔn)確提取。
[0006](2)要求采用全分離式光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以防膠合面空間使用脫膠。
[0007](3)要求一定的彌散斑尺寸的調(diào)整能力，以便在標(biāo)定時(shí)確定最終的彌散斑大?。?br> (4)要求各個(gè)光譜的彌散斑能量中心誤差在規(guī)定以內(nèi)，一般不超過(guò)I微米；
(5)盡可能少的光學(xué)零件數(shù)目；
(6)盡可能小的鏡頭軸向尺寸和徑向尺寸；
(7)具有良好的內(nèi)部消雜光特性。
[0008]國(guó)內(nèi)外目前在該領(lǐng)域?qū)ζ溲芯抗ぷ髦饕幸韵路绞?，第一是?004年第2期光子學(xué)報(bào)上發(fā)表的“折反式大視場(chǎng)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)”;第二是在2004年第11期光子學(xué)報(bào)上發(fā)表的“輕小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”；第三是在2005年第12期光子學(xué)報(bào)上發(fā)表的“寬視場(chǎng)大相對(duì)孔徑星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”;第四件是ZL200610170214專利所提出的一種7片透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)。
[0009]上述已知技術(shù)均不完全具備以上所述的7個(gè)特點(diǎn)，而且都存在著各自的不足。
[0010]在“輕小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中提出的光學(xué)系統(tǒng)焦距22.7mm，相對(duì)孔徑1/1.4，視場(chǎng)角17.lo°X17.lo°,總長(zhǎng)度與焦距之比為2:1，雖然視場(chǎng)較大，但是沒(méi)有設(shè)計(jì)為近遠(yuǎn)心光路，對(duì)彌散斑調(diào)整帶來(lái)不便，另外像面位于最后一面的球心附近，易產(chǎn)生鬼像。
[0011]上述提出的一種折反射式星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)角Φ 200,入瞳直徑36.3mm,相對(duì)孔徑1/1.2，焦距為43.56mm。該系統(tǒng)雖具有色差校正良好，覆蓋譜段寬等優(yōu)點(diǎn)，其主要不足是外形尺寸較大，而且不是像方遠(yuǎn)心光路；
上述提到的寬視場(chǎng)大相對(duì)孔徑星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然視場(chǎng)較大，相對(duì)孔徑也較高，但是使用了 9片鏡片(包括一片窗口)，而且采用了一個(gè)空間系統(tǒng)應(yīng)避免采用的雙膠合結(jié)構(gòu)，而且也不是像方近遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，不便于彌散斑調(diào)整。[0012]上述已有專利提到的7片透鏡組成的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式雖然克服了許多缺點(diǎn)，但是在內(nèi)部消雜光特性方面沒(méi)有考慮。
[0013]綜上所述，現(xiàn)有的星敏感器設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題主要是沒(méi)有考慮系統(tǒng)內(nèi)部消雜光特性，外遮光罩給星敏感器帶來(lái)的缺點(diǎn)如下:
(1)遮光罩在星敏感器外部，尺寸重量較大，帶來(lái)發(fā)射成本增加和星上安裝的不便；
(2)外遮光罩消雜光能力不足。主要體現(xiàn)在雜光抑制角距離視場(chǎng)角較遠(yuǎn)，一般都在10°以上。
[0014]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的就是提供一種具有消雜光特性的具有中間像的新型的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，克服以往星敏感器光學(xué)系統(tǒng)本身不具備有消雜光特性而完全依賴遮光罩消雜光的問(wèn)題。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)成像鏡頭1、消雜光光纖面板2和光電探測(cè)器3三部分；在焦平面處引入消雜光光纖面板2前端面，在消雜光光纖面板2的出口端面密貼光電探測(cè)器3 ;所述消雜光光纖面板2、光電探測(cè)器3感光面與光學(xué)成像鏡頭I光軸垂直。
[0016]進(jìn)一步的，所述光學(xué)成像鏡頭I是一種具有像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的普通星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為2個(gè)至3個(gè)光電探測(cè)器像素尺寸的圓內(nèi)，具有小于5%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可選)分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段(譜段邊界可為0.45微米?0.85微米，0.5微米?0.8微米，0.5微米?0.85微米，并在此邊界基礎(chǔ)上再允許邊界在±0.05微米內(nèi)略微調(diào)整)，光學(xué)鏡頭的F數(shù)在4到1.2之間。
[0017]進(jìn)一步的，所述消雜光光纖面板2由若干具有5?20_長(zhǎng)度的光纖并齊緊密排列而成，可以成圓形，也可根據(jù)需要和探測(cè)器形狀，制成方形等形狀。所有光纖等長(zhǎng)排列，光纖面板的厚度就等于每根光纖的長(zhǎng)度，所有的光纖兩個(gè)端面均分別對(duì)齊，構(gòu)成兩個(gè)合成的大面積有效端面，原則上兩個(gè)大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，當(dāng)光學(xué)圖像在一個(gè)大端面進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)光纖內(nèi)部多次反射，在另一個(gè)大端面出射，這樣相當(dāng)于把光學(xué)成像面平移了光纖面板厚度的距離。
[0018]光纖面板采用的單根光纖直徑一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，還可以采用7微米和8微米的光纖，視需求而定，目前的工藝制作這樣的光纖是沒(méi)問(wèn)題的。光纖面板的端面口徑現(xiàn)有工藝可以達(dá)到從幾個(gè)厘米到幾十個(gè)厘米。光纖面板的后端面與探測(cè)器光敏面的固定采用粘接方式，采用光學(xué)樹(shù)脂膠即可，除了膠粘外，還要采用機(jī)械輔助固定，現(xiàn)將光纖面板的邊緣裝在金屬框架里，再與探測(cè)器之間保持一定的安裝調(diào)整手段即可。
[0019]進(jìn)一步的，所述光電探測(cè)器為APS CMOS或者CXD成像器件，并取下其前端的入射窗口。探測(cè)器窗口取下的方法有多種，一種是直接用刀片沿著窗口粘貼縫隙割下，一種是用溶劑把窗口粘結(jié)膠融化下來(lái)。
[0020]進(jìn)一步的，所述消雜光光纖面板2的厚度不小于光學(xué)鏡頭F數(shù)與有效端面直徑乘積的2倍。
[0021]進(jìn)一步的，所述消雜光光纖面板2不限定長(zhǎng)度，內(nèi)部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過(guò)光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進(jìn)入像面。
[0022]光學(xué)成像鏡頭的安裝與已有技術(shù)相同，光纖面板和探測(cè)器的安裝是通過(guò)光學(xué)粘接膠和結(jié)構(gòu)輔助支撐固定在探測(cè)器基座上，這樣本發(fā)明的成像結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)可安裝，因此是可實(shí)施的。
[0023]光學(xué)成像鏡頭的半視場(chǎng)是ω，焦距是f'，消雜光光纖面板的端面直徑為D，探測(cè)器的對(duì)角線尺寸一般不大于D。并且。
[0024]這種新的成像結(jié)構(gòu)克服了以往星敏感器成像結(jié)構(gòu)那種從光學(xué)成像鏡頭直接到探測(cè)器感光面的設(shè)計(jì)思想，而是首先將光學(xué)成像鏡頭像成像到一個(gè)消雜光光纖面板前端面上，再經(jīng)過(guò)光纖面板內(nèi)部多次反射選擇入射方向在一定范圍內(nèi)的光線，在光纖面板后端面上，也就是出射端面上密貼上光電探測(cè)器感光面，感知由光纖面板出射的光能量。這種成像結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，可以利用消雜光光纖面板選擇性通過(guò)某一范圍傳播方向的光線，使得強(qiáng)雜光源來(lái)的雜光，由于不滿足消雜光光纖面板的傳播方向范圍而不能傳播到光纖面板的出射端面，從而起到消雜光的作用。由于采用了消雜光光纖面板，不但使星敏感器光學(xué)系統(tǒng)本身具有了消雜光功能，而且還可以使得現(xiàn)有技術(shù)中的遮光罩尺寸和重量大幅度減小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增強(qiáng)星敏感器的消雜光能力，并且減小了遮光罩得尺寸重量，節(jié)省成本和資源，更加便于星體上安裝，因此其技術(shù)優(yōu)勢(shì)是明顯的，具有很強(qiáng)的創(chuàng)造性。
[0025]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1本發(fā)明星敏感器成像結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]其中:I一光學(xué)成像鏡頭示意結(jié)構(gòu)；2—消雜光光纖面板；3—光電探測(cè)器；4一光學(xué)粘接膠；5—探測(cè)器安裝電路板基座；6—光學(xué)成像鏡頭結(jié)構(gòu)；7—鏡頭安裝孔；8—光纖面板安裝結(jié)構(gòu)。
[0028]
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]參看附圖1，本發(fā)明提出一種具有內(nèi)消雜光特性的綜合性能優(yōu)良的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)成像結(jié)構(gòu)，在焦平面處引入一種消雜光光纖面板2，在光纖面板的出口面密貼光電探測(cè)器3。所述成像結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)成像鏡頭1、消雜光光纖面板2、光電探測(cè)器3三部分構(gòu)成。
[0031]所述光學(xué)鏡頭是一種具有像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的普通星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為2個(gè)至3個(gè)光電探測(cè)器像素尺寸的圓內(nèi)，具有小于5%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可選)分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段(譜段邊界可為0.45微米85微米，0.5微米8微米，0.5微米85微米，并在此邊界基礎(chǔ)上再允許邊界在±0.05微米內(nèi)略微調(diào)整)，光學(xué)鏡頭的F數(shù)在4到1.2之間；以上所述鏡頭一般光學(xué)設(shè)計(jì)師可以在CODE-V和ZEMAX等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的輔助下設(shè)計(jì)出來(lái)。
[0032]所述的消雜光光纖面板由若干具有一定長(zhǎng)度的光纖并齊緊密排列而成，所有光纖等長(zhǎng)排列，光纖面板的厚度就等于每根光纖的長(zhǎng)度，所有的光纖兩個(gè)端面均分別對(duì)齊，構(gòu)成兩個(gè)合成的大面積有效端面，原則上兩個(gè)大的有效端面是以一定的公差平行分布，當(dāng)光學(xué)圖像在一個(gè)大端面進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)光纖內(nèi)部多次反射，在另一個(gè)大端面出射，這樣相當(dāng)于把光學(xué)成像面平移了光纖面板厚度的距離。光纖面板的厚度確定可有兩種方式，一種是不小于光學(xué)鏡頭F數(shù)與有效端面直徑乘積的2倍，另一種方式是不限定長(zhǎng)度，但是應(yīng)在光纖面板內(nèi)部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過(guò)光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進(jìn)入像面。光纖面板的厚度確定可有兩種方式，一種是不小于光學(xué)鏡頭F數(shù)與有效端面直徑乘積的2倍，另一種方式是不限定長(zhǎng)度，但是應(yīng)在光纖面板內(nèi)部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過(guò)光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進(jìn)入像面。光纖面板采用的單根光纖直徑一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，還可以采用7微米和8微米的光纖，視需求而定，目前的工藝制作這樣的光纖是沒(méi)問(wèn)題的。光纖面板的端面口徑現(xiàn)有工藝可以達(dá)到從幾個(gè)厘米到幾十個(gè)厘米。光纖面板的后端面與探測(cè)器光敏面的固定采用粘接方式，采用光學(xué)樹(shù)脂膠即可，除了膠粘外，還要采用機(jī)械輔助固定，現(xiàn)將光纖面板的邊緣裝在金屬框架里，再與探測(cè)器之間保持一定的安裝調(diào)整手段即可。
[0033]所述光電探測(cè)器是一種普通的APS CMOS或者CXD成像器件，也可以是紅外和紫外等其它器件，所不同的是前端的入射窗口需要取下。探測(cè)器窗口取下的方法有多種，一種是直接用刀片沿著窗口粘貼縫隙割下，一種是用溶劑把窗口粘結(jié)膠融化下來(lái)。
[0034]實(shí)施例1
光學(xué)成像鏡頭性能參數(shù)確定:視場(chǎng)2ω=15° ;焦距f' =64mm，相對(duì)孔徑=1/2，光譜段0.45微米85微米，具有像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為2個(gè)至3個(gè)光電探測(cè)器像素尺寸的圓內(nèi)，具有小于1%的畸變差，具有小于1/3像素的倍率色差，具有8mm范圍的后截距，具有7片分離鏡片。
[0035]光纖面板有效端面直徑18mm，厚度為5mm，光纖直徑為6微米，光纖之間隙填充黑色吸光物質(zhì)，探測(cè)器感光面尺寸為IlmmX 11mm，光學(xué)粘接膠采用光學(xué)環(huán)氧膠。
[0036]實(shí)施例2
光學(xué)成像鏡頭性能參數(shù)確定:視場(chǎng)2ω=15° ;焦距f' =64mm，相對(duì)孔徑=1/2，光譜段0.45微米85微米，具有像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為2個(gè)至3個(gè)光電探測(cè)器像素尺寸的圓內(nèi)，具有小于1%的畸變差，具有小于1/3像素的倍率色差，具有8mm范圍的后截距，具有7片分離鏡片。
[0037]光纖面板有效端面直徑18mm,厚度為68mm,光纖直徑為6微米,光纖之間隙填充黑色吸光物質(zhì)，光纖面板的外圓噴涂無(wú)光黑漆或者其它吸光材料(如碳納米管和石墨烯等)探測(cè)器感光面尺寸為IlmmX 11mm，光學(xué)粘接膠采用光學(xué)環(huán)氧膠。
[0038]上述的說(shuō)明，僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，非為限定本發(fā)明的實(shí)施例；凡熟悉該項(xiàng)技藝的人士，其所依本發(fā)明的特征范疇，所作出的其它等效變化或修飾，如尺寸大小、材料選擇、或形狀變化等，皆應(yīng)涵蓋在以下本發(fā)明所申請(qǐng)專利范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括光學(xué)成像鏡頭(I)、消雜光光纖面板(2)和光電探測(cè)器(3)三部分；在焦平面處引入消雜光光纖面板(2)前端面，在消雜光光纖面板(2)的出口端面密貼光電探測(cè)器(3);所述消雜光光纖面板(2)、光電探測(cè)器(3)感光面與光學(xué)成像鏡頭(I)光軸垂直。
2.如權(quán)利要求1所述一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述光學(xué)成像鏡頭(I)是一種具有像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的普通星敏感器光學(xué)系統(tǒng)，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為2個(gè)至3個(gè)光電探測(cè)器像素尺寸的圓內(nèi)，具有小于5%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距,具有多片分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段，光學(xué)鏡頭的F數(shù)在4到1.2之間。
3.如權(quán)利要求1所述一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述消雜光光纖面板(2)由若干具有有5?20_長(zhǎng)度的光纖并齊緊密排列而成，所有光纖等長(zhǎng)排列，光纖面板的厚度就等于每根光纖的長(zhǎng)度，所有的光纖兩個(gè)端面均分別對(duì)齊，構(gòu)成兩個(gè)合成的大面積有效端面，原則上兩個(gè)大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，當(dāng)光學(xué)圖像在一個(gè)大端面進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)光纖內(nèi)部多次反射，在另一個(gè)大端面出射，這樣相當(dāng)于把光學(xué)成像面平移了光纖面板厚度的距離。
4.如權(quán)利要求1所述一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述光電探測(cè)器為APSCMOS或者CXD成像器件，并取下其前端的入射窗口。
5.如權(quán)利要求1所述一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述消雜光光纖面板(2)的厚度不小于光學(xué)鏡頭F數(shù)與有效端面直徑乘積的2倍。
6.如權(quán)利要求1所述一種星敏感器成像結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述消雜光光纖面板(2)不限定長(zhǎng)度，內(nèi)部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過(guò)光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進(jìn)入像面。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK103743387SQ201310700784
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】郝云彩 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所