專利名稱：：一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種紫外敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)。技術(shù)背景目前，用于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的敏感器主要有星敏感器、地球敏感器和太陽(yáng)敏感器，如美國(guó)的Honeywell公司、德國(guó)的JenaOptronikGmbH^>司、意大利的OfficineGalileo公司、法國(guó)的Sodern公司以及丹麥的Terma公司等，其中美國(guó)的Honeywell公司報(bào)道了的紫外敏感器。目前，國(guó)外發(fā)表了兩篇有關(guān)紫外敏感器的文章，1992年《Proc，of6thAIAA/USUCont.onSmallSatellites》，SessionIV發(fā)表了名為《紫外三軸姿態(tài)敏感器》的文章，著者為JamesBling-Ross,TeresaFritz，DouglasPledger,1993年《Proc,of7thAIAA/USUCont.onSmallSatellites》SessionVH.發(fā)表了名為《小衛(wèi)星地球基準(zhǔn)姿態(tài)確定系統(tǒng)的研制》的文章，著者為DouglasPledger,主要介紹了Honeywell公司紫外三軸姿態(tài)敏感器，用于地球三軸姿態(tài)確定系統(tǒng)，介紹了紫外工作波l更和工作原理，未涉及具體結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)主要報(bào)道了哈爾濱工業(yè)大學(xué)的紫外星敏感器、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所和國(guó)家天文臺(tái)的星敏感器、清華大學(xué)的太陽(yáng)敏感器，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的是紫外星敏感器，但觀測(cè)對(duì)象、探測(cè)波段及成{象原理與該技術(shù)均不相同。紫外導(dǎo)航敏感器的工作原理源于紫外三軸地球姿態(tài)敏感器，美國(guó)霍尼韋爾公司申請(qǐng)的專利號(hào)為US5837894名稱為"WideFieldofViewSensorwithdiffrativeOpticalCorrector"中公開(kāi)的一種利用紫外譜段的三軸姿態(tài)敏感器，利用一個(gè)組合反射式二面鏡反射陣列和一個(gè)球透鏡系統(tǒng)，構(gòu)成了一個(gè)具有超大視場(chǎng)角的組合光學(xué)系統(tǒng)，由于對(duì)地觀測(cè)的是地球邊緣的圖像，所以可利用中心視場(chǎng)來(lái)觀測(cè)其它天體目標(biāo)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)具有兩個(gè)信息通道同時(shí)敏感來(lái)自兩個(gè)信息通道(如恒星、地球)的非常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)，紫外地球敏感器通過(guò)對(duì)提取的目標(biāo)信息進(jìn)行處理后，為衛(wèi)星提供三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)和自主導(dǎo)航lt據(jù)。圖1是美國(guó)Honeywell公司紫外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)的工作原理圖，紫外地球敏感器光學(xué)系統(tǒng)由平面反射鏡和六面錐反射鏡組成的二面鏡反射陣列、球透鏡與二元光學(xué)器件組成的物鏡光學(xué)系統(tǒng)、光纖面板與ICCD器件組合成的探測(cè)器。成像過(guò)程是地球邊緣的紫外輻射首先經(jīng)六面錐反射到平面反射鏡，再由平面反射鏡反射后進(jìn)入球透鏡，然后球透鏡將地球邊緣成像到探測(cè)器組件上，由光纖面板將彎曲的像面再轉(zhuǎn)換為平面像，同時(shí)完成紫外光譜轉(zhuǎn)換；中心視場(chǎng)內(nèi)的恒星直接通過(guò)球透鏡成像在像面上，這個(gè)過(guò)程同時(shí)完成了對(duì)恒星和地球環(huán)形的成像。從圖1中可以看出Honeywell公司紫外地球敏感器用于敏感恒星的中心視場(chǎng)為30°,用于敏感地球環(huán)形的環(huán)形視場(chǎng)為133°~143°,工作波段為260nm~280亂紫外地球敏感器主要通過(guò)觀測(cè)地球邊緣和同時(shí)觀測(cè)恒星來(lái)確定衛(wèi)星的滾動(dòng)、俯仰和偏航姿態(tài)，紫外地球敏感器要觀測(cè)的范圍是從地球的表面到地球表面以上10°,因此要求紫外地球敏感器具有超大的觀測(cè)視場(chǎng)角。一般對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星通常工作在低軌道上(大約在200~1000公里左右)，衛(wèi)星在軌對(duì)地球環(huán)形的張角>130°，而且軌道越低，對(duì)環(huán)形視場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍要求越高。而現(xiàn)有Honeywell公司紫外地球敏感器的環(huán)形視場(chǎng)動(dòng)態(tài)范圍太小，只有5°,不能滿足衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的動(dòng)態(tài)工作范圍；入射的光譜范圍為紫外光i普，而恒星的光譜大部分為可見(jiàn)光，不利于觀測(cè)恒星；二面鏡反射陣列視場(chǎng)系統(tǒng)中6個(gè)子視場(chǎng)間沒(méi)有隔離，不能避免視場(chǎng)外雜光千擾和子視場(chǎng)間的相互干擾。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，能夠同時(shí)接收紫外光和可見(jiàn)光，可以克服視場(chǎng)外雜光和子視場(chǎng)間的相互干擾，并且環(huán)形視場(chǎng)動(dòng)態(tài)工作范圍寬。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)包括斜裝反射鏡、平面反射鏡、N面錐反射鏡、N個(gè)濾光鏡、組合球透鏡、二元光學(xué)器件、光纖組合面板、CCD接收器，所述的光纖組合面板為曲面，由環(huán)形3見(jiàn)場(chǎng)光纖面板和中心視場(chǎng)光纖面板組成，中心一見(jiàn)場(chǎng)光纖面板置于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板中并保持同心，中心視場(chǎng)光纖面板的曲面低于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板的曲面；所述的二元光學(xué)器件安裝在組合球透鏡的兩個(gè)半球之間；環(huán)形視場(chǎng)的光線經(jīng)濾光鏡濾光后射入N面錐反射鏡，入射光線由N面錐反射鏡反射至平面反射鏡，再由平面反射鏡反射進(jìn)入組合球透鏡、二元光學(xué)器件成像，該成像經(jīng)環(huán)形視場(chǎng)光纖面板展平后進(jìn)入CCD接收器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；中心視場(chǎng)的光線經(jīng)斜裝反射鏡反射后直接進(jìn)入組合球透鏡、二元光學(xué)器件成像，該成像經(jīng)中心視場(chǎng)光纖面板展平后進(jìn)入CCD接收器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括中心視場(chǎng)遮光罩、環(huán)形視場(chǎng)遮光罩，中心3見(jiàn)場(chǎng)遮光罩與斜裝反射鏡固聯(lián)防止雜光入射，環(huán)形視場(chǎng)遮光罩與N面錐反射鏡固聯(lián)防止雜光入射。所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括N個(gè)子視場(chǎng)隔離板，每個(gè)子視場(chǎng)隔離板分別對(duì)應(yīng)N面錐反射鏡的每個(gè)棱面。所述的N為6、或8、或10。所述的光纖組合面板中環(huán)行視場(chǎng)光纖面板和中心視場(chǎng)光纖面板的曲率半徑均為12.98mm。所述的中心視場(chǎng)光纖面板的曲面較環(huán)形視場(chǎng)光纖面板的曲面低0.18mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的光纖組合面板采用環(huán)形視場(chǎng)組合面板和中心視場(chǎng)組合面板的結(jié)構(gòu)形式，中心視場(chǎng)組合面板可以接收恒星的可見(jiàn)光，環(huán)形^L場(chǎng)組合面板可以接收地球的紫外光，能夠?qū)崿F(xiàn)雙像面、雙光譜接收，相比現(xiàn)有技術(shù)提高了紫外導(dǎo)航敏感器的光鐠接收范圍。(2)本發(fā)明通過(guò)采用中心視場(chǎng)遮光罩、環(huán)形視場(chǎng)遮光罩等方式，可有效防止視場(chǎng)外雜光引起的相互干擾，采用隔離板可以使環(huán)形視場(chǎng)內(nèi)的子視場(chǎng)間相互隔離。(3)本發(fā)明由平面反射鏡與N面錐反射鏡組成的二面鏡反射陣列系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形視場(chǎng)入射角范圍為110°~150°,環(huán)形視場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到20°,是國(guó)外的4倍，大大提高了環(huán)形^L場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍。圖1為美國(guó)Honeywell公司紫外地球敏感器的工作原理圖；圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)和工作原理圖；圖3為本發(fā)明光纖組合面板組成結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明二元光學(xué)器件計(jì)算結(jié)果圖；圖5為本發(fā)明可見(jiàn)光中心能量計(jì)算結(jié)果圖；圖6為本發(fā)明可見(jiàn)光彌散斑計(jì)算結(jié)果圖；圖7為本發(fā)明紫外光中心能量計(jì)算結(jié)果圖；圖8為本發(fā)明紫外光彌散斑計(jì)算結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述如圖2所示，本發(fā)明由45。反射鏡1、平面反射鏡2、N面錐反射鏡3、N個(gè)濾光鏡4、組合球透鏡5、二元光學(xué)器件6、光纖組合面板7、CCD接收器8、中心視場(chǎng)遮光罩9、環(huán)形視場(chǎng)遮光罩10、N個(gè)子視場(chǎng)隔離板11組成，中心視場(chǎng)遮光罩9與45°反射鏡1通過(guò)特殊的航天用膠和螺釘固連，45°反射鏡1與平面反射鏡2采用螺4丁固連，平面反射鏡2與N面錐反射鏡3形成二面鏡反射陣列系統(tǒng)，環(huán)形視場(chǎng)遮光罩10安裝在N面錐反射鏡3外部，N個(gè)濾光鏡4中每個(gè)濾光鏡4對(duì)應(yīng)N面錐反射鏡3的一個(gè)錐面，N個(gè)子視場(chǎng)隔離板11中每個(gè)子視場(chǎng)隔離板11分別對(duì)應(yīng)N面錐反射鏡3的每個(gè)棱面，二元光學(xué)器件6安裝在組合球透鏡5的兩個(gè)半球之間，組合球透鏡5與二面鏡反射陣列系統(tǒng)組成光學(xué)成像系統(tǒng)，光纖組合面板7與CCD接收器8粘貼組成光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)試精度的要求N為6、或8、或10。如圖3所示，光纖組合面板7為曲面，由環(huán)形視場(chǎng)光纖面板31和中心視場(chǎng)光纖面板32組成，中心視場(chǎng)光纖面板32置于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板31中并保持同心，為了保證紫外光和可見(jiàn)光在光纖組合面板7上的成像不出現(xiàn)像差，需要對(duì)紫外波段像面往前移動(dòng)，這樣使得中心視場(chǎng)光纖面板32的曲面要低于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板31的曲面。本發(fā)明工作時(shí)，環(huán)形視場(chǎng)的光線經(jīng)濾光鏡4將工作波段外的光i普濾掉后射入N面錐反射鏡3，入射光線由N面錐反射鏡3反射至平面反射鏡2,再由平面反射鏡2反射進(jìn)入組合球透鏡5、二元光學(xué)器件6成像，該成像經(jīng)環(huán)形視場(chǎng)光纖面板31展平后進(jìn)入CCD接收器8進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；中心視場(chǎng)的光線經(jīng)45。反射鏡1反射后直接進(jìn)入組合球透鏡5、二元光學(xué)器件6成像，該成像經(jīng)中心實(shí)施例本實(shí)施例采用八面錐反射鏡，八個(gè)濾光鏡、八個(gè)子視場(chǎng)隔離板，其中八面錐反射鏡的錐角設(shè)計(jì)成20。，使得環(huán)形視場(chǎng)的入射角度為110°~150°,中心視場(chǎng)和環(huán)形4見(jiàn)場(chǎng)都有遮光罩，可有效防止中心-現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)形岸見(jiàn)場(chǎng)外雜光引起的相互千擾；由濾光鏡提取有效工作波段，可選擇性強(qiáng)；8個(gè)子視場(chǎng)組成的反射陣列較6個(gè)子視場(chǎng)增加了2個(gè)計(jì)算參量，有利于提高測(cè)量精度。紫外恒星與地球的紫外輻射能量上相差較大，這就要求CCD的感光動(dòng)態(tài)范圍很大，不然要在一個(gè)CCD上同時(shí)處理兩個(gè)目標(biāo)像難度較大，地球邊緣紫外輻射能量較恒星可見(jiàn)光的輻射能量強(qiáng)，為了敏感到恒星，因而要求光學(xué)系統(tǒng)要有大的相對(duì)孔徑，才能保證光學(xué)系統(tǒng)能夠接收更多的目標(biāo)輻射。為了克服這些困難，本實(shí)施例選擇可見(jiàn)光波段500nm800nm作為恒星工作波段；選擇355~365nm作為觀測(cè)地球工作波段，這兩個(gè)波段的輻射從能量上計(jì)算都在CCD探測(cè)器的工作動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，但是要一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)完成兩個(gè)波段同時(shí)成像，這是一個(gè)雙光譜成像的重要的技術(shù)問(wèn)題，一般常規(guī)鏡頭不容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用球透鏡與二元光學(xué)器件組成透鏡系統(tǒng)，其中球透鏡鏡頭材料選用藍(lán)寶石，該材料抗沖擊、耐腐蝕、耐高溫，在短波范圍折射率大，有利于消除光學(xué)系統(tǒng)球差，與二面鏡反射陣列系統(tǒng)構(gòu)成超大視場(chǎng)角光學(xué)系統(tǒng)，二元光學(xué)器件在孔徑光欄處的平面上，孔徑光欄大小為小6mm,球透鏡口徑為(()19mm,光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑接近1/1。二元光學(xué)器件臺(tái)階形狀如圖4所示，采用八臺(tái)階，臺(tái)階周期數(shù)為22,最小線寬為10nm,可見(jiàn)光波段中心波長(zhǎng)為0.550|um,這樣利用二元光學(xué)器件和球透鏡組成的透鏡系統(tǒng)將兩個(gè)不同波段的光譜衍射在光纖組合面板上，球透鏡系統(tǒng)中加入二元光學(xué)器件可消除光學(xué)系統(tǒng)中的像差，提高系統(tǒng)中的成像質(zhì)量。由于兩個(gè)像面離開(kāi)一定的距離，將光纖組合面板的中心視場(chǎng)組合面板和環(huán)形視場(chǎng)組合面板的曲率半徑設(shè)計(jì)為12.980±0.01mm，并使中心視場(chǎng)光纖面板的曲面要低于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板的曲面0.18±0.01mm，保證了兩個(gè)視場(chǎng)的衍射像均為一級(jí)衍射像。CCD接收器要求宇航級(jí)，可以適應(yīng)空間環(huán)境，對(duì)紫外光譜靈敏度高，要求具有較高的量子效率，本實(shí)施例采用英國(guó)的E2v-CCD-4720。本實(shí)施例的工作效果為對(duì)于可見(jiàn)光波段，波長(zhǎng)為500nm800nm的光斑的中心能量分布如圖5所示，可見(jiàn)光波段的點(diǎn)列如圖6所示，80%能量光斑半徑小于22|um;對(duì)于紫外波段，紫外波段像面往前移動(dòng)約0.18mm,波長(zhǎng)為360nm的光斑的中心能量分布如圖7所示，紫外光的點(diǎn)陣列如圖8所示，波長(zhǎng)360nm點(diǎn)列陣80°/。能量光斑半徑25|im。表1、表2分別是本發(fā)明與國(guó)外紫外敏感器的有關(guān)技術(shù)參數(shù)表1美國(guó)Honeywell公司紫外地球壽丈感器技術(shù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2本發(fā)明紫外導(dǎo)航敏感器技術(shù)參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通過(guò)以上兩個(gè)表格內(nèi)技術(shù)參數(shù)的比較可以看到本發(fā)明所研制的紫外導(dǎo)航敏感器克服了Honeywell公司的紫外地球敏感器存在的問(wèn)題，創(chuàng)造了雙波段、大孔徑成像光學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)造了雙像面的焦平面處理方法。本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。權(quán)利要求1、一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括斜裝反射鏡(1)、平面反射鏡(2)、N面錐反射鏡(3)、N個(gè)濾光鏡(4)、組合球透鏡(5)、二元光學(xué)器件(6)、光纖組合面板(7)、CCD接收器(8)，所述的光纖組合面板(7)為曲面，由環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)和中心視場(chǎng)光纖面板(32)組成，中心視場(chǎng)光纖面板(32)置于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)中并保持同心，中心視場(chǎng)光纖面板(32)的曲面低于環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)的曲面；所述的二元光學(xué)器件6安裝在組合球透鏡5的兩個(gè)半球之間；環(huán)形視場(chǎng)的光線經(jīng)濾光鏡(4)濾光后射入N面錐反射鏡(3)，入射光線由N面錐反射鏡(3)反射至平面反射鏡(2)，再由平面反射鏡(2)反射進(jìn)入組合球透鏡(5)、二元光學(xué)器件(6)成像，該成像經(jīng)環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)展平后進(jìn)入CCD接收器(8)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；中心視場(chǎng)的光線經(jīng)斜裝反射鏡(1)反射后直接進(jìn)入組合球透鏡(5)、二元光學(xué)器件(6)成像，該成像經(jīng)中心視場(chǎng)光纖面板(32)展平后進(jìn)入CCD接收器(8)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括中心視場(chǎng)遮光罩(9)、環(huán)形視場(chǎng)遮光罩(10)，中心視場(chǎng)遮光罩(9)與斜裝反射鏡(1)固聯(lián)防止雜光入射，環(huán)形視場(chǎng)遮光罩(2)與N面錐反射鏡(3)固聯(lián)防止雜光入射。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)還包括N個(gè)子視場(chǎng)隔離板(11),每個(gè)子視場(chǎng)隔離板(11)分別對(duì)應(yīng)N面錐反射鏡(3)的每個(gè)棱面。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的N為6、或8、或10。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外導(dǎo)航壽文感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的N為6、或8、或10。6、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的斜裝反射鏡為45。反射鏡。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的斜裝反射鏡為45。反射鏡。8、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紫外導(dǎo)航l丈感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖組合面板(7)中環(huán)行視場(chǎng)光纖面板(31)和中心視場(chǎng)光纖面板(32)的曲率半徑為12.98土0.01mm。9、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于的曲率半徑為12.98±0.01mm。10、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紫外導(dǎo)航每丈感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的中心視場(chǎng)光纖面板(32)的曲面較環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)的曲面低0.18士0.01mm。11、根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的中心視場(chǎng)光纖面板(32)的曲面較環(huán)形視場(chǎng)光纖面板(31)的曲面低0.18士0.01mm。全文摘要一種紫外導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)包括斜裝反射鏡、平面反射鏡、N面錐反射鏡、N個(gè)濾光鏡、組合球透鏡、二元光學(xué)器件、光纖組合面板和CCD接收器，環(huán)形視場(chǎng)的光線經(jīng)濾光鏡濾光后射入N面錐反射鏡，入射光線由N面錐反射鏡反射至平面反射鏡，再由平面反射鏡反射進(jìn)入組合球透鏡、二元光學(xué)器件成像，該成像經(jīng)環(huán)形視場(chǎng)光纖面板展平后進(jìn)入CCD接收器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；中心視場(chǎng)的光線經(jīng)斜裝反射鏡反射后直接進(jìn)入組合球透鏡、二元光學(xué)器件成像，該成像經(jīng)中心視場(chǎng)光纖面板展平后進(jìn)入CCD接收器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。本發(fā)明能夠同時(shí)接收紫外光和可見(jiàn)光，可以克服視場(chǎng)外雜光和子視場(chǎng)間的相互干擾，并且環(huán)形視場(chǎng)動(dòng)態(tài)工作范圍寬，環(huán)形視場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到20°。文檔編號(hào)B64G1/24GK101236296SQ20081005734公開(kāi)日2008年8月6日申請(qǐng)日期2008年1月31日優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日發(fā)明者尉志軍,立王,創(chuàng)白,苗興華申請(qǐng)人:北京控制工程研究所