CN101477239B - 一种星敏感器镜头及其用于大温度范围精确测量恒星方位角的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星敏感器镜头及其用于大温度范围精确测量恒星方位角的方法，包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器、光阑和兼作保护窗的滤光片。所述透镜为四片，每两片结合成一组，两组透镜对称放置在光阑的两侧，在两透镜组的外侧安放有物镜伸缩环，二透镜组的中间设有起复位和紧固作用的弹性环。利用所述伸缩环的热胀冷缩效应，以被动方式微调两透镜组的间距，使透镜的间距微调量引起的焦距偏移量与透镜和镜筒热效应引起的焦距热偏移量相互抵消。本发明星敏感器镜头焦距的热稳定性好：经计算，镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于2×10-6，在大温差条件下，星敏感器测量恒星方位角的精度达到亚角秒量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种星敏感器的镜头及其用于大温度范围精确测量恒星方位角的方法。
背景技术
星敏感器是自主测量航天器姿态的常用光电仪器之一。航天器所处的环境温度范围为-20℃至+60℃，镜头焦距的热稳定性对星敏感器的测量误差有明显的影响。在文献已公开的星敏感器中，镜头焦距随环境温度的升降发生显著变化，导致星敏感器对恒星方位角的测量值出现较大误差。通常采取以下两种方法，使星敏感器在环境温度升降的条件下保持较高的测量精度：
(1)减小星敏感器与环境温度有关的测量误差的常用方法是“修正值法”，即在事前了解镜头焦距值的温度偏移规律的基础上，实时检测镜头的温度，在测量数据处理过程中扣除镜头焦距的热偏移量
使经修正的方位角的计算值更接近理论值。上述修正方法适合用于中等精度星敏感器，不能满足高精度(例如，亚角秒级)星敏感器的需求。
(2)减小星敏感器与环境温度有关的测量误差的另一种方法是实时检测镜头焦距，在测量数据处理过程中使用准确的镜头焦距数据。但是，附加实时监测焦距的装置会增加航天器的载荷，并增大了星敏感器的复杂程度。
“自动调焦”的含义是使图像传感器的光敏面与景物的成像面始终对齐，从而获得清晰的图像。对于以景物为测量目标的数码照相机、摄像机而言，自动调焦技术具有良好效果和很高实用价值。
成都光电技术研究所作者在2005年发表题为“A Hybrid Athermal CCD Camera”的论文(SPIE Vol.5874，2005)，该文基于金属镜筒的热膨胀量与光学镜头热效应引起的成像面位移量互补的原理，确保CCD照相机在大温差环境中得到高清晰图像。
2006年《航空兵器》第3期刊载“光学***无热化设计在空空导弹上的应用研究”，提出低热膨胀系数和高热膨胀系数“双金属补偿式”无热化光学成像方案。
以上两文献所提出的技术方案，重在消除像面位移量对图像清晰度的影响。对于使用定焦镜头的数码照相机而言，“调焦”过程中，定焦镜头的焦距不变。在环境温度变化时，焦距随环境温度发生变化。使得普通定焦镜头的焦距值并不始终等于标称焦距值。
综上所述，国内文献已报道的航天光学***没有专门采取措施抑止温度变化引起的焦距热偏离量
发明内容
本发明的目的在于提供一种在-20℃至+60℃范围内，将物镜焦距的热偏离量减小到最低限度的星敏感器镜头，并提供一种运用所述镜头精确测量恒星像斑质心位置(从而计算恒星方位角)的方法。
本发明的星敏感器的镜头，包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器，兼作保护窗的滤光片和光阑，其特征在于，所述透镜为四片，每两片结合成一组，两组透镜对称放置在光阑的两侧构成球面透镜组，在两组透镜两侧安放有用于微调镜片间隔的伸缩环，在二组透镜的中间设有复位紧固的弹性环，伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动控制装置。
标定光电图像传感器的位置，使光敏面位于最佳离焦面位置。所述离焦面的特征在于：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值约为20微米，ΔR值不大于0.2微米。
伸缩环在-20℃至+60℃温度范围内的热变形效应微调两组透镜之间的间距，该间距微调量引起的镜头焦距偏移量抵消镜头焦距的热偏移量，控制镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于2×10-6。
在光电图像传感器和底座之间设有微调光电图像传感器位置的支承座，通过支承座与底座的热形变效应，微调图像传感器的光敏面，使之在大温度范围内与离焦面重合。
所述镜片的主要参数为：
所述镜片的材料、球面形状和厚度参数为：
曲面1：曲率半径19.05510mm，厚度3.32860mm，材料牌号：LAK3，折射率1.74693，折射率温度系数0×10-6/℃，热膨胀系数5.2×10-6/℃；
曲面2：曲率半径-76.73780mm；间隔1：0.80190mm；
曲面3：曲率半径-37.25010mm，厚度0.85480mm，材料牌号：F13，折射率1.62588，折射率温度系数2.4×10-6/℃，热膨胀系数9.6×10-6/℃；
曲面4：曲率半径22.10300mm；
间隔2：1.49406mm；
光阑：曲率半径∞；
间隔2：1.49406mm；
曲面6：曲率半径-34.60840mm，厚度0.85480mm材料牌号：F13；
曲面7：曲率半径27.54970mm；
间隔3：0.85480mm；
曲面8：曲率半径44.65530mm，厚度3.32850mm，材料牌号：LAK3；
曲面9：曲率半径-22.83450mm。
用本发明的镜头精确测量恒星方位角的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在标定温度下(例如20℃)测定光学***的焦距值f′标定；
(2)在-20℃至+60℃，利用反正切测角公式θ＝arctan(S/f)计算恒星方位角θ。公式中，成像***的焦距f值取标定值f′标定。即，令成像***焦距f的热偏移量在-20℃至+60℃均为零；
在正切测角公式中，恒星像斑的质心坐标S是图像传感器在离焦面上的实际测量值；
所述离焦面的特征在于：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值约为20微米，ΔR值不大于0.2微米。
本发明的优点：(1)星敏感器光学***焦距的热稳定性好：经计算，镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于2×10-6。(2)便于标定和校准。在20℃环境标定星敏感器的镜头焦距，在轨运行时无需另作校准。(3)在环境温度大幅度变化条件下，星敏感器光学***对视场中心区和边缘区的恒星成像，对光斑质心定位的精度基本一致，均达到亚角秒级。
附图说明
图1是本发明一实施例镜头结构示意图；
图2是实施例1的光路图；
图3是镜头组间距d与镜头焦距f随温度而变化的曲线图；
图4是镜头不同离焦面上的弥散斑点列图RMS半径值曲线图。
具体实施方式
实施例1：结合附图：
镜片1a、1b、光阑2和镜片1c、1d组成对称式物镜四片透镜组。3a和3b是伸缩环，其热变形量对透镜组的间距起微调作用(弹性环4起复位和紧固作用)，伸缩环材料为铝合金，厚度值为4.64mm(20℃)，其热膨胀系数＝27×10-6/℃。图像传感器6位于物镜后焦面10的右侧。支承环8对图像传感器6的轴向位置起微调作用，使传感器光敏面6与选定的离焦面9始终对齐。
5是金属镜筒，材料为钛合金TC4，热膨胀系数＝9.1×10-6/℃。11是滤光片(兼保护窗)。镜片以及图像传感器被环形紧固件固定在镜筒内，整个装置具备抗震和耐加速度的性能。
镜头焦距f：56mm，相对孔径：1/4.0。成像***含四片透镜(每两片结合成一组)，参数列于表1：
表1镜头的球面镜片参数
| 序号 | 曲率半径(mm) | 厚度(mm) | 材料 |
| 1 | 19.05510 | 3.32860 | LAK3 |
| 2 | -76.73780 | 0.80190 | |
| 3 | -37.25010 | 0.85480 | F13 |
| 4 | 22.10300 | 1.49406 | |
| 光阑 | ∞ | 1.49406 | |
| 6 | -34.60840 | 0.85480 | F13 |
| 7 | 27.54970 | 0.85480 |
| 序号 | 曲率半径(mm) | 厚度(mm) | 材料 |
| 8 | 44.65530 | 3.32850 | LAK3 |
| 9 | -22.83450 |
镜片材料和折射率：LAK3(n＝1.74693，β＝0×10-6/℃，a＝5.2×10-6/℃)；F13(n＝1.62588，β＝2.4×10-6/℃，a＝9.6×10-6/℃)，镜筒材料采用TC4(a＝9.1×10-6/℃)。
透镜组的位置可调，两透镜组是间距d：2.9881mm(20℃)，在温度-20℃～60℃条件下，变化范围3.0082mm～2.9681mm。
焦距偏移量补偿装置的结构和作用：如图1，焦距热偏移量补偿装置由伸缩环3与弹性环4组成。
镜片间距d与镜头焦距f随温度而变化的曲线如图3。以被动方式自动微调焦距偏移量的原理，是用伸缩环厚度的热变形控制两透镜组的间距d，使伸缩环热膨胀引起的焦距的偏移量与镜片、镜筒自身热效应引起的焦距的热偏移量“正、负相消”。
镜头右端，所述图像传感器6通过支承环8与底座7(镜筒5)相连，使得图像传感器的光敏面与离焦面9重合(如图1)。
确定最优离焦成像位置：所述离焦面，是一个特殊的成像位置。通过优选镜片的材料和曲面参数，使得该成像位置上大、小视场的恒星弥散斑半径近似相等。从而，在该离焦面上恒星像斑质心定位误差最小。
图4是镜头不同离焦面上像斑的变化规律。图中，0度、2度、4度和6度视场的像斑弥散斑半径随后截距的变化规律各不相同。本发明选择的离焦面的后截距为49.51mm(20℃)，点列图RMS半径值在19.4μm左右。
用本发明的镜头精确测量恒星方位角的方法，包括以下步骤：
(1)在标定温度下(例如20℃)测定光学***的焦距值f′标定；
(2)在-20℃至+60℃，利用反正切测角公式θ＝arctan(S/f)计算恒星方位角θ。公式中，成像***的焦距f值取标定值f′标定。即，令成像***焦距f的热偏移量在-20℃至+60℃均为零；
在正切测角公式中，恒星像斑的质心坐标S是图像传感器在离焦面上的实际测量值。
国内已发表的星敏感器，多数是在焦距存在热偏移量的条件下测量恒星像斑的质心位置。本发明的特点之一，是在焦距热偏移量得到补偿、离焦面与光敏面对齐的前提下，测量恒星像斑的质心位置。
本发明的镜片较少，对恒星像斑质心的定位精度和国内文献报道的6-8片透镜组相当。另一个特色是，镜片较少的镜头，故障率低且便于实现航天光学仪器的轻量化。
Claims (5)
1.一种星敏感器镜头，包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器，光阑和兼作保护窗的滤光片，其特征在于，所述透镜为四片，每两片结合成一组，两组透镜对称放置在光阑的两侧构成球面透镜组，在两组透镜两侧安放有用于微调镜片间隔的伸缩环，在二组透镜的中间设有复位紧固的弹性环，所述伸缩环在-20℃至+60℃温度范围内的热变形效应微调两组透镜之间的间距，使该间距微调量引起的焦距偏移量与透镜和镜筒热效应引起的焦距热偏移量相互抵消，控制镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于2×10-6使伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动控制装置，光电图像传感器的光敏面位于最佳离焦面位置。
2.根据权利要求1所述的星敏感器镜头，其特征在于，在光电图像传感器和底座之间设有微调光电图像传感器位置的支承座，通过支承座与底座的热形变效应，微调图像传感器的光敏面，使之在大温度范围内与离焦面重合。
4.根据权利要求1所述的星敏感器镜头，其特征在于，所述透镜的主要参数为：
曲面1：曲率半径19.05510mm，厚度3.32860mm，材料牌号：LAK3；
曲面2：曲率半径-76.73780mm；
间隔1：0.80190mm；
曲面3：曲率半径-37.25010mm，厚度0.85480mm，材料牌号：F13；
曲面4：曲率半径22.10300mm；
间隔2：1.49406mm；
光阑：曲率半径∞；
间隔2：1.49406mm；
曲面6：曲率半径-34.60840mm，厚度0.85480mm 材料牌号：F13；
曲面7：曲率半径27.54970mm；
间隔3：0.85480mm；
曲面8：曲率半径44.65530mm，厚度3.32850mm，材料牌号：LAK3；
曲面9：曲率半径-22.83450mm。
5.根据权利要求1所述的星敏感器镜头，其特征在于，所述离焦面的特征在于：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值约为20微米，ΔR值不大于0.2微米。
6.一种权利要求1所述星敏感器镜头用于测量恒星的方位角，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在20℃标定温度下，测定镜头焦距值f′标定；
步骤二：在-20℃至+60℃，利用正切测角公式θ＝arctan(S/f)计算恒星方位角θ；
所述正切测角公式中，镜头焦距f值取标定值f′标定，所述镜头焦距f的热偏移量Δf/f不大于2×10-6，热偏移量在不同温度下均为可忽略的小量；恒星像斑的质心坐标S是镜头离焦面上的实际测量值。
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