本發明涉及一種星敏感器用光學系統，屬于光學工程范疇。

背景技術：

星敏感器以恒星為測量目標，通過光學系統將恒星成像于光電轉換器上，輸出信號經過A/D轉換送數據處理單元，經星點提取和星圖識別，確定星敏感器光軸矢量在慣性坐標系下的指向，通過星敏感器在飛行器、星光導航系統及艦船的上的安裝矩陣，確定其在慣性坐標系下的三軸姿態。

星敏感器一般由遮光罩、光學系統、探測器組件及其電路、數據處理電路、二次電源、軟件(系統軟件、應用軟件及星表)、主體結構和基準鏡等組成。

星敏感器光學系統對星敏感器的整機性能，特別是精度等核心性能有著重要影響，光學系統性能的降低將帶來整機精度、靈敏度等核心指標的降低，因此光學系統是星敏感器的關鍵部件之一。相比較于常用的照相物鏡，星敏感器用光學系統的觀測目標是恒星目標，恒星目標一般具有寬光譜、低照度的特點；同時為了提高整機對恒星像點的定位精度，光學系統需將恒星目標在光電探測器上，恒星像點應接近高斯分布。

由于星敏感器用于空間環境，因此光學系統在滿足成像性能的同時，需具有較好的抗力學性能，耐高溫差能力和抗宇宙輻射能力等。這些要求使得星敏感器光學系統在材料選擇、結構設計等方面有較大限制。

根據星敏感器整機和恒星目標的特點，星敏感器光學系統設計難度較大，對結構設計、系統裝調等要求很高，星敏感器光學系統的相關設計及裝調技術是星敏感器的核心技術之一。

星敏感器光學系統一般使用復雜化的光學系統、甚至非球面光學系統保證光學系統具有良好的成像性能。光學系統復雜化后一般體積重量較大。光學系統體積重量變大后，使得星敏感器需進行結構加固設計才能滿足光學系統的穩定性等要求，導致星敏感器產品的整機體積和重量較大，不利星敏感器整機的輕量化。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種小型化高精度星敏感器用光學系統，具有寬光譜、大視場、大相對孔徑特點，滿足了工作于空間惡劣溫度環境下的高精度星敏感器的姿態測量需求。

本發明所采用的技術方案是：一種小型化高精度星敏感器用光學系統，包括依次排列的第一透鏡、第二透鏡、孔徑光闌、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡、探測器保護玻璃和光電探測器；入射光線從第一透鏡入射，第一透鏡為正透鏡，收集目標的發射光線，并將目標發出的光能量匯聚后入射至第二透鏡上；第二透鏡為正透鏡，用于校正第一透鏡產生的球差；第三透鏡對第二透鏡發出的光能量進行像差校正后發送給第四透鏡；第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡對光學系統焦距進行修正，并對第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的像差進行校正；光電探測器對接收的光能量進行探測；第四透鏡、第五透鏡均為正透鏡，第三透鏡、第六透鏡均為負透鏡。

所述光學系統焦距為37.6mm，入瞳直徑為34mm，F數為1.1，全視場角為17°；第一透鏡頂點距光電探測器的總長度為62.7mm，光學系統焦距與長度的比例為1:2。

所述第一透鏡前表面曲率半徑57.94mm，后表面曲率半徑-192.31mm，透鏡中心厚度5mm，外輪廓直徑38mm，材料為熔石英材料；

第二透鏡前表面曲率半徑31.05mm，后表面曲率半徑81.41mm，透鏡中心厚度6mm，外輪廓直徑35mm，玻璃牌號為ZK9；

第三透鏡前表面曲率半徑-45mm，后表面曲率半徑32.29mm，透鏡中心厚度4.5mm，外輪廓直徑29.4mm，玻璃牌號為ZF4；

第四透鏡前表面曲率半徑37mm，后表面曲率半徑-44.06mm，透鏡中心厚度8.5mm，外輪廓直徑33mm，玻璃牌號為LAK3；

第五透鏡前表面曲率半徑26.92mm，后表面曲率半徑-161.81mm，透鏡中心厚度6.9mm，外輪廓直徑24.4mm，玻璃牌號為LAK3；

第六透鏡前表面曲率半徑-28.25mm，后表面曲率半徑42.46mm，透鏡中心厚度2.5mm，外輪廓直徑17mm，玻璃牌號為ZF4。

所述探測器保護玻璃為平板玻璃，厚度為1mm，玻璃牌號為BK7。

所述第一透鏡和第二透鏡空氣間隔為0.5mm；所述第二透鏡和孔徑光闌空氣間隔為2mm；所述孔徑光闌和第三透鏡空氣間隔為4.5mm；所述第三透鏡和第四透鏡空氣間隔為2.3mm；所述第四透鏡和第五透鏡空氣間隔為12.5mm；所述第五透鏡和第六透鏡空氣間隔為3mm；所述第六透鏡和探測器保護玻璃空氣間隔為3.42mm；所述探測器保護玻璃和光電探測器空氣間隔為0.5mm。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)本發明光學系統F數為1.1，星敏感器常用的F數為1.2～2，本發明具有較小的F數，可以收集更多的恒星光能量，有效提升星敏感器的探測靈敏度。

(2)本發明光學系統采用了無保護窗設計，避免了使用保護窗帶來的光學系統體積和重量增加的問題。

(3)本發明光學系統畸變較小，最大絕對畸變優于5um，可以減小光學系統對恒星成像后星點位置偏差對星敏感器精度的影響。

(4)本發明光學系統可以工作于-50℃～+70℃的溫度環境。在該工作溫度范圍內的最大離焦量約為0.05mm，且具有良好的像質，使光學系統具有良好的空間環境適應性。

(5)本發明光學系統中各透鏡均為球面透鏡。球面透鏡的加工及裝調方法已經比較成熟，零件加工難度較低。系統的研制周期和研制成本較非球面光學系統大大降低。

附圖說明

圖1為本發明光學系統組成結構示意圖。

具體實施方式

星敏感器一般由遮光罩、光學系統、探測器組件及其電路、數據處理電路、二次電源、軟件(系統軟件、應用軟件及星表)、主體結構和基準鏡等組成。

星敏感器使用光學系統將恒星目標的能量進行會聚，會聚后的星點能量成像于星敏感器探測器上進行后續的圖像處理及姿態數據輸出。因此光學系統的成像質量、體積重量、空間環境適應性是評估星敏感器光學系統的關鍵指標。

如圖1所示，本發明光學系統由六片透鏡組成，光學系統由左至右依次包括第一透鏡1、第二透鏡2、孔徑光闌3、第三透鏡4、第四透鏡5、第五透鏡6、第六透鏡7、探測器保護玻璃8和光電探測器9；

光學系統工作光譜范圍為0.5μm～0.9μm，系統焦距37.6mm，入瞳直徑34mm，全視場17°，工作溫度為-50℃～+70℃。

光學系統工作光譜范圍較寬，為了校正系統中色差，系統整體透鏡采用了“++-++-”結構。

入射光線從第一透鏡1入射，第一透鏡1為正透鏡，用于收集目標的發射光線，并將目標發出的光能量匯聚后入射至第二透鏡2上；第一透鏡1材料選用熔石英材料；第二透鏡2為正透鏡，用于校正第一透鏡1產生的球差；孔徑光闌3位于光學系統第二透鏡2和第三透鏡4之間；第三透鏡4對第二透鏡2發出的光能量進行像差校正后發送給第四透鏡5；第四透鏡5、第五透鏡6和第六透鏡7用于修正光學系統焦距，并對第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡4的像差進行校正；探測器保護玻璃8起到保護作用，光電探測器9對接受的光能量進行探測。所述第四透鏡5、第五透鏡6均為正透鏡，第三透鏡4、第六透鏡7為負透鏡。

探測器保護玻璃8位于探測器內，用于避免探測器受灰塵及其他多余物影響。光電探測器9是系統探測器位置，用于放置星敏感器探測器。

本發明光學系統孔徑光闌3位置靠前，可以減小光學系統、特別是孔徑光闌3前的各透鏡的通光孔徑。光學系統中各鏡片通光孔徑的減小可以減小各鏡片的體積和重量，同時帶來光學系統體積和重量的減小。

第一透鏡1材料使用熔石英材料。使用熔石英材料即可以校正光學系統像差，亦可保護光學系統中各透鏡。使得光學系統中無需單獨設置保護玻璃，可以進一步減小光學系統的重量。光學系統第一透鏡1頂點距光電探測器9的總長度約為62.7mm，光學系統焦距與長度的比例約為1:2。透射式光學系統焦距與長度的比值一般在1:3以上，因此本發明具有較小的長度和體積。

本發明實施例中，第一透鏡1前表面曲率半徑57.94mm，后表面曲率半徑-192.31mm，透鏡中心厚度5mm，外輪廓直徑38mm，材料使用熔石英材料；第二透鏡2前表面曲率半徑31.05mm，后表面曲率半徑81.41mm，透鏡中心厚度6mm，外輪廓直徑35mm，玻璃牌號為ZK9；第三透鏡3前表面曲率半徑-45mm，后表面曲率半徑32.29mm，透鏡中心厚度4.5mm，外輪廓直徑29.4mm，玻璃牌號為ZF4；第四透鏡5前表面曲率半徑37mm，后表面曲率半徑-44.06mm，透鏡中心厚度8.5mm，外輪廓直徑33mm，玻璃牌號為LAK3；第五透鏡6前表面曲率半徑26.92mm，后表面曲率半徑-161.81mm，透鏡中心厚度6.9mm，外輪廓直徑24.4mm，玻璃牌號為LAK3；第六透鏡7前表面曲率半徑-28.25mm，后表面曲率半徑42.46mm，透鏡中心厚度2.5mm，外輪廓直徑17mm，玻璃牌號為ZF4；探測器保護玻璃8為平板玻璃，厚度為1mm，玻璃牌號為BK7。

第一透鏡1和第二透鏡2空氣間隔為0.5mm；第二透鏡2和孔徑光闌3空氣間隔為2mm；孔徑光闌3和第三透鏡4空氣間隔為4.5mm；第三透鏡4和第四透鏡5空氣間隔為2.3mm；第四透鏡5和第五透鏡6空氣間隔為12.5mm；第五透鏡6和第六透鏡7空氣間隔為3mm；第六透鏡7和探測器保護玻璃8空氣間隔為3.42mm；探測器保護玻璃8和光電探測器9空氣間隔為0.5mm。

為了使得系統在工作溫度范圍內均具有良好的成像質量，在系統中盡量使用對溫度敏感度較低的玻璃材料，同時使用不同牌號的玻璃進行組合，對由于溫度變化帶來的像質影響進行抑制。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。