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        大口徑離軸反射式星模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2014-03-27 02:03:31張文穎張國玉
        應(yīng)用光學(xué) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:離軸反射式拋物面

        張文穎,張國玉,2,3,張 雷

        (1.長春理工大學(xué), 吉林 長春 130000;2.吉林省光電測控儀器工程技術(shù)研究中心, 吉林 長春 130000;3.光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春130000)

        引言

        傳統(tǒng)的星敏感器是一種目前廣泛應(yīng)用的航天產(chǎn)品,是以恒星為觀測對象的光學(xué)姿態(tài)敏感器,主要用于衛(wèi)星、飛船等航天器在軌飛行時的姿態(tài)測量任務(wù)。當(dāng)前通常意義上的星敏感器屬于星圖儀方式的星敏感器,它首先需要拍攝某一區(qū)域星空的圖像,然后通過圖像處理算法檢測出圖像中的恒星影像,并利用恒星識別技術(shù)來確認(rèn)所觀測恒星的“身份”,最終完成姿態(tài)測量任務(wù)。

        為了測試星敏感器的性能,需要在地面測試中為其提供一定的觀測目標(biāo)作為輸入激勵,使星敏感器能夠產(chǎn)生一定的輸出。這種激勵源就是星模擬器,通??梢援a(chǎn)生具有一定空間位置關(guān)系的多束模擬星光,以形成特定的模擬星圖。星模擬器一般可分為動態(tài)星模擬器和靜態(tài)星模擬器。動態(tài)星模擬器所產(chǎn)生的模擬星圖是可變的;靜態(tài)星模擬器所產(chǎn)生的模擬星圖是不能改變的。本文介紹的星模擬器屬于靜態(tài)星模擬器,是衛(wèi)星控制分系統(tǒng)地面測試設(shè)備的組成部分,用于對星敏感器的功能和性能進(jìn)行測試,它用于模擬星對角距作為星敏感器的觀測目標(biāo)源。文中提出一種離軸反射式光學(xué)系統(tǒng),反射式光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的折射式光學(xué)系統(tǒng)相比,反射式系統(tǒng)無色差,因而也就不存在二級光譜的問題,容易實(shí)現(xiàn)輕型化設(shè)計(jì),滿足空間應(yīng)用對光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的要求。而共軸反射光學(xué)系統(tǒng)視場小,中心遮攔的存在嚴(yán)重影響了成像的像質(zhì),離軸反射光學(xué)系統(tǒng)不存在中心遮攔,提高了光學(xué)系統(tǒng)視場大小的同時極大地改善了系統(tǒng)成像質(zhì)量。

        1 靜態(tài)星模擬器工作原理與組成

        靜態(tài)星模擬器是一種在地面模擬天空中星的位置和亮度,以完成對星敏感器及姿態(tài)識別系統(tǒng)進(jìn)行功能測試的實(shí)驗(yàn)裝置,主要由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、星點(diǎn)分劃板組件、光源(背光板)、電源和安裝支架等組成。星等通過照明光源和調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來模擬,星光的光譜由濾光片進(jìn)行修正,無窮遠(yuǎn)處星光的模擬由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

        靜態(tài)星模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。靜態(tài)星模擬器工作原理是將一塊刻劃了若干透光微孔的標(biāo)準(zhǔn)星點(diǎn)分劃板放置在其準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上,光源通過濾光片修正星光光譜,照亮星點(diǎn)分劃板,形成模擬星點(diǎn),由模擬星點(diǎn)透射的光線經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡組平行射出,在星敏感器的入瞳處形成一幅完整的星圖,從而實(shí)現(xiàn)了對無窮遠(yuǎn)的恒星的模擬。系統(tǒng)工作時,電源對模擬器供電,通過調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來模擬星等;靜態(tài)星模擬器需要模擬無窮遠(yuǎn)處的恒星,所以本文采用了準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì),將所模擬星投射到無窮遠(yuǎn)處。靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直物鏡設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是保證能量守恒,并且與星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)相匹配。

        圖1 靜態(tài)星模擬器的組成與工作原理Fig.1 Configuration and operating principle of static star simulator

        2 拋物面反射鏡成像質(zhì)量分析與計(jì)算

        以水平方向?yàn)閄軸,垂直方向?yàn)閅軸,拋物面反射鏡的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,建立的坐標(biāo)系如圖2所示。

        圖2 拋物面反射鏡示意圖Fig.2 Schematic diagram of parabolic mirror

        拋物面反射鏡方程表示為y2=4f′x,其中f′為拋物面反射鏡焦距,焦點(diǎn)坐標(biāo)為(f′,0),設(shè)點(diǎn)P(f′,y2)為焦面上任意一點(diǎn),B(x1,y1)為拋物面反射鏡上任意一點(diǎn)。從P點(diǎn)發(fā)出的光入射到B點(diǎn)的入射光方程表示為

        (1)

        從焦點(diǎn)處發(fā)出的光線到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1,y1)的入射光線方程表示為

        (2)

        即從焦點(diǎn)處發(fā)出到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1,y1)的入射光線與X軸方向的夾角為β,從焦面上任意點(diǎn)P(f′,y2)點(diǎn)發(fā)出到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1,y1)的入射光線與X軸的夾角為γ,其反射光線與X軸的夾角為α,則反射光線斜率方程表示為

        (3)

        故從P點(diǎn)處發(fā)出到達(dá)B點(diǎn)處的入射光線對應(yīng)的反射光線方程為

        (4)

        在分析過程中可得出以下結(jié)論:

        1) 假設(shè)焦面上的P點(diǎn)固定,即y1為定值,則反射光線斜率|k|隨y1增大而減小,表明離軸量越大,反射光線越接近水平,不平行度越小。

        2) 假設(shè)拋物面反射鏡上的任意點(diǎn)B固定,相當(dāng)于y1為固定值,則反射光線斜率|k|在焦點(diǎn)任意點(diǎn)P處取得最小值即k=0,此時出射光線完全平行于X軸。隨著|y2|的增大,|k|不斷增大,說明焦面上的發(fā)光點(diǎn)離焦點(diǎn)越近,出射光線質(zhì)量越好,不平行度越小。

        通過以上對拋物面反射鏡焦平面的成像質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算與分析,驗(yàn)證了在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中廣泛采用拋物面反射鏡的合理性。

        3 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        3.1 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

        靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)要保證星像點(diǎn)位置準(zhǔn)確。靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于一個平行光管,將物方焦平面上的模擬星點(diǎn)成像在無窮遠(yuǎn)處,其出射的平行光束半徑的確定應(yīng)與星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一考慮。星模擬器的出瞳應(yīng)與星敏感器的入瞳重合,以保證星模擬器的所有星圖信息都能傳遞給星敏感器,因此,星模擬器準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)是一個出瞳在外的光學(xué)系統(tǒng)。為確保對星敏感器視場百分之百的覆蓋性,星模擬器視場應(yīng)略大于星敏感器視場。

        根據(jù)星敏感器使用要求, 設(shè)計(jì)了一個高成像質(zhì)量的大口徑長焦距光學(xué)系統(tǒng), 系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

        表1 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of collimating optical system

        3.2 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取

        該系統(tǒng)為大口徑長焦距結(jié)構(gòu),通常采用非球面反射物鏡,拋物面反射鏡采用單塊磨制的方法直接加工成所需的面形,該方法技術(shù)難度大,周期長,加工精度高,使用狀態(tài)和加工狀態(tài)一致,同時準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)為高精度的測試系統(tǒng),畸變過高會嚴(yán)重影響測試精度,故應(yīng)滿足消畸變性能。準(zhǔn)直物鏡光學(xué)系統(tǒng)主要由離軸主反射鏡和次反射鏡組成。主鏡為拋物面反射鏡,次鏡為平面反射鏡,用以折轉(zhuǎn)光路,減小系統(tǒng)的長度。

        準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的工作原理即將光源放置于焦面處,背光板發(fā)出的光束經(jīng)次平面反射鏡后到達(dá)拋物面反射鏡,后經(jīng)主鏡拋物面反射鏡反射成平行光束出射,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的功能。

        準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦距為3 000 mm,通光口徑為Φ300 mm,相對口徑為1/10,根據(jù)R-C系統(tǒng)計(jì)算公式:

        (5)

        可算出準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)拋物面反射鏡曲率半徑的大小為6 000 mm。

        由于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的其他參數(shù)都已確定,對于離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)待定的結(jié)構(gòu)參數(shù)是離軸量h和平面反射鏡的位置。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,可將準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)作為對無窮遠(yuǎn)處的恒星成像光學(xué)系統(tǒng)來考慮,在同一視場內(nèi),離軸量h越大,準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)模擬星點(diǎn)成像的彌散斑越大,所以會對準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的模擬星點(diǎn)成像質(zhì)量有一定的影響;離軸量h的增大同時還會增加拋物面反射鏡非球面度和母拋物面反射鏡半徑,從而加工難度增大,加工周期也隨之變長,所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,離軸量h應(yīng)考慮盡量減小,但離軸量h過小會造成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中心區(qū)域有遮攔。因此平面反射鏡應(yīng)放置在不遮擋視場邊緣出射光束的位置上,同時距離背光板要有一定距離。

        使用Zemax軟件進(jìn)行離軸量設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,經(jīng)過多次試取離軸量h大小后,選取離軸量h=220 mm,拋物面反射鏡鏡與平面反射鏡距離2 500 mm,平面反射鏡直徑大小為165.5 mm,準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

        圖3 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of collimation optical system

        3.3 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)分析

        準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后的系統(tǒng)像差曲線如圖4~7所示。因?yàn)樵撓到y(tǒng)為反射式系統(tǒng),所以無色差。評價中選取0.5 μm、0.65 μm、0.9 μm三個波長。由圖4可以看出畸變值很小,滿足系統(tǒng)相對畸變<0.01%要求。圖5所示點(diǎn)列圖選取了0°、0.025°、0.03535°、0.0425°、0.05° 5個視場,各個視場的點(diǎn)列圖RMS半徑和幾何半徑見表2??梢钥闯?,各視場彌散斑直徑較小。由圖6可知準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的波像差(均方值)不大于λ/14.29,滿足波像差(均方值)≤λ/10的要求。圖7為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線圖,MTF是所有光學(xué)系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù),可知在60 mm/lp時,全視場的MTF值高于0.3,表明系統(tǒng)具有較高的成像質(zhì)量,滿足準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)成像系統(tǒng)的要求。

        圖4 相對畸變曲線Fig.4 Relative distortion curve

        圖5 點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram

        圖6 波像差曲線Fig.6 Wave aberration curve

        圖7 MTF曲線Fig.7 MTF curve

        表2 點(diǎn)列圖光斑半徑Table 2 Spot radius

        3.4 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的裝校

        離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部分是框架,承載著系統(tǒng)的所有光學(xué)組件??蚣懿捎描T造鋁合金,在保證穩(wěn)定性的前提下降低質(zhì)量??蚣芡獠坑描F皮包覆,防止灰塵進(jìn)入,內(nèi)部涂黑色消光漆,消除雜光干擾,進(jìn)一步保證光管出射光的均勻性??蚣艿撞繋в?個調(diào)平底腳螺釘方便系統(tǒng)調(diào)平,且底腳螺釘可連接在光學(xué)隔振平臺上。該系統(tǒng)擬采用以下過程進(jìn)行裝校:

        1) 首先,利用重力對稱法確定出拋物面反射鏡的對稱軸,并作出標(biāo)記,調(diào)整基座,利用經(jīng)緯儀標(biāo)定水平方向的安裝基準(zhǔn)。

        2) 然后,將拋物面反射鏡安置于鏡座上,保證對稱軸處于水平位置。安裝自準(zhǔn)平面鏡和刀口儀,通過修切墊片形式,讓光軸和刀口儀高度相等。通過刀口儀觀察,防止鏡面變形。

        3) 安裝次反射鏡,調(diào)整次反射鏡的俯仰、偏擺位置,利用自準(zhǔn)原理調(diào)校次反射鏡位置。

        4) 安裝分劃板組件,分劃板組件由分劃板和滑筒調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成,并在分劃板后安置高斯目鏡和可見光源,通過高斯目鏡觀察,利用自準(zhǔn)原理調(diào)校切換反射鏡的位置并修切視差圈。拋物面反射鏡裝校圖如圖8所示,圖中1為拋物面反射鏡,2為自準(zhǔn)平面鏡,3為刀口儀。

        圖8 拋物面反射鏡裝校圖Fig.8 Alignment diagram of parabolic mirror

        4 結(jié)論

        為了實(shí)現(xiàn)對無窮遠(yuǎn)處恒星的模擬,根據(jù)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)確定星模擬器的主要參數(shù),選用一片拋物面反射鏡及一片平面反射鏡進(jìn)行設(shè)計(jì),采用系統(tǒng)離軸方法,在避開中心遮攔并改善像質(zhì)的同時,保持反射鏡系統(tǒng)小型化和輕型化的特色,通過Zemax軟件設(shè)計(jì)出的離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),視場角達(dá)到30′,工作波段0.5 μm~0.9 μm,RMS值優(yōu)于λ/10,通過像質(zhì)分析可以看出,該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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