专利名称：：一种紫外月球敏感器的光学系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种紫外敏感器的光学系统，尤其涉及一种紫外月球敏感器的光学系统。技术背景目前，用于卫星姿态测量的敏感器主要有星敏感器、地球敏感器和太阳敏感器，如美国的Honeywell公司、德国的JenaOptronikGmbH/>司、意大利的OfficineGalileo公司、法国的Sodern公司以及丹麦的Terma公司等，其中美国的Honeywell公司报道了的紫外敏感器。目前，国外发表了两篇有关紫外敏感器的文章，1992年《Proc，of6thAIAA/USUCont.onSmallSatellites》，SessionW发表了名为《紫外三轴姿态敏感器》的文章，著者为JamesBling-Ross,TeresaFritz'DouglasPledger,主要介绍了。1993年《Proc，of7thAIAA/USUCont.onSmallSatellites))SessionVH.发表了名为《小卫星地球基准姿态确定系统的研制》的文章，著者为DouglasPledger,主要介绍了。国内文献主要报道了哈尔滨工业大学的紫外星敏感器、中国科学院光电技术研究所和国家天文台的星敏感器、清华大学的太阳敏感器，其中哈尔滨工业大学研究的是紫外星敏感器，但观测对象、探测波段及成像原理与该技术均不相同。紫外月球敏感器的工作原理源于紫外三轴地球姿态敏感器，美国霍尼韦尔公司申请的专利号为US5837894名称为"WideFieldofViewSensorwithdiffrativeOpticalCorrector"中公开的一种利用紫外谱段的三轴姿态敏感器，利用一个组合反射式二面镜反射阵列和一个球透镜系统，构成了一个具有超大视场角的组合光学系统，由于对地观测的是地球环形的图像，所以可利用中心视场来观测其它天体目标，这样就构成了一个光学系统具有两个信息通道同时敏感来自两个信息通道(如恒星、地球)的非常规光学系统，紫外地球敏感器通过对提取的目标信息进行处理后，为卫星提供三轴姿态数据和自主导航数据。图1是美国Honeywell公司紫外地球敏感器光学系统的工作原理图，紫外地球敏感器光学系统由平面反射镜和六面锥反射镜组成的二面镜反射阵列、球透镜与二元衍射元件组成的物镜光学系统、光纤面板与CCD器件组合成的探测器。成像过程是地球环形的紫外辐射首先经六面锥反射到平面反射镜，再由平面反射镜反射后进入球透镜，然后球透镜将地球环形成像到探测器组件上，由光纤面板将弯曲的像面再转换为平面像，同时完成紫外光谱转换；中心视场内的恒星直接通过球透镜成像在像面上，这个过程同时完成了对恒星和地球环形的成像。从图1中可以看出Honeywell公司紫外地球敏感器用于敏感恒星的中心视场为30°,用于敏感地球环形的环形视场为133°~143°，工作波段为260nm~280nm。紫外月球敏感器主要通过观测月球边缘与星敏感器联合确定卫星的滚动、俯仰和偏航姿态，紫外月球敏感器要观测的范围是从月球的表面到月球表面以上15°,因此要求紫外月球敏感器具有超大的观测视场角。一般对月观测卫星通常工作在低轨道上(大约在50~200公里左右)，卫星在轨对月球环形的张角>130°,而且轨道越低，对环形视场的动态范围要求越高。而现有Honeywell公司紫外地球敏感器的环形视场动态范围太小，只有5°,不能满足卫星对月球观测的动态工作范围。由于月球与地球刚好相反，月球周围没有大气包围，月球本身不发光，只是反射太阳光，从月球表面的反射光i普分布可看出，月球的反射特性与太阳的辐射分布基本相似，所以月球敏感器的工作波段与地球敏感器的工作波段不同，而现有的Honeywell公司紫外地球敏感器的工作波段为260nm280nm，不能满足月球观测的要求。另外紫外地球敏感器的二面镜反射阵列视场系统中6个子视场间没有隔离，不能避免视场外杂光干扰和子视场间的相互干^i^。
发明内容本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种紫外月球敏感器的光学系统，适用于月球轨道，环形视场动态工作范围宽，并可以克月M见场外杂光和子^L场间的相互干扰。本发明的技术解决方案是一种紫外月球^:感器的光学系统包括环形遮光罩、平面反射镜、N面锥反射镜、滤光片、对称式广角物镜、CCD接收器，所述的对称式广角物镜由第一透镜、第二透镜、光栏、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜组成，光栏位于第二透镜和第三透镜之间；入射光线由环形遮光罩入射至N面锥反射镜，由N面锥反射镜反射至平面反射镜，再由平面反射镜反射后经滤光片将工作范围外的光谱滤掉进入对称式广角物镜，入射光线首先经第一透镜和第二透镜组成的负组完成视场拓展进入光栏，入射光线充满光栏后射入第三透镜，第三透镜将入射光线向光轴方向汇聚射入第四透镜、第五透镜、第六透镜，经第七透镜折射后成像，该成像由CCD接收器进行光电转换。所述的光学系统还包括N个子视场隔离板，每个子视场隔离板分别对应N面锥反射镜的每个棱面。所述的N为6、或8、或10。所述的第一透镜、第二透镜、和第七透镜为熔石英材料，折射率均为1.45843,第一透镜的曲率半径分别为34.2mm、3.4mm,中心厚度为1.05士0.01mm,第二透镜的曲率半径分别为10,5mm、-7.5mm、63mm,中心厚度为5.1士0.01mm，第七透镜的曲率半径分别为-3.4mm、-11.32mm,中心厚度为0.9土0.01mm。所述的第五透镜为光学玻璃bak2,折射率为1.5399，曲率半径分别为-3.7mm、6.2mm,中心厚度为1土0.01mm。所述的第三透镜、第四透4竟、第六透镜为光学晶体材料CaF2，折射率均为1.43384,第三透镜的曲率半径分别为25.8mm、-5.3mm，中心厚度为1.8土0.01mm,第四透镜的曲率半径分别为5.2mm、-3.6mm,中心厚度为3士0.01mm,第六透镜的曲率半径分别为13.5mm、-5.4mm，中心厚度为2.35士0.1mm。所述的第一透镜与第二透镜的间距为0.94±0.01mm,第二透镜与光栏的间距为0.19士0.01mm,光栏与第三透镜间距为0.1±0.01mm，第三透镜与第四透镜的间距为0.1±0.01mm,第四透镜与第五透镜的间距为0.1土0.01mm，第五透镜与第六透镜的间距为0.38±0.01mm,第六透镜与第七透镜的间距为0.94士0.01mm。所述的环形视场入射光谱范围为300~450nm。所述的滤光片为带通滤光片，材料为Si02。本发明与现有技术相比具有以下优点(1)本发明由二面镜反射阵列系统、对称式广角物镜和CCD接收器组成，这种结构形式适用于大环形视场的工作条件，可以满足月球110°~150°环形视场才笨测的需要，环形-现场的动态范围达到20°,是国外的4倍，大大才是高了测量视场的动态范围，本发明不同环行^f见场的MTF值均大于0.5，80。/o能量集中度的弥散斑小于20ium。(2)本发明通过采用环形视场遮光罩的方式，可有效防止环形视场外杂光引起的相互干扰，采用隔离板可以使环形视场内的子视场间相互隔离。图1为美国Honeywell公司紫外地球敏感器的工作原理图；图2为本发明结构和工作原理图；图3为本发明对称式广角物镜结构图；图4为本发明对称式广角物镜光线传播图；图5为本发明环行视场MTF计算结果图；图6为本发明部分弥散斑计算结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述如图2所示，本发明由环形遮光罩1、平面反射镜2、N面锥反射镜3、滤光片4、对称式广角物镜5、CCD接收器6和隔离板7组成，平面反射镜2与N面锥反射镜3组成二面镜反射阵列系统，入射光线由环形遮光罩1入射至N面锥反射镜3,再反射至平面反射镜2，经平面反射镜2反射后经滤光片4进入对称式广角物镜5进行成像，该成像由CCD接收器6进行光电转换，隔离板7对入射光线进行隔离防止子视场内光线的相互干扰，根据测试精度的要求N为6、或8、或10。二面镜反射阵列系统是实现110°~150。环形视场的关键，该反射系统由两个反射平面即平面反射镜2和N面反射镜3构成一个二面反射角，这就是通常所谓的二面镜系统，二面镜系统的成像特性是二次反射像的坐标系统与原物坐标系统相同成一致^^,位于主截面内的光线，不^仑其入射方向如^r,出射光线与入射光线的夹角恒等于两平面反射镜夹角的两倍。本发明设计N面锥反射镜3的反射锥角为20°，对称式广角物镜5藏于N面锥反射镜3的下面可避免杂光的直接照射。实施例由于月球本身不发光，只是反射太阳光，从月球表面的反射光谱分布可看出，月球的反射特性与太阳的辐射分布基本相似。月球敏感器的工作波段与地球敏感器的工作波段不同，月球敏感器的工作波段为300-450nm。根据《嫦娥一号》卫星对紫外月球敏感器的功能要求，只需环形视场探测月球，不考虑中心视场的使用，紫外月球敏感器的探测头部由光学系统物镜和二面镜反射阵列组成光机组合系统，紫外月球壽丈感器所能观测的范围在月球表面15°以上，即探测范围为110°~150°,为了获得这样大的探测视场，采用一般的光学系统难以达到，因此组合利用一个非常规的广角光学系统，即由对称式广角物镜与二面镜反射阵列系统组成的广角光学系统。二面镜的锥棱镜采用阵列式八个反射面的形式，因为我们的目的是通过对月球边缘图像的处理得到月球中心位置，所以采用分段反射镜阵列比较合适，8个子视场组成的反射阵列较6个子视场增加了2个计算参量，有利于提高测量精度。在卫星到达月球表面上空200km的预定圓轨道时，由于紫外月球敏感器与月面距离较近，因此将月球作为面光源处理。当紫外月球敏感器环行视场正对月球圓盘时，月球对紫外月球敏感器的张角为127.4°左右，处于环形3见场的月球边缘反射的太阳紫外光谱，经过环形视场遮光罩由八面锥反射镜将光线反射到平面反射镜上，光线再经平面反射镜反射透过滤光片进入对称式广角物镜的视场，经对称式广角物镜将月球像直接成在CCD敏感面上，通过图像处理得到月球中心的坐标。如图3所示，本发明的对称式广角物镜6由第一透镜301、第二透镜302、光栏303、第三透镜304、第四透镜305、第五透镜306、第六透镜307和第七透镜308组成，光栏303位于第二透镜302和第三透镜304之间。对称式广角物镜5的结构形式适用于大视场物镜，采用负组透镜与正组透镜分离的结构形式，负组在前，正组在后。第一透镜301、第二透镜302构成负组，第三透镜304、第四透镜305、第五透镜306、第六透镜307和第七透镜308构成正组。第一透镜301、第二透镜302、和第七透镜308为熔石英材料，折射率均为1.45843,第一透镜301的曲率半径分别为34.2mm、3.4mm，中心厚度为1.05士0.01mm,第二透镜302的曲率半径分别为10.5mm、-7.5mm、63mm，中心厚度为5.1土0.01mm,第七透镜308的曲率半径分别为-3.4mm、-11.32mm，中心厚度为0.9士0.01mm。中间的第五透镜306为光学玻璃bak2,折射率为1.5399,曲率半径分别为-3.7mm、6.2mm,中心厚度1土0.01mm;其余三片双凸镜片为光学晶体材料CaF2，折射率为1.43384,第三透镜的曲率半径分别为25.8mm、-5.3mm,中心厚度1.8±0.01mm;第四透镜的曲率半径分别是5.2mm、-3.6mm,中心厚度为3土0.01mm;第六透镜的曲率半径分别是13.5mm、-5.4mm,中心厚度为2.35土0.1mm。在正组，第三透镜304使用晶体材料CaF2来进行色差的校正，并且采用厚透镜的结构形式来减少与视场相关的高级量，正组采用复杂化的第四透镜305、第五透镜306、第六透镜307组成的变形三片式结构形式来进行各种像差校正，经像差校正，完全满足工作要求。入瞳与第一透镜301的间距为2.1±0.03mm，第一透4竟301与第二透镜302的间距为0.94土0.01mm,第二透镜302与光栏303的间距为0.19士0.01mm,光栏303与第三透镜304间距为0.1±0.01mm,第三透镜304与第四透镜305的间距为0.1土0.01mm,第四透镜305与第五透镜306的间距为0.1士0.01mm,第五透镜306与第六透镜307的间距为0.38士0.01mm,第六透镜307与第七透镜308的间距为0.94土0.01mm。如图4所示，入射光线首先经滤光片4进行滤光后进入负组发散，对于正组来说，将视场角收缩到要求的视场范围，所以这种结构形式适用于大视场。滤光片4安置在对称式广角物镜镜头5的前面，由滤光片4确定的光语进入光学系统，这种结构形式紧凑、具有畸变小的特点，光学系统的实际光栏403位于第二透镜402与第三透镜404之间，使光学系统的入瞳距达到最小。入射光线首先经第一透镜401和第二透镜402组成的负组完成视场拓展进入光栏403，入射光线充满光栏403后射入第三透镜404,第三透镜404将入射光线向光轴方向会聚射入第四透镜405、第五透镜406、第六透镜407,经第七透镜408折射后成像。由于本发明光学系统镜片较多，其中对称式广角物镜的后六片尺寸小且密集，光学系统的同轴度和形位公差主要靠精密车床将配合尺寸一次装夹加工而成，光学系统中光学间隔通过装调的精确测量和隔圈的修切来达到，为了减少杂散光的影响，镜筒内腔及相关零件的非配合面有消光紋，工件进行黑色处理。由于对称式广角物镜镜头要经受过载和冲击等力学环境的试验，所以镜头的结构必须有足够的强度和刚度，为了改善光学系统中7片镜子的受力情况，把镜片分两组装配，正负组安装，为避免零件受力时松动，相应部位有顶丝并涂以防松胶，为适应真空环境下的出气要求，镜头内加工有导气槽，并防污染。由于镜头结构材料采用钛合金(TC4),其膨胀系数与光学镜片材料基本匹配，所以镜头在工作时不会因膨胀系数不同对光学零件产生应力。在物镜前加带通滤光片以保证系统工作在所要求的波段，滤光片采用单片的颜色玻璃作基底，选用长波截至膜系保证紫外区域高透过，选用Si02材料以保证紫外透明，可受空间粒子束辐射。CCD接收器要求宇航级，可以适应空间环境，对紫外光语灵敏度高，要求具有较高的量子效率，本实施例采用英国的E2v-CCD-4720。如图5所示，不同环行视场的MTF值均大于0.5,表1为MTF的数据；如图6所示，80%能量集中度对应的不同的弥散斑为0°视场的弥散斑为0mm,15。视场的弥散斑为2.5mm,19。视场的弥散斑为3.3mm，26。视场的弥散斑为4.7mm，29.7。视场的弥散斑为5.4mm,32。视场的弥散斑为5.97mm，35°视场的弥散斑为6.66mm。表1MTF数据(单诿MTF为基于宽谱像面的计算值)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本发明与国外紫外地球敏感器的技术参数比较如表2、表3所示。表2美国Honeywell公司紫外地球敏感器技术参数物镜光学系统光学孔径中心视场边缘视场工作波段-f见场压缩器探测器体积子视场球透镜+二元光学器件30。133~143。240n~300nm反射式ICCD1024x10242000cm26个表3本发明紫外月球敏感器技术参数物镜光学系统光学孔径中心视场边缘视场紫外波段视场压缩器探测器体积子视场广角物镜0.17crr^300110。~150°300nm~450nm反射式CCD1024x10249400cm28个由表2、表3对比可以看出，本发明的紫外月球每文感器工作范围范围大,环形视场的动态范围达到20°，是国外的4倍，大大提高了环形视场的动态范围，视场间相互隔离可有效防止视场外杂光干扰，经过试验验证是行之有效的防杂光措施；由滤光镜提取有效工作波段，可选择性强；8个子视场组成的反射阵列较6个子视场增加了2个计算参量，有利于提高测量精度。本发明未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。权利要求1、一种紫外月球敏感器的光学系统，其特征在于包括环形遮光罩(1)、平面反射镜(2)、N面锥反射镜(3)、滤光片(4)、对称式广角物镜(5)、CCD接收器(6)，所述的对称式广角物镜(5)由第一镜片(401)、第二透镜(402)、光栏(403)、第三透镜(404)、第四透镜(405)、第五透镜(406)、第六透镜(407)和第七透镜(408)组成，光栏(403)位于第二透镜(402)和第三透镜(404)之间；入射光线由环形遮光罩(1)入射至N面锥反射镜(3)，由N面锥反射镜(3)反射至平面反射镜(2)，再由平面反射镜(2)反射后经滤光片(4)将工作范围外的光谱滤掉进入对称式广角物镜(5)，入射光线首先经第一透镜(401)和第二透镜(402)组成的负组完成视场拓展进入光栏(403)，入射光线充满光栏(403)后射入第三透镜(404)，第三透镜(404)将入射光线向光轴方向会聚射入第四透镜(405)、第五透镜(406)、第六透镜(407)，经第七透镜(408)折射后成像，该成像由CCD接收器(6)进行光电转换。2、根据权利要求1所述的一种紫外月球敏感器的光学系统，其特征在于所述的光学系统还包括N个子视场隔离板(7),每个子视场隔离板(7)分别对应N面锥反射镜(3)的每个棱面。3、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的N为6、或8、或10。4、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的第一透镜(301)、第二透镜(302)、和第七透镜(308)为熔石英材料，折射率均为1.45843，第一透镜(301)的曲率半径分别为34.2mm、3.4mm，中心厚度为1.05土0.01mm,第二透镜(302)的曲率半径分别为10.5mm、-7.5mm、63mm，中心厚度为5.1士0.01mm，第七透镜(308)的曲率半径分别为画3.4mm、誦11.32mm，中心厚度为0.9士0.01mm。5、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的第五透镜(306)为光学玻璃bak2，折射率为15399,曲率半径分别为画3.7mm、6.2mm,中心厚度为1土0.01mm。6、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的第三透镜(304)、第四透镜(305)、第六透镜(307)为光学晶体材料CaF2，折射率均为1.43384,第三透镜(304)的曲率半径分别为25.8mm、-5.3mm,中心厚度为1.8±0.01mm，第四透镜(305)的曲率半径分别为5.2mm、-3.6mm,中心厚度为3土0.01mm,第六透镜(307)的曲率半径分别为13.5mm、-5.4mm，中心厚度为2.35士0.1mm。7、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的第一透镜(301)与第二透镜(302)的间距为0.94±0.01mm,第二透镜(302)与光栏(303)的间距为0.19±0.01mm,光栏(303)与第三透镜(304)间距为0,1土0.01mm，第三透镜(304)与第四透镜(305)的间距为0.1土0.01mm，第四透镜(305)与第五透镜(306)的间距为0.1土0.01mm,第五透镜(306)与第六透镜(307)的间距为0.38士0.01mm,第六透镜(307)与第七透镜(308)的间距为0.94士0.01mm。8、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的环形视场入射光谱范围为300~450nm。9、根据权利要求1或2所述的一种紫外导航敏感器的光学系统，其特征在于所述的滤光片(4)为带通滤光片，材料为Si02。全文摘要一种紫外月球敏感器的光学系统包括环形遮光罩、平面反射镜、N面锥反射镜、滤光片、对称式广角物镜、CCD接收器，入射光线由环形遮光罩入射至N面锥反射镜，经N面锥反射镜和平面反射镜反射后再经滤光片进入对称式广角物镜，入射光线首先经第一透镜和第二透镜完成视场拓展进入光栏，入射光线充满光栏后射入第三透镜，第三透镜将入射光线向光轴方向汇聚射入第四透镜、第五透镜、第六透镜，经第七透镜折射后成像，该成像由CCD接收器进行光电转换。本发明由二面镜反射阵列系统、对称式广角物镜和CCD接收器组成，这种结构形式适用于大环形视场的工作条件，大大提高了测量视场的动态范围；本发明可以克服视场外杂光和子视场间的相互干扰。文档编号G01C21/02GK101236297SQ20081005734公开日2008年8月6日申请日期2008年1月31日优先权日2008年1月31日发明者尉志军,张韩笑,白清兰,伟蔡,郝云彩申请人:北京控制工程研究所