一种星敏感器成像结构的利记博彩app
【专利摘要】本发明及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种星敏感器成像结构，包括光学成像镜头（1）、消杂光光纤面板（2）和光电探测器（3）三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板（2）前端面，在消杂光光纤面板（2）的出口端面密贴光电探测器（3）；所述消杂光光纤面板（2）、光电探测器（3）感光面与光学成像镜头（1）光轴垂直。本发明由于采用了消杂光光纤面板，不但使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，而且还可以使得现有技术中的遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增强星敏感器的消杂光能力，并且减小了遮光罩得尺寸重量，节省成本和资源，更加便于星体上安装。
【专利说明】一种星敏感器成像结构
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种星敏感器成像结构。
[0003]
【背景技术】
[0004]星敏感器是飞行器姿态控制系统所经常采用的一种姿态测量敏感器，在飞行器控制领域发挥非常重要的作用。星敏感器一般由光学成像系统、CXD (Charge CoupledDevices,电荷稱合器件)或APS (Active Pixel Sensor,有源像素传感器)成像电子线路、DSP (Data Signal Processor,数字信号处理器)信息处理单元、星图处理软件、通讯接口等几大部分构成。其中光学系统完成将恒星成像在CCD焦平面上的功能。
[0005]星敏感器光学系统与一般的成像系统相比具有如下的特点:
(I)对于点目标成像，不要求成像的细节，代之以较高的消色差和畸变水平，而且还要求像点在(XD/APS上占有至少2X2个像素，以便保证星点能量中心的准确提取。
[0006](2)要求采用全分离式光学结构设计，以防胶合面空间使用脱胶。
[0007](3)要求一定的弥散斑尺寸的调整能力，以便在标定时确定最终的弥散斑大小；
(4)要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定以内，一般不超过I微米；
(5)尽可能少的光学零件数目；
(6)尽可能小的镜头轴向尺寸和径向尺寸；
(7)具有良好的内部消杂光特性。
[0008]国内外目前在该领域对其研究工作主要有以下方式，第一是在2004年第2期光子学报上发表的“折反式大视场星敏感器光学系统”;第二是在2004年第11期光子学报上发表的“轻小型星敏感器光学系统设计”；第三是在2005年第12期光子学报上发表的“宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计”;第四件是ZL200610170214专利所提出的一种7片透镜组成的光学系统。
[0009]上述已知技术均不完全具备以上所述的7个特点，而且都存在着各自的不足。
[0010]在“轻小型星敏感器光学系统设计”中提出的光学系统焦距22.7mm，相对孔径1/1.4，视场角17.lo°X17.lo°,总长度与焦距之比为2:1，虽然视场较大，但是没有设计为近远心光路，对弥散斑调整带来不便，另外像面位于最后一面的球心附近，易产生鬼像。
[0011]上述提出的一种折反射式星敏感器光学系统，视场角Φ 200,入瞳直径36.3mm,相对孔径1/1.2，焦距为43.56mm。该系统虽具有色差校正良好，覆盖谱段宽等优点，其主要不足是外形尺寸较大，而且不是像方远心光路；
上述提到的宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计，虽然视场较大，相对孔径也较高，但是使用了 9片镜片(包括一片窗口)，而且采用了一个空间系统应避免采用的双胶合结构，而且也不是像方近远心光学系统，不便于弥散斑调整。[0012]上述已有专利提到的7片透镜组成的星敏感器光学系统结构形式虽然克服了许多缺点，但是在内部消杂光特性方面没有考虑。
[0013]综上所述，现有的星敏感器设计存在的问题主要是没有考虑系统内部消杂光特性，外遮光罩给星敏感器带来的缺点如下:
(1)遮光罩在星敏感器外部，尺寸重量较大，带来发射成本增加和星上安装的不便；
(2)外遮光罩消杂光能力不足。主要体现在杂光抑制角距离视场角较远，一般都在10°以上。
[0014]
【发明内容】
[0015]本发明的目的就是提供一种具有消杂光特性的具有中间像的新型的星敏感器光学系统，克服以往星敏感器光学系统本身不具备有消杂光特性而完全依赖遮光罩消杂光的问题。本发明是通过以下技术方案实现的:
一种星敏感器成像结构，包括光学成像镜头1、消杂光光纤面板2和光电探测器3三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板2前端面，在消杂光光纤面板2的出口端面密贴光电探测器3 ;所述消杂光光纤面板2、光电探测器3感光面与光学成像镜头I光轴垂直。
[0016]进一步的，所述光学成像镜头I是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于5%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段(谱段边界可为0.45微米?0.85微米，0.5微米?0.8微米，0.5微米?0.85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整)，光学镜头的F数在4到1.2之间。
[0017]进一步的，所述消杂光光纤面板2由若干具有5?20_长度的光纤并齐紧密排列而成，可以成圆形，也可根据需要和探测器形状，制成方形等形状。所有光纤等长排列，光纤面板的厚度就等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。
[0018]光纤面板采用的单根光纤直径一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，还可以采用7微米和8微米的光纤，视需求而定，目前的工艺制作这样的光纤是没问题的。光纤面板的端面口径现有工艺可以达到从几个厘米到几十个厘米。光纤面板的后端面与探测器光敏面的固定采用粘接方式，采用光学树脂胶即可，除了胶粘外，还要采用机械辅助固定，现将光纤面板的边缘装在金属框架里，再与探测器之间保持一定的安装调整手段即可。
[0019]进一步的，所述光电探测器为APS CMOS或者CXD成像器件，并取下其前端的入射窗口。探测器窗口取下的方法有多种，一种是直接用刀片沿着窗口粘贴缝隙割下，一种是用溶剂把窗口粘结胶融化下来。
[0020]进一步的，所述消杂光光纤面板2的厚度不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍。
[0021]进一步的，所述消杂光光纤面板2不限定长度，内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。
[0022]光学成像镜头的安装与已有技术相同，光纤面板和探测器的安装是通过光学粘接胶和结构辅助支撑固定在探测器基座上，这样本发明的成像结构可设计可安装，因此是可实施的。
[0023]光学成像镜头的半视场是ω，焦距是f'，消杂光光纤面板的端面直径为D，探测器的对角线尺寸一般不大于D。并且。
[0024]这种新的成像结构克服了以往星敏感器成像结构那种从光学成像镜头直接到探测器感光面的设计思想，而是首先将光学成像镜头像成像到一个消杂光光纤面板前端面上，再经过光纤面板内部多次反射选择入射方向在一定范围内的光线，在光纤面板后端面上，也就是出射端面上密贴上光电探测器感光面，感知由光纤面板出射的光能量。这种成像结构的优势在于，可以利用消杂光光纤面板选择性通过某一范围传播方向的光线，使得强杂光源来的杂光，由于不满足消杂光光纤面板的传播方向范围而不能传播到光纤面板的出射端面，从而起到消杂光的作用。由于采用了消杂光光纤面板，不但使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，而且还可以使得现有技术中的遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增强星敏感器的消杂光能力，并且减小了遮光罩得尺寸重量，节省成本和资源，更加便于星体上安装，因此其技术优势是明显的，具有很强的创造性。
[0025]
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1本发明星敏感器成像结构示意图。
[0027]其中:I一光学成像镜头示意结构；2—消杂光光纤面板；3—光电探测器；4一光学粘接胶；5—探测器安装电路板基座；6—光学成像镜头结构；7—镜头安装孔；8—光纤面板安装结构。
[0028]
【具体实施方式】
[0029]下面结合说明书附图，对本发明做进一步详细说明。
[0030]参看附图1，本发明提出一种具有内消杂光特性的综合性能优良的星敏感器光学系统成像结构，在焦平面处引入一种消杂光光纤面板2，在光纤面板的出口面密贴光电探测器3。所述成像结构主要由光学成像镜头1、消杂光光纤面板2、光电探测器3三部分构成。
[0031]所述光学镜头是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于5%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段(谱段边界可为0.45微米85微米，0.5微米8微米，0.5微米85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整)，光学镜头的F数在4到1.2之间；以上所述镜头一般光学设计师可以在CODE-V和ZEMAX等光学设计软件的辅助下设计出来。
[0032]所述的消杂光光纤面板由若干具有一定长度的光纤并齐紧密排列而成，所有光纤等长排列，光纤面板的厚度就等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以一定的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。光纤面板的厚度确定可有两种方式，一种是不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍，另一种方式是不限定长度，但是应在光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。光纤面板的厚度确定可有两种方式，一种是不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍，另一种方式是不限定长度，但是应在光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。光纤面板采用的单根光纤直径一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，还可以采用7微米和8微米的光纤，视需求而定，目前的工艺制作这样的光纤是没问题的。光纤面板的端面口径现有工艺可以达到从几个厘米到几十个厘米。光纤面板的后端面与探测器光敏面的固定采用粘接方式，采用光学树脂胶即可，除了胶粘外，还要采用机械辅助固定，现将光纤面板的边缘装在金属框架里，再与探测器之间保持一定的安装调整手段即可。
[0033]所述光电探测器是一种普通的APS CMOS或者CXD成像器件，也可以是红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。探测器窗口取下的方法有多种，一种是直接用刀片沿着窗口粘贴缝隙割下，一种是用溶剂把窗口粘结胶融化下来。
[0034]实施例1
光学成像镜头性能参数确定:视场2ω=15° ;焦距f' =64mm，相对孔径=1/2，光谱段0.45微米85微米，具有像方远心光学系统结构，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于1%的畸变差，具有小于1/3像素的倍率色差，具有8mm范围的后截距，具有7片分离镜片。
[0035]光纤面板有效端面直径18mm，厚度为5mm，光纤直径为6微米，光纤之间隙填充黑色吸光物质，探测器感光面尺寸为IlmmX 11mm，光学粘接胶采用光学环氧胶。
[0036]实施例2
光学成像镜头性能参数确定:视场2ω=15° ;焦距f' =64mm，相对孔径=1/2，光谱段0.45微米85微米，具有像方远心光学系统结构，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于1%的畸变差，具有小于1/3像素的倍率色差，具有8mm范围的后截距，具有7片分离镜片。
[0037]光纤面板有效端面直径18mm,厚度为68mm,光纤直径为6微米,光纤之间隙填充黑色吸光物质，光纤面板的外圆喷涂无光黑漆或者其它吸光材料(如碳纳米管和石墨烯等)探测器感光面尺寸为IlmmX 11mm，光学粘接胶采用光学环氧胶。
[0038]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、或形状变化等，皆应涵盖在以下本发明所申请专利范围内。
【权利要求】
1.一种星敏感器成像结构，其特征在于:包括光学成像镜头(I)、消杂光光纤面板(2)和光电探测器(3)三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板(2)前端面，在消杂光光纤面板(2)的出口端面密贴光电探测器(3);所述消杂光光纤面板(2)、光电探测器(3)感光面与光学成像镜头(I)光轴垂直。
2.如权利要求1所述一种星敏感器成像结构，其特征在于:所述光学成像镜头(I)是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于5%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距,具有多片分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段，光学镜头的F数在4到1.2之间。
3.如权利要求1所述一种星敏感器成像结构，其特征在于:所述消杂光光纤面板(2)由若干具有有5?20_长度的光纤并齐紧密排列而成，所有光纤等长排列，光纤面板的厚度就等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。
4.如权利要求1所述一种星敏感器成像结构，其特征在于:所述光电探测器为APSCMOS或者CXD成像器件，并取下其前端的入射窗口。
5.如权利要求1所述一种星敏感器成像结构，其特征在于:所述消杂光光纤面板(2)的厚度不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍。
6.如权利要求1所述一种星敏感器成像结构，其特征在于:所述消杂光光纤面板(2)不限定长度，内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。
【文档编号】G01C11/00GK103743387SQ201310700784
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】郝云彩 申请人:北京控制工程研究所