基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，属于空间光学系统技术领域，其包括镜筒、与镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在镜筒内的光学成像镜头，光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；透镜组具有空气间隔结构，且透镜组通过消杂光镜座同轴地固定在镜筒内；孔径光阑与镜筒内侧固定连接；内嵌遮光罩与镜筒内侧固定连接，且内嵌遮光罩位于空气间隔结构内。本发明专利技术采用外置遮光罩与光学成像镜头联合抑制杂光的方式，可实现传统二级遮光罩的杂光抑制性能，达到传统两级遮光罩的消杂光效果，同时充分利用了光学成像镜头的内部空间，降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台。

Optical system of micro nano star sensor based on combined stray light

The invention relates to a micro-nano star sensor optical system based on combined extinction of stray light, which belongs to the technical field of space optical system. It comprises a lens barrel, an external mask connected with the beam incidence end of the lens barrel and an optical imaging lens fixed in the lens barrel. The optical imaging lens includes a lens group, an extinction lens base and an aperture light. The lens group has an air-spaced structure, and the lens group is fixed coaxially in the lens barrel through the antialiasing mirror seat; the aperture diaphragm is fixed and connected with the inner side of the lens barrel; the embedded mask is fixed and connected with the inner side of the lens barrel, and the embedded mask is located in the air-spaced structure. The invention adopts the method of combining an external shade with an optical imaging lens to suppress stray light, realizes the stray light suppression performance of the traditional two-stage shade, achieves the stray light elimination effect of the traditional two-stage shade, and makes full use of the internal space of the optical imaging lens, reduces the overall volume of the star sensor and makes the star sensitive with high precision. Sensilla can be applied to the micro nano platform.

【技术实现步骤摘要】
基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统
本专利技术涉及空间光学系统
，特别是涉及一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统。
技术介绍
星敏感器是一种以恒星为参照目标的天文自主导航设备，其精度目前可达到亚角秒级别，是迄今为止最精密且漂移最小的空间姿态测量部件。由于近年来商业卫星的发展，适用于小型卫星平台的星敏感器已是目前的发展主流。小型卫星平台与大卫星相比空间杂光辐照变化更为复杂，且空间有限，因此星敏感器需要具有更小的体积以及更强杂光抑制能力，而光学系统是星敏感器提升性能的核心组件。星敏感器的光学系统主要由遮光罩及成像镜头构成，其中成像镜头的功能是采集恒星位置及能量信息，遮光罩的功能则是防止譬如太阳光、地气光等杂散光干扰恒星信息的采集。因此星敏感器对杂光最主要的抑制方法即通过在遮光罩内进行多次散射或反射，使规避角外的光线尽量少的进入镜头内部。根据几何关系，遮光罩的长度与杂光抑制角成反比例关系，为了使星敏感器获取更大的有效范围，通常采取加长遮光罩的方式实现杂散光抑制能力的提升，而这也将使星敏感器体积大幅提升。星敏感器杂光辐照源主要以地气光及太阳光为主，目前星敏感器对地气光与太阳光的规避方式大致分为两种：一种主要采用两级遮光罩对地气光及太阳光分别进行规避，其主要优势在于对杂散光的高度抑制，但体积过大使这类遮光罩更适合于大型卫星平台的高精度星敏感器，不适用于微小卫星平台使用，而这在很大程度上限制了微小卫星平台的姿态控制精度，因此目前两级遮光罩的设计主要集中于对外包络尺寸的优化；另一种是采用一级遮光罩对地气光及太阳光同时进行规避，其优点是遮光罩外包络尺寸小，但由于杂光散射次数的约束，其消杂光性能与两级遮光罩相比较低，杂散光抑制能力不够，影响星敏感器的星点像提取精度，为了使一级遮光罩可以适应高精度星敏感器的使用需求，可以采用异型挡光环实现对杂散光能量分布的控制。除此之外，目前已有少量机构着手研究采用光学系统内部进行杂光抑制，这种方式可以大幅缩减整机尺寸，但缺点也极为明显，即杂光抑制能力低于传统遮光罩设计方式的星敏感器，同时也会一定程度上加大光学系统的体积及成本。综上所述，星敏感器的遮光罩长度耦合了系统的杂光抑制性能，但星敏感器的整体发展趋于微纳化设计，因此如何在有限空间内最大程度上降低杂光对系统的影响是目前主流的研究方向，高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题，提供一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统。为解决上述问题，本专利技术采取如下的技术方案：一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，包括镜筒、与所述镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在所述镜筒内的光学成像镜头，所述光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；所述透镜组具有空气间隔结构，且所述透镜组通过所述消杂光镜座同轴地固定在所述镜筒内；所述孔径光阑与所述镜筒内侧固定连接；所述内嵌遮光罩与所述镜筒内侧固定连接，且所述内嵌遮光罩位于所述空气间隔结构内。本专利技术提出了一种具有高度消杂光能力的微纳化星敏感器光学系统，该光学系统采用外置遮光罩与光学成像镜头联合抑制杂光的方式，针对杂光传递路径对光学系统进行优化，使光学成像镜头内部形成空气间隔结构，并在该空气间隔结构内设置内嵌遮光罩，并配合消杂光镜座，再通过对光学成像镜头匹配一级外置遮光罩，即可实现传统二级遮光罩的杂光抑制性能，达到传统两级遮光罩的消杂光效果，克服了微纳化星敏感器消杂光能力弱的问题，同时该联合抑制杂光的方式充分利用了光学成像镜头的内部空间，最大程度上降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台。附图说明图1为本专利技术其中一个实施例中基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统的剖视图；图2为本专利技术其中一个具体实施方式中用于固定第一级透镜的消杂光镜座的局部放大图。具体实施方式本专利技术所提出的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统的设计原理是利用具有针对性约束的光学架构，通过设置内嵌遮光罩及消杂光镜座实现光学成像镜头内部消杂光，同时匹配一级外置遮光罩，从而实现两级遮光罩的杂光抑制效果，在确保星敏感器光学系统具备足够高的杂光抑制能力的前提下，最大限度上的降低了星敏感器的整机体积，有效解决了高精度星敏感器在微纳化设计过程中杂散光所带来精度下降的问题。下面将结合附图及较佳实施例对本专利技术的技术方案进行详细描述。在其中一个实施例中，如图1所示，基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统包括镜筒1、与镜筒1的光束入射端连接的外置遮光罩2和固定在镜筒1内的光学成像镜头，光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座4、孔径光阑5和内嵌遮光罩6；透镜组具有空气间隔结构，且透镜组通过消杂光镜座4同轴地固定在镜筒1内；孔径光阑5与镜筒1内侧固定连接；内嵌遮光罩6与镜筒1内侧固定连接，且内嵌遮光罩6位于空气间隔结构内。具体地，在本实施例中，基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统主要包括镜筒1、外置遮光罩2和光学成像镜头，其中镜筒1用于固定外置遮光罩2和光学成像镜头，光学成像镜头用于采集恒星位置及能量信息，同时光学成像镜头还具有消杂光的作用，外置遮光罩2用于遮挡杂散光(如地气光、太阳光等)，以减少杂散光对光学成像镜头采集恒星信息的干扰。光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座4、孔径光阑5和内嵌遮光罩6，其中透镜组通过消杂光镜座4同轴地固定在镜筒1内，即透镜组中的各个光学透镜通过镜座保证光轴的同轴度，同时透镜组具有空气间隔结构，内嵌遮光罩6固定在镜筒1的内侧并位于该空气间隔结构内，以实现在光学成像镜头内部会聚区域内对杂散光的吸收；孔径光阑5与镜筒1的内侧固定连接。本实施例中的外置遮光罩2和内嵌遮光罩6可采用已有的星敏感器用遮光罩实现，例如利用已有的吸收型遮光罩、反射式遮光罩、组合式遮光罩等均可，外置遮光罩2的外包络尺寸根据太阳光规避角、视场角以及第一片透镜的通光口径确定，其安装面与镜头安装面的基准保持一致，这样可以确保遮光罩与镜头间高度耦合的位置关系。本专利技术由于采用了内嵌遮光罩这种集成化的设计思路，外置遮光罩仅采用一级即可实现传统两级遮光罩的杂光抑制效果，这极大程度上降低了星敏感器的整机体积，使高精度星敏感器能够适配于微小卫星平台。本实施例所提出的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统具有以下优点：(1)联合消杂光光学系统采用外置一级遮光罩与内嵌遮光罩式镜头对杂光的联合抑制，实现了传统两级遮光罩的消杂光效果，最大程度上降低了整机体积，使高精度星敏感器可以适用于微纳化的卫星平台；(2)内嵌遮光罩式镜头通过在光学设计阶段的优化，使内部形成大空气间隔，并在这段空间设置内嵌式遮光罩，再配合消杂光镜座的消杂光设计，最终形成具有杂光抑制性能的高度集成化光学镜头。这种镜头不仅可以在联合消杂光光学系统中使用，同时还具备在弱杂散光环境下单独工作的能力。作为一种具体的实施方式，外置遮光罩2和内嵌遮光罩6均具有若干个挡光环，且内嵌遮光罩6内的各个挡光环的高度沿光束入射方向依次递增。如图1所示，外置遮光罩2和内嵌遮光罩6都具有若干个挡光环，其中挡光环的分布遵循相应的遮光罩的几何作图法，外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，包括镜筒、与所述镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在所述镜筒内的光学成像镜头，所述光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；所述透镜组具有空气间隔结构，且所述透镜组通过所述消杂光镜座同轴地固定在所述镜筒内；所述孔径光阑与所述镜筒内侧固定连接；所述内嵌遮光罩与所述镜筒内侧固定连接，且所述内嵌遮光罩位于所述空气间隔结构内。

【技术特征摘要】
1.一种基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，包括镜筒、与所述镜筒的光束入射端连接的外置遮光罩和固定在所述镜筒内的光学成像镜头，所述光学成像镜头包括透镜组、消杂光镜座、孔径光阑和内嵌遮光罩；所述透镜组具有空气间隔结构，且所述透镜组通过所述消杂光镜座同轴地固定在所述镜筒内；所述孔径光阑与所述镜筒内侧固定连接；所述内嵌遮光罩与所述镜筒内侧固定连接，且所述内嵌遮光罩位于所述空气间隔结构内。2.根据权利要求1所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，所述外置遮光罩和所述内嵌遮光罩均具有若干个挡光环，且所述内嵌遮光罩内的各个所述挡光环的高度沿光束入射方向依次递增。3.根据权利要求2所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，所述透镜组包括保护玻璃镜片和三分离式物镜，且所述孔径光阑位于所述三分离式物镜从物方至像方的第一级透镜和第二级透镜之间，所述空气间隔结构位于所述三分离式物镜从物方至像方的第二级透镜和第三级透镜之间。4.根据权利要求3所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，所述三分离式物镜的所述第一级透镜为双凸透镜，所述第二级透镜包括从物方至像方依次排列的双胶合透镜和正弯月形透镜，所述第三级透镜包括从物方至像方依次排列的双凸透镜、正弯月形透镜和双凹透镜。5.根据权利要求4所述的基于联合消杂光的微纳化星敏感器光学系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟遥，钟兴，李艳杰，刘江，苏志强，杨成龙，
申请(专利权)人：长光卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22