為提高星敏感器探測極限星等的能力,采用改進(jìn)型卡塞格林系統(tǒng)、光闌校正球面透鏡組和視場校正球面透鏡組相結(jié)合的結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種光譜范圍為450～950nm、半視場為1.4°、入瞳直徑為250mm、焦距為425mm,且能夠矯正像散、場曲和畸變的大口徑折反式星敏感器光學(xué)系統(tǒng).基于像差理論的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)計算和Zemax軟件光線追跡的優(yōu)化設(shè)計,光學(xué)系統(tǒng)的次鏡遮攔比為0.43,成像點(diǎn)80%的能量集中在30μm內(nèi),最大畸變?yōu)?.081%,光學(xué)傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率34lp/mm處大于0.75,最大倍率色差為1.138μm,滿足星敏感器對成像的要求.對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析,在20次蒙特卡羅分析結(jié)果中,第13個結(jié)構(gòu)的績效函數(shù)最好,為4.975 16μm,第20個結(jié)構(gòu)的績效函數(shù)最差,達(dá)到7.799 57μm.通過對20次蒙特卡羅結(jié)構(gòu)的績效函數(shù)分析,所選定的公差值能夠很好地滿足光學(xué)系統(tǒng)性能基本要求,為加工和安裝過程中的誤差提供依據(jù). 

【文章來源】：光子學(xué)報. 2020,49(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

e12和e22隨β的變化曲線

圖1 e12和e22隨β的變化曲線由于所設(shè)計的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)口徑較大，初始光學(xué)系統(tǒng)在優(yōu)化過程中可設(shè)置的有限可變參數(shù)造成畸變等像差不能夠得到完全的校正，從而達(dá)不到成像質(zhì)量的要求．因此，考慮在R-C系統(tǒng)的次鏡M2前加入一對正負(fù)球面透鏡（C1、C2）作為光闌校正球面透鏡組來矯正光學(xué)系統(tǒng)的像散、場曲和畸變，在R-C系統(tǒng)的次鏡M2與像面之間加入一組同軸球面透鏡（C3、C4、C5）作為視場校正球面透鏡組來擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)的視場，同時利用正負(fù)透鏡相結(jié)合的方法來減小C1～C5各球面補(bǔ)償透鏡所引入的色差．像面前未加入CCD探測器的蓋板玻璃，主要原因是蓋板玻璃對于光學(xué)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在CCD探測器焦面的大小和蓋板玻璃的厚度，當(dāng)焦面較大、蓋板玻璃較厚時通常要考慮其對像質(zhì)的影響，而焦面較小且蓋板玻璃較薄時，通常不會考慮蓋板玻璃對于光學(xué)系統(tǒng)的影響．本文選擇的CCD探測器的蓋板玻璃較薄，約1mm，它對能量系統(tǒng)的影響主要是對離焦的影響，而對像質(zhì)的影響很小，所以沒有考慮蓋板玻璃對于光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)的影響．設(shè)計的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的光路如圖2(b）所示．將初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如主鏡的頂點(diǎn)半徑R1=250 mm、次鏡的頂點(diǎn)半徑R2=107.5mm、主鏡面型參數(shù)e12=1.060 4、次鏡面型參數(shù)e22=2.524 1和主、次鏡初始間距l(xiāng)=140mm置入光學(xué)設(shè)計軟件Zemax，通過Zemax軟件的操作數(shù)對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終達(dá)到成像質(zhì)量的要求．其中Zemax軟件根據(jù)入瞳直徑250mm的設(shè)定確定各個透鏡及反射鏡的直徑d，采用EFFL操作數(shù)控制光學(xué)系統(tǒng)整體焦距達(dá)到425mm，采用TTHI操作數(shù)控制C1～C5五個球面鏡和M1、M2兩個反射鏡的通光面曲率半徑rij、厚度T以及相鄰兩個球面鏡的空氣間隔L；采用操作數(shù)AXCL控制光學(xué)系統(tǒng)整體的倍率色差．主鏡M1為空心反射鏡，空心直徑與C3、C4、C5的直徑一致．次鏡M2為實(shí)心反射鏡，鑲嵌在C2右側(cè)的光線出射面上，M2的通光面曲率半徑均與C2的光線出射面曲率半徑一致，鑲嵌深度與M2的厚度一致．優(yōu)化設(shè)計后的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)各透鏡參數(shù)如表2所示，所設(shè)計的系統(tǒng)總長為339mm，質(zhì)量為1.45kg．表3給出了國內(nèi)外不同型號的星敏感器的指標(biāo)[24]，能夠看出，相較于國內(nèi)外大多數(shù)星敏感器，本文設(shè)計的星敏感器在探測星等和質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)上都有一定的提高．

星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)包括點(diǎn)列圖、畸變曲線、能量集中度曲線、倍率色差曲線等．在450～950nm光譜范圍內(nèi)，0.0°中心視場、0.7°視場、1°視場、1.2°視場、1.4°視場的點(diǎn)列圖如圖3所示，各視場的彌散斑圓度很好，彌散斑大小比較均勻．各視場彌散圓的直徑大小和能量中心偏移量如表4所示，彌散斑的直徑隨著視場角的增加而增大，0.0°中心視場的彌散斑直徑始終小于其它各視場的彌散斑直徑．1.4°視場的彌散斑直徑最大，達(dá)到15.03μm.0.7°視場和1°視場的能量中心偏移量最大，分別為0.039μm和0.027μm，完全滿足能量中心偏移量小于0.43μm的指標(biāo)．星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的相對畸變曲線如圖4所示，相對畸變越小，越有利于提高星敏感器的測量精度．通過優(yōu)化設(shè)計，從-1.4°至+1.4°的全視場范圍內(nèi)的最大相對畸變?yōu)?.081%，完全滿足相對畸變小于0.1%的設(shè)計指標(biāo)．圖5表示星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差曲線，圖5(a）代表各視場短波和長波之間的倍率色差曲線，圖5(b）代表不同波長與中心波長之間的倍率色差曲線，表5分別給出了短波-長波、短波-中心波長和長波-中心波長的倍率色差值．從結(jié)果可以看出，最大倍率色差為1.138μm，完全滿足倍率色差小于2μm的設(shè)計指標(biāo)．圖6為光學(xué)傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function,MTF）曲線，在奈奎斯特頻率34lp/mm處的MTF大于0.75，滿足MTF大于0.5的設(shè)計指標(biāo)．圖7為能量集中度曲線，從圖中能夠看出，能量分布更為均勻，能量集中度的分布情況理想，能量集中度在80%以上的彌散斑直徑均在15μm以內(nèi)，同時彌散斑直徑在30μm以內(nèi)的能量集中度均超過95%，因此較小的彌散斑直徑能夠精準(zhǔn)地補(bǔ)償加工公差．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大相對孔徑寬光譜星敏感器光學(xué)鏡頭設(shè)計[J]. 孟祥月,王洋,張磊,付躍剛,顧志遠(yuǎn).  紅外與激光工程. 2019(07)
[2]一種星敏感器光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與雜光分析[J]. 趙雨時,付躍剛,歐陽名釗,王加科.  長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2016(05)
[3]折反式大口徑星敏感器光學(xué)設(shè)計及雜散光分析[J]. 薛慶生.  光學(xué)學(xué)報. 2016(02)
[4]紫外星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及其鬼像分析[J]. 朱楊,張新,伍雁雄,張建萍,史廣維,王靈杰.  紅外與激光工程. 2016(01)
[5]大視場寬譜段星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 郭彥池,徐熙平,喬楊,米士隆,杜玉楠.  紅外與激光工程. 2014(12)
[6]含有非球面的寬波段大相對孔徑星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 鞏盾,田鐵印,王紅.  光學(xué)學(xué)報. 2013(08)
[7]折反式大口徑、大視場、寬光譜光學(xué)系統(tǒng)[J]. 明名,楊飛,趙金宇,張麗敏,吳小霞.  紅外與激光工程. 2012(01)
[8]全天時星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選擇[J]. 樊巧云,李小娟.  光學(xué)學(xué)報. 2011(11)
[9]基于高斯分布的星像點(diǎn)精確模擬及質(zhì)心計算[J]. 王海涌,費(fèi)崢紅,王新龍.  光學(xué)精密工程. 2009(07)
[10]基于CMOS APS的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J]. 何靈娜,崔維鑫,裴云天.  光電工程. 2007(11)

碩士論文
[1]折反式大視場星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 吳峰.蘇州大學(xué) 2004



本文編號：3139681