无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计

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1、航天返豳与遥感第32卷第3鬟36SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING2011年6月无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计汤天瑾(北京空间机电研究所，北京100080)摘要提出了一种犬相对孔径轻小型光学系统的设计方案，给出了设计方案及热分析结果。光学系统工謦谱段500～800nm，视场角90，耪砖蕊径111。2，光挚系统设季}结暴良好，弥教斑点径在鼹令像竞足寸之内．能够满足光学系统对能量集中度和弥散斑的要求。基于光学热补偿理论对光学系统进行了无热化分析争溥热设甘。通过分析不同滋度下的传递虽数争毙螫集中度曲线，簟以看出在-100C一400C温

2、度范蹦内系统性能稳定．基本实现无热化。关键词星敏感器大相对孔径光学设计消热设计巾图分类号：TN21文献标识码：A文章编号：1009—8518f201l}03-0036—07OpticalSystemDesignofLightStarTrackerwitllLowF-numberTang麓anjin(Beijill鬈InstituteofSpaceMechanics＆Electricity,B两illg100080，China)AbstractThePaperpresentsallopticalsystemdesignoflightCCDstarsensor旗斑lo

3、wF-number,andatermalizationisalsodonebasedonthecompensationtheoryofthermaldispersion，givingthedesignandthermo-opticalanalysisresults．ThelenssystemiscomposedofsevenlenswhichhasallF-numberofF／1。2．afieldofviewof9degrees,．andaworkingwavelengthrangeof500—800nm．Thegeometricspotdispersedintw

4、opixelsatitsfocalsurface，whichcansatisfiedtherequirementoftheer；circledenergyandspotdispersion．．Theencircledenergyandmodulationtransferfunctionofthelensatdifferenttemperaturesa弛givenasexamples．ItshowsthattheathermalopticalsystemCallworksteadilywithinthetemperaturerangeof一10℃—幻℃．Xeywor

5、dsStarsensorLowF-numberOpticaldesignAtermalization1引言星敏感器主要用乎恒星定位窬飞行器空闻姿态确定，其原理秀瞬时视场内豹星体发出的光经避光学系统成像在星敏感器的CCD光敏面上。通过图像处理岛星表拟合及相应的软件算法，得到飞行器的惯性坐标纛瞬时姿态爨。随着靛天事业懿飞速发展，星敏感器愁经广泛应用予军事领域及各秭民建场合。毒予星敏感器的空间工作环境较为特殊，温度变化尤为明显，系统要求小型、轻质，一般没有调焦机构，而环境温度的改变会萼

6、起光学元馋穰支撑结构的物理性能发生改变，导致光学系统焦蘑改变，像震恶化，近两影响其精

7、度强。因此．在前期设计阶段就应充分考虑星敏感器的特殊工作环境，不仅要保证能量均匀性等成像质量方面的要求。还要进行光学无热化设计，使其熊够在较宽的湿度场范嗣内保持性能稳定。无热化设计主要有电子主动式秃热设计、机械被动式无热设计和光学被动式无热设计。近年来叉提出了牧穰爨瘸：201l瑚—秘基金项目：国家麓大科技专项工餐第3期汤天蠛：无热化火相对孔径星教感器光学系统设计37一种新型的折衍射清热技术鞠。电子主动式无热化设计是由处理器计算击不同温度弓I起的像移，通过推动透镜移动进行补偿，消热效果好，但是结构复杂，稳定性较差；机械被动式无热化设计是通过选择高膨胀系数的材料，剃罴

8、其热胀冷缀推动透镜徽辘离移动来实现热拳}偿，采用这种设计方法酌系统稳定性高、结构篱单。但体积大，笨重[41；光学被动无热化设计是利用光学材料热特性的差异，通过不同材料的合理嘎配来消除环境温度交纯带来酶影噙，系统结梅麓单、质量轻、可靠健婷辫；折衍射秃热诧技术鼷是将光的波动理论波用餮光学系统消热设计中，利用光学系统的折衍射效应实现无热化[61。上述方法中，前三种应用最为广泛，技术也最为成熟，其中光学被动式无热化设诗与翦薅种方式耱毖具杏菱晚显优势，尤其适合现代成像系统小澄、轻康的需要。本文给出了一种大相对孔径星敏感器光学系统的设计结果和光热化分析，其中光学系统的无热亿设

9、计方法采用