亚秒级甚高精度星相机光学系统设计

高精度星相机是航天测绘、侦查相机实现精确定位测量的关键设备。分析了长焦距星相机光学系统设计难点,采用新型双高斯向远摄型过渡的结构型式,设计了精度达到亚秒级的星相机光学系统。光学系统焦距为200 mm,相对孔径为F/2,视场角为7.5°×7.5°,光谱范围为500~800 nm。针对恒星色温范围大的特性,在未采用特殊色散玻璃材料的情况下校正了光学系统的色差,实现不同色温恒星的质心位置一致性;采用负折射率温度系数的冕牌玻璃进行热补偿,实现光学系统对恒星探测的亚秒级无热化设计。设计结果表明:光学系统畸变优于0.003%,垂轴色差优于1.5μm,2600 K~9800 K范围内色温恒星的质心位置精度优于0.2″;在0℃~30℃范围内,焦距变化不超过5.1μm,除1视场外质心位置精度均优于0.4″。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。     

折/衍混合大相对孔径星敏感器光学系统设计

将衍射光学元件用于星敏感器光学系统,设计了一种全新的大相对孔径、甚高精度星敏感器光学系统.系统焦距为90mm,相对孔径为1/1.2,视场角为2ω=7°,光谱范围为0.45～0.85 μm.系统结构简单,满足了星敏感器系统对弥散斑直径、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求.此外,对系统进行了环境温度分析,结果表明:...     

大相对孔径甚高精度星敏感器光学系统设计

甚高精度星敏感器是目前精度最高的姿态敏感器。结合星敏感器系统探测要求计算出光学系统参数,在Code V平台上实现了具有良好像质的大相对孔径星敏感器光学系统。系统焦距为90 mm,相对孔径为1/1.5,视场角为7°,光谱范围为0.45～0.85μm。系统中高次非球面的使用提高了像质,满足了对弥散斑、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求。光学系统总长仅为90.36 mm,符合实际工程小型化、轻量化的需求。同时,光学系统在要求温度范围内性能稳定,消热差和抗离焦效果良好。     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

大视场高精度静态星模拟器的光学系统设计

针对星敏感器系统的地面测试要求,设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理,确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标,在Zemax平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统,设计结果为:系统焦距99.988 mm,视场达到Φ39°,畸变小于0.1%,实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法,避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试,从测试结果看:设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″,可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

折反射式大入瞳星敏感器光学系统设计

为了提高可探测极限星等能力,观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星,设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中,改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差,同时生成系统焦距及大尺寸入瞳;靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差,同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性,也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180mm,像方F数2,全视场2ω为3°×3°,有效入瞳面积5106mm2,在450~800nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5μm、垂轴色差小于3.5μm,80%弥散斑能量集中在3×3pixel内,传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计,并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析,设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内,点源透过率在10-6~10-4量级,该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

采用扩展外部编程方法优化设计APS星敏感器光学系统

星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器,光学系统是其重要的组成部分.首先介绍星敏感器的工作原理.讨论星图识别过程中星像位置提取算法和星图识别算法.剖析光学系统的像差校正、成像特性要求.基于特殊的像质要求,兼顾优化速度,提出运用ZEMAX扩展外部编程以约束光线的优化设计方案.通过编写外部约束条件程序,使用动态数据交换技术实现外部程序和ZEMAX软件的通信,达到星敏感器光学系统的优化设计的目的.然后针对设计指标焦距f=43.56 mm,入瞳直径D=27.3 mm,全视场角为20°的APS星敏感器光学系统,采用该方案优化设计.得到的星敏感器光学系统,所有光学面都是球面,材料选用普通玻璃,具有像方远心的特点,系统成像质量满足星图识别要求.仿真表明:运用ZEMAX扩展外部编程优化设计星敏感器光学系统的方案快速有效.     

光学像差对星点质心定位误差的影响分析

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。     

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1）,工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。     

紧凑型多光谱空间光学遥感器焦平面的设计与拼接

为实现高分辨率、多光谱、宽覆盖的遥感测量,对空间光学遥感器由3片TDI CCD组成的焦面组件进行了设计,并提出了一种新的拼接方法。根据空间光学遥感器采用的多光谱TDI CCD外形尺寸较大、几乎占满整个结构设计空间的特点,对其焦平面进行了紧凑型的机械交错拼接设计;根据紧凑型多光谱焦平面的特点,结合图像处理技术进行了拼接,对由CCD拼接仪产生的图像进行了放大和处理,以尽量消除因人眼视觉误差对拼接精度产生的影响,提高拼接精度;最后进行了拼接验证。结果表明,该方法拼接出的焦面各片CCD之间的搭接误差〈3μm,两排CCD的平行度误差〈3μm,共面性误差〈5μm,满足空间光学遥感器的成像要求。     

甚高精度星敏感器测试用静态星模拟器设计

为了完成甚高精度星敏感器的地面测试任务,设计高精度静态多星模拟器,实现对星点位置的准确模拟。设计的准直光学系统光谱范围为500~900 nm,在20℃时,系统焦距为150 mm,全视场7.2内畸变小于0.02%,MTF 达到衍射极限。对于-45℃~65℃的工作温度变化,分别使用Zemax 和ANSYS 软件对模拟器光学系统、机械结构进行消热差和有限元分析。分析结果表明:模拟器的光学系统消热良好,机械结构变形及应变很小,其整体抗离焦性能满足设计要求。对模拟器的精度进行理论计算,用徕卡经纬仪测试指定星图,计算结果显示实测的单星位置误差小于3,星对角距误差小于5,均优于对敏感器标定的精度指标要求。     

30×中波红外连续变焦光学系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了30×中波红外大倍率连续变焦光学系统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,实现了30～900mm的连续变焦,F数为4,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率为16 lp/mm处,系统MTF值大于0.5。系统具有变倍比大,结构紧凑,光学总长短和全焦距范围内像质好,分辨率高等优点,满足设计要求。     

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。     

可见-近红外无热化连续变焦光学系统设计

变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在?40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。