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Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例引言：星敏感器是空间飞行器中广泛使用的一种高精密空间姿态测量仪器，通过探测空间不同位置的恒星来获取空间飞行器的姿态信息。
光学系统是星敏感器的核心部件，其成像质量直接影响着星敏感器的探测能力。
为了提高星敏感器的探测能力，要求其光学系统在具有更宽的谱段范围、更大的入瞳直径的基础上能够尽量减小畸变和色差。
目前星敏感器所使用的光学系统有透射式结构、反射式结构、折反式结构等。
透射式光学系统是最常见的结构形式，但是存在光学系统口径小、较多的光学透镜数量导致二级光谱难以校正、整体质量大幅增加的缺点；反射式光学系统具有系统口径大、光学透镜数量少、无色差的优点，但是其结构中存在光遮拦会造成空间光的能量利用率低、边缘视场的像差校正能力较弱、结构设计难度大等问题。
折反系统采用反射镜和透镜相结合的方式，反射镜不会引起色差，透镜组能够对整个系统的像差进行校正并增大整个光学系统的视场，在整个折反光学系统中，像面的位移不会受到反射镜的影响，当反射镜和支架选择的材料膨胀系数相近时，可以降低整个系统对环境温度的敏感度。
主要设计指标：实例参考：《大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计---李建林》设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“250”；在视场设定对话框中设置5个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，设定0.45～0.95um共6个波长，如下图：查看LDE：R-C系统的主镜和次镜的通光面均为双曲面,可有效校正初级球差和慧差。
在次镜前加入光阑校正球面透镜组可校正系统残余的像散、场曲和畸变。
同时，在次镜与像面之间加入的视场校正球面透镜组用以增大整个光学系统的视场，从而提高光学系统的探测精度和星敏感器的成像质量。
2D Layout：查看点列图：查看畸变：相对畸变越小,越有利于提高星敏感器的测量精度.通过优化设计，全视场范围内的最大相对畸变为 0. 080%,完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标。
分类号V445 学号******** U D C 密级公开工程硕士学位论文星敏感器光学系统设计硕士生姓名赵超工程领域光学工程研究方向光电仪器与测控技术指导教师伏思华副教授协助指导教师周金鹏副教授国防科学技术大学研究生院二〇一六年十一月Optical System Design of Star SensorCandidate：Zhao ChaoAdvisor：Fu SihuaAssistant advisor：Zhou JinpengA thesisSubmitted in partial fulfillment of the requirementsfor the professional degree of Master of Engineeringin Optical EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China（November，2016）目录摘要 (i)ABSTRACT .................................................................................................................. i i 第一章绪论 (1)1.1选题背景和研究意义 (1)1.2 星敏感器简介 (2)1.3 星敏感器光学系统技术发展现状 (2)1.3.1 光学系统参数的确定方法 (3)1.3.2 光学镜头设计 (4)1.3.3 遮光罩设计 (7)1.4 本论文的研究内容 (9)第二章星敏感器光学系统设计需求分析 (11)2.1 星敏感器探测能力分析 (12)2.1.1 星光信号能量 (12)2.1.2 探测器星光能量 (13)2.1.3 星等探测信噪比计算 (13)2.1.4 星探测概率计算 (14)2.2 星敏感器光学系统参数确定 (15)2.2.1 视场、焦距和阈值星等的初步选择 (15)2.2.2 入瞳直径的确定 (19)2.2.3光谱范围和中心波长的确定 (22)2.2.4 其他参数确定 (22)2.3 定位精度对几何像差的要求的定性分析 (24)2.3.1 色差 (24)2.3.2 畸变和彗差 (25)2.3.3 球差、像散和场曲 (26)2.4 本章小结 (26)第三章星敏感器光学镜头设计 (28)3.1 光学系统选型 (28)3.2 光学镜头初始结构确定 (28)3.3 光学镜头优化 (29)3.4 光学镜头像质评价 (33)3.3.1 点列图 (33)3.3.2 光线像差 (35)3.3.3 垂轴色差曲线 (36)3.3.4 调制传递函数 (37)3.3.5 点扩散函数 (38)3.3.6 能量集中度 (39)3.3.7 光学镜头图像分析 (40)3.3.8 光学镜头透过率计算 (41)3.5 温度对光学镜头成像质量的影响 (41)3.4.1 温度变化对光斑大小的影响 (42)3.4.2 温度变化对焦距和后截距的影响 (43)3.4.3 温度变化对能量包围圆半径与能量中心偏移量的影响 (44)3.4.4 温度变化对畸变、垂轴色差和点扩散函数的影响 (46)3.6 公差分析 (46)3.7 光学镜头设计结果 (50)3.8 本章小结 (51)第四章星敏感器光学系统杂散光抑制 (52)4.1 杂散光分析与抑制理论 (52)4.2 星敏感器遮光罩设计 (56)4.2.1 遮光罩参数计算与设计 (56)4.2.2 挡光环设计 (59)4.3 星敏感器光学系统建模 (60)4.4 光学系统杂散光抑制结果 (62)4.5 杂散光抑制结果验证 (64)4.6 遮光罩优化设计 (65)4.7 本章小结 (69)第五章星敏感器光学系统模拟成像分析 (70)5.1 光学镜头模拟成像 (70)5.2 光学镜头视场内杂散光抑制分析 (74)5.3 光学系统视场外杂散光模拟成像分析 (75)5.4 本章小结 (77)第六章总结与展望 (78)6.1 本文完成的工作 (78)6.2 下一步研究计划 (79)致谢 (81)参考文献 (82)作者在学期间取得的学术成果 (87)表目录表2.1 SonyICX285AL探测器参数表 (11)表2.2 不同视场下不同阈值星等的探测概率 (15)表2.3 SKY2000星表中不弱于M V的全天星数的数目 (18)表2.4 不同视场下的焦距 (18)表2.5 不同视场不同入瞳直径下的设计难度系数C (20)表2.6 不同阈值星等不同入瞳直径下的信噪比SNR (20)表2.7 方案1不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.8 方案2不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.9 方案3不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.10 方案4不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.11 四种方案探测到恒星的概率和星表大小 (22)表2.12 弥散斑圆大小对内插星象中心的影响 (23)表2.13 光学系统设计参数表 (24)表3.1 光学系统各视场弥散斑直径 (34)表3.2 垂轴色差数据 (37)表3.3 包围85%和90%能量时半径大小 (40)表3.4 不同温度4个半视场下的光斑均方根半径值/μm (42)表3.5 不同温度下光学镜头焦距值 (44)表3.6 不同温度下镜头焦距值相对于20°C时焦距值的变化值 (44)表3.7 不同温度时光学系统后截距参数及其移动量 (44)表3.8 4.949°视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)表3.9 不同温度引起的不同半视场能量中心偏移 (46)表3.10 不同温度下垂轴色差最大值 (46)表3.11 光学镜头主要参数 (51)表4.1 挡光环高度和位置表 (61)表4.2 杂散光追迹值表 (63)表4.3 优化结构挡光环高度和位置表 (67)表4.4 优化结构杂散光追迹值表 (68)表5.1 竖直轴不同视场星象能量中心位置 (73)表5.2 竖直轴方向不同视场星象能量提取位置 (75)图目录图2.1 探测器量子效率曲线图 (11)图2.2 不同视场下不同阈值星等的平均星数目 (17)图2.3 阈值星等5.5时不同视场下探测到不同数目的星的概率 (17)图2.4 10°视场下不同阈值星等探测到不同星的数目的概率 (17)图2.5 不同视场下难度系数C与口径直径的关系曲线 (20)图2.6 不同阈值星等不同口径下的信噪比SNR曲线图 (21)图3.1 初步优化光学系统2D结构图 (30)图3.2 初步优化光学系统点列图 (30)图3.3 初步优化光学系统传递函数曲线 (31)图3.4 初步优化光学系统点扩散函数 (31)图3.5 初始光学系统能量分布图 (31)图3.6 优化后光学镜头数据 (32)图3.7 优化后光学系统2D结构图 (32)图3.8 优化后光学镜头数据 (33)图3.9 优化后光学系统点列图 (34)图3.10 光线像差曲线 (35)图3.11 光程差曲线 (35)图3.12 优化后光学系统场曲与畸变曲线 (36)图3.13 垂轴色差曲线 (36)图3.14 光学系统传递函数曲线 (38)图3.15 点扩散函数图 (39)图3.16 优化后光学系统包围能量曲线 (39)图3.17 原始星点图像 (40)图3.18 4.949 星象示意图 (41)图3.19 -30°C、-10°C、10°C、20°C、30°C和50°C的点列图 (43)图3.20 4.949°半视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)图3.21 光学镜头公差分析时公差设置 (47)图3.22 公差分析方法设置 (48)图3.23 灵敏度分析 (48)图3.24 蒙特卡罗分析结构 (49)图3.25 蒙特卡罗统计 (49)图3.26 光学镜头3D图 (50)图3. 27镜头各单个镜片参数 (51)图4.1 表面BRDF定义图 (53)图4.2 AB g模型示意图 (53)图4.3 基本能量方程传输图 (54)图4.4 星敏感器遮光罩设计流程图 (56)图4.5 星敏感器与杂光源夹角示意图 (57)图4.6 遮光罩结构示意图 (57)图4.7 延拓后的遮光罩结构 (59)图4.8 挡光环位置结构确定示意图 (59)图4.9 结构示意图 (61)图4.10 遮光罩与光学系统剖面图 (61)图4.11 辐照度图 (62)图4.12 PST曲线 (63)图4.13 30°杂散光光线追迹图 (64)图4.14 优化结构示意图 (65)图4.15 优化结构示意图 (67)图4.16 光线追迹示意图 (68)图4.17 PST曲线 (69)图5.1不同视场星场成像模拟 (70)图5.2 光学系统整体结构图 (70)图5.3 模拟成像光线追迹 (71)图5.4 探测器模拟星象图 (71)图5.5 探测器星象能量分布 (72)图5.6 探测器能量分布 (72)图5.7 光学镜头设置光阑后光线追迹 (74)图5.8 视场内杂散光抑制后探测器能量分布 (75)图5.9 光学系统光线追迹 (75)图5.10 探测器模拟星象图 (76)图5.11 探测器杂散光模拟成像 (76)图5.12 探测器平滑后模拟星象图 (77)摘要星敏感器是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置，已被广泛应用于航天、航空、航海、制导等领域。
大相对孔径轻小型星敏感器光机系统设计魏明;王超;付强;高天元;史浩东【摘要】星敏感器的光机设计水平直接关系到仪器姿态测量精度的极限.为满足微纳卫星平台使用需求,设计了一种大相对孔径,宽视场的超轻小型星敏感器光学系统及其机械结构.镜头选用6片球面透镜,有效焦距为16mm,工作波长为500～800nm,F#=1.2,视场为20°,全视场内,像点80%的能量集中在3×3像元内,全视场倍率色差小于2μm,相对畸变小于0.1%,优化后所有视场下MTF值均大于0.4.系统总长仅为26mm.针对星敏感器光学系统轻小化需求,选取铍铝合金作为材料进行结构设计.在抗震方面,采用具有相切界面的圆锥类隔圈和压圈以增加接触面积,减小对镜片压强.最终光机系统总质量为10.32g,能够较好的满足小卫星平台的使用需求.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)001【总页数】4页(P23-26)【关键词】光学设计;星敏感器;大相对孔径;轻小型【作者】魏明;王超;付强;高天元;史浩东【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,长春130022;长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN24恒星敏感器，简称星敏感器，是以恒星为探测对象，实现飞行器在惯性空间三轴姿态高精度测量的设备[1-4]。
目前星敏感器广泛应用于天文导航之中，主要由三部分组成：光学系统，CCD（或CMOS）图像传感器电路和用于星图识别及姿态计算的数据处理电路，其中光学系统的设计在整个星敏感器的制造过程中占有重要地位，是关系到星敏感器质心定位精度的关键[5-8]。
轻小型星敏感器光学系统的设计
轻小型星敏感器光学系统的设计
介绍了星敏感器的工作原理,对光学系统的指标进行详细的分析,给出光学系统的设计结果和评价.设计得到的镜头焦距22.7 mm,相对孔径1: 1.4,视场角17.1°×17.1°(圆视场角24°),而长度仅45.3 mm.由七个球面透镜组成,光阑放在第二、三透镜之间.
作者：吴峰沈为民作者单位：吴峰(常州工学院,电子信息与电气工程学院,江苏,常州,213002;苏州大学,现代光学技术研究所,江苏,苏州,215006)
沈为民(苏州大学,现代光学技术研究所,江苏,苏州,215006)
刊名：光子学报ISTIC PKU英文刊名：ACTA PHOTONICA SINICA 年，卷(期)：2004 33(11) 分类号：V448 关键词：星敏感器光学设计 CCD 姿态测量。
应用技术星敏感器光学系统的研制与性能测试的探讨作者/唐国栋，装甲兵工程学院三旅五营五连摘要：我国的经济社会不断发展，科学技术水平不断提升。
近几年来我国的航天事业繁荣发展，星敏感器的应用范围越来越广泛。
星敏感 器具有突出的实用价值，一方面，星敏感器的观测水平较高，可以快速获取星体信息。
另一方面，星敏感器的精度较大，可以得到科学的 姿态分析结果。
本文将具体探讨星敏感器光学系统的研制与性能测试，希望能为相关人士提供一些参考。
关键词：星敏感器；光学系统；研制；性能测试引言进入新世纪以来，我国的社会主义市场经济持续繁荣，航天事业也进入了快速发展阶段。
在航天机械设备中，星敏 感器具有一定的特殊性。
由于星敏感器实用价值较高，其被 应用在社会生活的多个方面。
星敏感器受外界温度影响较大，-旦温度快速变化，光学系统会受到影响，成像度会迅速降低。
为了保证星敏感器的质量，在进行光学系统设计时，必须要 考量空间环境的影响，对星敏感器性能进行科学测试。
1.星敏感器光学系统的设计■ 1.1技术指标在星敏感器中，光学系统占据着重要位置。
从某个角度 来看，光学系统的质量直接影响着星敏感器的质量。
在对星 敏感器光学系统进行设计的过程中，应该确定以下几个技术 参数：第一个技术参数是星体范围。
第二个技术参数是覆盖 领域。
第三个技术参数是探测总数。
第四个技术参数是光度 值域。
第五个技术参数是图像分辨率。
上述几种技术参数存 在着相关关系，星敏感器的光孔越大，探测的范围越广泛，星敏感器的光孔越小，探测的范围越窄[1]。
从这个角度来看，在设计星敏感器光学系统时，必须要扩大孔径。
■ 1.2设计流程在进行星敏感器光学系统设计的过程中，应该时刻保证 接收器的敏感程度。
每个星体位置相对固定，接收器必须接 收星体位置的实时信号，对讹误信号进行校正。
为了提高设 计水平，可以形成光学系统基础模型，将各项数据计入到模 型之中，并扩大光孔的半径。
一般来说，光学系统在成像时 要把图像安置在区域中心，汇聚弥散斑，使能量达到百分之 八十。
面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证杜伟峰;王燕清;吴永康;周星良;高铭【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2024(45)1【摘要】星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。
随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。
文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。
利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃~60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。
最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。
试验结果表明:星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。
【总页数】9页(P8-16)【作者】杜伟峰;王燕清;吴永康;周星良;高铭【作者单位】上海航天控制技术研究所【正文语种】中文【中图分类】TN202;O435【相关文献】1.面向星敏感器测试的数字星模系统设计2.用于光学遥感器耐受卫星平台微振动环境地面测试的六自由度平台3.基于导星敏感器模拟器的SVOM卫星平台高稳定度控制算法全物理验证方法4.新技术试验卫星C星、D星姿轨控分系统设计和在轨验证因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
紫外星敏感器的光学系统设计张爱红,左保军,范志刚,张武祖(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:紫外星敏感器是小卫星关键技术的一项重大突破,它与光纤陀螺配合可使小卫星的指向精度和稳定度提高一个数量级.提出了一种新型紫外星敏感器的光学系统设计方案,在对性能指标进行分析的基础上,确定了光学系统的参数和结构尺寸.采用锥面反射镜压缩光学镜头的视场角,使所设计的系统具有超大视场的观测能力,环形视场可达135°～145°,工作波段为0.25～0.28μm 的真空紫外.关键词:紫外辐射;星敏感器;光学系统中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2002)03-0370-03Design of optical system for ultraviolet star 2sensorZH ANG Ai 2hong ,Z UO Bao 2jun ,FAN Zhi 2gang ,ZH ANG Wu 2zu(School of Astronautics ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China )Abstract :Ultraviolet star 2sens or is an im portant breakthrough in the key techniques of small satellite.The direc 2tional precision and stability of a small satellite are enhanced by one order of magnitude by the incorporation of an ultraviolet star -sens or and optical fiber gyro.A new design of optical system for ultraviolet star -sens or is de 2scribed.Through the analysis of expected properties ,the optical parameters and frame sizes of the system are opti 2mized.By adopting conical mirror to com press the angle of view field of optical lens ,the system has a super field of view.The angle of annular view field achieves 135°～145°.W orking wavelength range is 0.25～0.28μm vacuous ultraviolet.K ey w ords :ultraviolet ;star 2sens or ;optical system收稿日期:2001-12-07.作者简介:张爱红(1958-),女,副教授. 传统的光学姿态敏感器多工作在红外波段或可见光波段,如红外地平仪、可见光星敏感器等,这些星敏感器在小卫星上的使用受到制约.80年代后期通过卫星对紫外波段的探测研究,取得了有关地球大气、臭氧层和星体的真空紫外空间辐射的特性数据[1,2],为研制紫外星敏感器提供了依据.从90年代起,美国等国家开始了一系列紫外空间观测遥感器的研制,并已取得突破性进展,相继在哈勃空间望远镜(HST )、远紫外探测卫星(DUVE )等遥感器上实现了紫外波段遥感[3～5].用紫外波段作为小卫星的姿态敏感器,是由于大气中的氧和臭氧形成波长小于300μm 的强吸收带.这样在地面和大气特征以上的高度形成球日照边缘,且此日照边缘不受地面和气象特征的影响,因此在紫外波段能探测出整个地球边缘的图像,其图像稳定可与红外图像媲美,同时紫外波段也是观测星的极佳光谱波段,只用一个敏感器组件就能实现红外地平仪、太阳和星敏感器等多个敏感器的功能.美国H oney well 公司研制的地球基准姿态确定系统(ERADS )用一个固态敏感器同时提供卫星的三轴姿态数据和自主导航数据,这是小卫星关键技术的一项重大突破,预计会在小卫星和卫星上普遍采用.它与光纤陀螺配合可使小卫星的指向精度和稳定度提高一个数量级.随着我国卫星研制水平的提高,对星上姿态敏感器的指向精度提出了越来越高的要求,特别是小型侦察卫星的有效载荷对地观测的分辨率要第34卷第3期2002年6月 哈尔滨工业大学学报Journal of H arbin I nstitute of T echnology V ol 134N o 13Jun 1,2002求在1m 以下,且有体积、重量的限制,迫切要求研制高精度的紫外星敏感器.目前我国这方面的工作刚刚起步,由于可获得的国外相关资料有限,在参考美国第二代ERADS 光学系统的基础上,考虑我国现有技术和元器件的水平,提出了一种新型紫外星敏感器的光学系统设计方案.1 光学系统概述由于地球观察卫星通常工作在太阳同步低轨道,因此要求敏感器具有超大视场的观测能力.紫外星敏感器的光学系统结构如图1所示.根据设图1 紫外星敏感器的光学系统结构图Fig.1 S tructure of optical system for ultraviolet stqar 2 sens or计任务要求,需要同时监测地球和空间星系.通过一个带中心孔的平面反射镜反向安装锥面反射镜,使敏感器在工作时锥镜面向地平.敏感器可以安装在仪器舱内部,同时通过中心孔可以使恒星的辐射直接通过平面镜进入敏感器的中心视场,这样把接收地平的环形视场和接收恒星的中心视场分开,利用成像质量好的小视场对恒星检测,提高测量精度,分辨率及光能动态范围都得到了改善.波段带宽0.25～0.28μm ,光学系统采用蓝宝石球形透镜.把孔径光阑安置在球心处,为减少大视场高级轴外象差和光学纤维面板的展平畸变以及光能传输耦合,采用锥面反射镜压缩光学镜头的视场,利用光学象差矫正元件放在孔径光阑处来校正球差,对色差稍作补偿,以增大敏感器的通光口径.对地平和恒星的紫外光探测属于微光检测,要求敏感器能探测V =5等恒星,光能需要放大104倍,采用像增强器进行光能放大,目前像增强器的光电阴极对小于0.3μm 的紫外光转换率很低,几乎截止,因此需要把0.25～0.30μm 的紫外光转变为0.55μm 左右的黄绿光再入射到像增强器的光电阴极上,采用晕苯磷光体或(Ca 1-La x Ce y Mn z )B 4O 7系列荧光材料作为紫外光/可见光转换膜层.采用平凹形光纤面板,其凹面为球面与球形透镜的象面匹配耦合,在其上沉积紫外光/可见光转换膜层,其平面与像增强器输入窗的光纤面板耦合.2 光学系统性能指标分析焦距f 、相对孔径D/f 和视场角2β是光学系统的三要素,也是设计光学系统的出发点.只有分析清楚它们之间的相互制约关系,才能较好地满足使用要求.2.1 焦距f 的确定焦距f 主要由测量精度来确定,根据公式f =b/α,式中b 为CC D 器件的象元尺寸,α为决定测量精度的分辨角.像增强器与CC D 器件之间的成像比为1∶1,CC D 器件的象元尺寸为12×12μm 2,象元数为1024×1024,像增强器的入射窗Ф18mm.要求分辨角(测量精度)为0.050,焦距f 确定为15mm.相对孔径D/f ,主要由需要的光能量来决定.相对点目标,探测器上接受到的能量由通光口径(入瞳)D 决定,而对面目标则由相对孔径D/f 决定.由于受到像差(球差和色差)和渐晕两个因素的制约,D 不能太大.通常大视场2β=60°光学系统,相对孔径1∶2.8,为校正象差,结构就比较复杂,采用最简单的球形透镜,球差和色差都较大,即使采用了象差校正元件,对色差的校正能力有限.取光阑的直径为Ф5mm ,入瞳直径>9mm ,D/f 已经达到1∶1.6,光阑直径不能再大,否则视场和渐晕都不可能满足要求.现在的像增强器的性能已有很大的提高,采用第三代光电阴极,光能放大倍率可以达到104以上,完全可以弥补光能的不足.2.2 视场角2β的确定球透镜最大的工作视场角受到以下多种因素的制约,比较复杂.(1)轴外象差:增大视场角并采用二元光学元件校正球、色差会产生高次失对称象差—慧差和象散,使象点弥散斑成非圆形失对称散布,影响象点位置的判读,降低测量精度.(2)全反射:由于采用高折射率蓝宝石材料,按全反射条件n ′sin i ′=sin 90°,当n ′=1.82,全反射角为33°,这时还会产生50%的渐晕.(3)带通高反射膜:高反射带通膜层的厚度与视场角有密切关系,在宽视场工作时会产生带通波段的移动和反射率降低.・173・第3期 张爱红,等:紫外星敏感器的光学系统设计(4)渐晕:环行视场和轴向中心视场在用宽光束成像时会产生光束切割渐晕,为此需要增大平面反射镜到球透镜顶点的距离,致使整个敏感器的尺寸重量不能满足要求.(5)对地平观测要求2β=145°,而球透镜的视场角只有2β=60°,为减少大视场高级轴外象差和光学纤维面板的展平畸变以及光能传输耦合,因此需要用锥面反射镜把环行视场扩大,采用锥面反射镜将2β=145°的视场角压缩到2β=60°,锥面反射镜的偏角取22.5°左右.综上对视场角的分析,把接收地平的环行视场和接收恒星的中心视场分开,利用成像质量好的小视场对恒星检测,能提高敏感器的测量精度.3 光学系统结构参数确定取球透镜的曲率半径R =15mm ,孔径光阑在球心处,根据光路追迹,考虑了固定光学元件的机械结构得到以下光学零件的几何尺寸和空间位置:(1)带中心孔的平面反射镜距球透镜顶点18mm ,通光面外径Ф42mm ,内径Ф18mm.(2)锥面反射镜与平面反射镜之间的夹角为22.5°,使光束的总偏角为90°.通光面外径Ф72mm ,内径Ф35mm.(3)面反射镜与光轴的夹角为37°,它与光轴的交点到平面反射镜的距离为16m m (到球透镜顶点的距离为34m m ),尺寸为38m m ×30m m ,子午面内为38m m ,弧矢面内为30mm.结构尺寸如图2所示.图2 光学系统的结构尺寸Fig.2 Frame sizes of optical system(4)敏感器球透镜的环行视场角β=20°～30°,在23°～27°范围内无渐晕,其他区域渐晕<50%,最大视场可扩大到33°,50%渐晕.经锥面反射镜扩展,整个敏感器的工作视场2β=130°～150°,极限视场为2β=126°～156°(50%渐晕).(5)球透镜的中心视场也是敏感器的中心视场β<10°无渐晕,β=15°有50%渐晕.(6)光纤面板的几何尺寸:工作直径Ф18mm ,中心厚度5mm ,凹面曲率半径R =16.5mm ,光纤的纤径与像增强器光纤面板的线径相同Ф10μm.4 结论(1)反向安装锥面反射镜,增加一个带中心孔的平面反射镜,姿态敏感器工作时,锥面镜对向地平,敏感器可以安装在仪器舱内部.(2)地球和恒星的紫外辐射走各自的通道.恒星的辐射直接通过平面镜中心孔进入敏感器的中心视场,分辨率及光能动态范围都得到了改善,提高了对恒星的测量精度.(3)利用光学象差校正元件,放在孔径光阑处来校正球差,对色差稍作补偿,以增大敏感器的通光口径.(4)系统达到的技术性能指标为:环形视场:135°～145°.中心视场:30°.通光孔径:Ф10mm.波段范围:0.25～0.28μm.瞬时视场:0.05°.光学效率:0.5.整个光学系统设计结构紧凑、合理,达到预定的设计性能指标要求,配以优质高性能的探测器和相应的电子器件,按系统设计可提供0.05°的三轴测量精度.参考文献:[1]Hu ffman ,R obert E.Recent advances in atm ospheric ultra 2violet rem ote sensing [J 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