林子棋，張國(guó)玉，2，宋淑梅，高玉軍

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；3.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，用來(lái)測(cè)量航天器飛行姿態(tài)的星敏感器也有了很大進(jìn)展，因而對(duì)為星敏感器提供地面標(biāo)定設(shè)備的星模擬器正朝著更高星間角距和星等精度的方向發(fā)展。星模擬器用來(lái)模擬無(wú)窮遠(yuǎn)恒星發(fā)出的星光，主要用來(lái)模擬不同恒星發(fā)出星光的相對(duì)角距位置和星光的輻照度。星模擬器主要由兩大部分組成，一部分是星點(diǎn)顯示器，另一部分是準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)顯示星點(diǎn)器件的不同，可分為靜態(tài)星模擬器和動(dòng)態(tài)星模擬器[1-2]。靜態(tài)星模擬器是指星空?qǐng)D不隨時(shí)間的變化而變化；動(dòng)態(tài)星模擬器是指星空?qǐng)D隨時(shí)間的變化而變化。無(wú)論是動(dòng)態(tài)星模擬器還是靜態(tài)星模擬器，其核心器件都是星模擬器的光學(xué)系統(tǒng)，其成像質(zhì)量的好壞直接影響到星模擬器的質(zhì)量[3]。

1 動(dòng)態(tài)星模擬器的工作原理

動(dòng)態(tài)星模擬器的工作原理圖如圖1所示。由背光板發(fā)出的光均勻地照射在顯示器件TFT-LCD，將顯示器件 TFT-LCD放在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，TFT-LCD顯示出亮度均勻的星點(diǎn)，星點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后成平行光射出，模擬由恒星組成的星圖。同時(shí) TFT-LCD顯示器由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)時(shí)地顯示出星敏感器所對(duì)應(yīng)視場(chǎng)范圍內(nèi)的星圖。動(dòng)態(tài)星模擬器的主要功能是檢測(cè)星敏感器星圖識(shí)別和星跟蹤等功能[4]。

圖1 動(dòng)態(tài)星模擬器原理圖Fig.1 The schematic diagram of dynamic star simulators

圖2 光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Initiating structure of the optical system

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Layout of the optical system

2 星模擬器光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

星模擬器的光學(xué)系統(tǒng)類似于照相物鏡光學(xué)系統(tǒng)，將焦平面的星點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在無(wú)窮遠(yuǎn)處，為保證星模擬器的出瞳與星敏感器的入瞳相同，應(yīng)該嚴(yán)格控制星模擬器的出瞳距。為保證星模擬器對(duì)星敏感器標(biāo)定的有效性，星模擬器的視場(chǎng)應(yīng)比星敏感器的視場(chǎng)稍大。再根據(jù)所選顯示器件的尺寸來(lái)確定星模擬器光學(xué)系統(tǒng)的焦距。另外，與照相物鏡光學(xué)系統(tǒng)所不同的是星模擬器光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格控制畸變。要求光學(xué)系統(tǒng)有小畸變、小場(chǎng)曲和復(fù)消色差的成像質(zhì)量。星模擬器光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Systemparameters of collimating objective lens

3 星模擬器光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)選擇

星模擬器光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)選擇是否合理，其結(jié)果將直接影響到最終的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此選擇一個(gè)合理的初始結(jié)構(gòu)尤為重要。由于星模擬器的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳需要放在最后一片透鏡前方 40mm處，并且該光學(xué)系統(tǒng)有大的相對(duì)孔徑，因此如何提高軸外視場(chǎng)的成像質(zhì)量是選擇光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的重要因素。因?yàn)槠テ澐ノ镧R在靠近像面的地方增加一個(gè)負(fù)場(chǎng)鏡，可以用來(lái)矯正畸變和場(chǎng)曲，所以相對(duì)孔徑可以做的比較大[5]。簡(jiǎn)單化的匹茲伐照相物鏡系統(tǒng)布局圖如圖2所示。

4 星模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

5 像質(zhì)評(píng)價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)的畸變是影響星點(diǎn)位置的主要因素，但畸變的大小卻不影響光學(xué)傳遞函數(shù)MTF。因此在評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)不能僅用光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且要加入畸變的測(cè)量值DIMX來(lái)找出最大的畸變值。圖4給出了0°、5°、10°、12°、14°五個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖，從點(diǎn)列圖可知每個(gè)視場(chǎng)平行光所成光斑大小以及RMS半徑的大小。從圖4中可以看出所有視場(chǎng)的 RMS半徑均較小，在視場(chǎng)為14°時(shí)，RMS半徑最大，為14.571符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。圖5表明星模擬器的光學(xué)系統(tǒng)五個(gè)視場(chǎng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF在空間頻率為50lp/mm時(shí)均在0.4左右。圖6表示準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲，像散和畸變。從圖6中可以看出光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和像散都已矯正。通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)DIMX找到最大的畸變值，結(jié)果表明最大畸變?yōu)?.175%，小于規(guī)定的最大畸變0.2%，都符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4 點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagram

圖5 MTF曲線Fig.5 MTF curvature

圖6 場(chǎng)曲、畸變曲線Fig.6 Field curvature and distortion

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于 TFT-LCD顯示器的動(dòng)態(tài)星模擬器的光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)星敏感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，確定了該動(dòng)態(tài)星模擬器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)。該光學(xué)系統(tǒng)采用了八片透鏡其中一片是雙膠合透鏡，視場(chǎng)角為 28°，焦距，通過(guò)像質(zhì)評(píng)價(jià)得出各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

[1]劉亞平，李娟，張宏.星模擬器的設(shè)計(jì)與標(biāo)定[J].紅外與激光工程，2006，10(35)：24-28.

[2]趙晨光，譚久彬，劉儉，等.用于天文導(dǎo)航設(shè)備檢測(cè)的星模擬裝置[J].光學(xué)精密工程，2010，18(6)：1326-1332.

[3]李杰.APS星敏感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，2005.

[4]郝允慧，張國(guó)玉.小型靜態(tài)星模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J〕.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32(4)：545-546.

[5]馬萄，曹維國(guó)，李明，等.基于光學(xué)性能參數(shù)測(cè)試的CCD攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32(3)：370-372.