一种具有消热差的动态星模拟器投影光学系统
技术领域
本发明属于航天器标定技术领域，特别涉及一种具有消热差的动态星模拟器投影光学系统。
背景技术
近年来，航空航天事业发展迅速，空间飞行器的使用也越来越广泛。随着空间技术的发展和飞行器姿态定位要求的提高，星敏感器作为空间飞行器中捕获和测量其飞行姿态信息的高精度空间姿态测量设备，其技术指标要求也愈来愈高。星模拟器作为星敏感器的地面上准确模拟天空中恒星位置的设备，也得到了越来越广泛的重视，为了适应极端环境，进一步保证星模拟器的测试性能，因此需要星模拟器在-40℃~60℃环境能够保证满足使用要求。
现有的动态星模拟器的光学系统的主要不足之处在于星间角距误差精度不够高，为了提高动态星模拟器光学系统星间焦距误差精度，需要增大光学系统焦距，而长焦系统成像质量易受环境温度变化影响，通常会超出光学系统的焦深距离，而星敏感器的工作温度范围要求在-40℃～60℃，现有的动态星模拟器光学系统无法在工作温度范围内保证精度要求，对温度范围控制要求较高，无法满足高精度星敏感器在不同温度下的地面测试和标定需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有消热差的动态星模拟器投影光学系统；为达到上述目的所采取的技术方案是：
一种具有消热差的动态星模拟器投影光学系统，包括光阑、镜筒和星点显示器件，所述光阑与星敏感器入瞳匹配，所述星点显示器件安装在镜筒的尾端，在镜筒内自前端至尾端依次同轴设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；第一透镜为双凸透镜，第二透镜为双凸透镜，第三透镜为双凹透镜，第四透镜为凸面朝向光阑方向的弯月透镜，第五透镜为凹面朝向光阑方向的弯月透镜；
其中，第二透镜与第一透镜的间隔为0.8~3.5毫米，且在间隔内设有第一隔圈；
第三透镜与第二透镜的间隔为1.77~4.5mm，且在间隔内设有第二隔圈；
第四透镜与第三透镜的间隔为1.8~5.5mm，且在间隔内设有第三隔圈；
第五透镜与第四透镜的间隔为12.82~18mm，且在间隔内设有第四隔圈。
第一透镜的厚度为8.07mm，第一透镜入射面的曲率半径为254.483mm，第一透镜出射面的曲率半径为-48.054mm；
第二透镜的厚度为7.5mm，第二透镜入射面的曲率半径为51.31mm，第二透镜出射面的曲率半径为-55.457mm；
第三透镜的厚度为7.88mm，第三透镜入射面的曲率半径为-55.738mm，第三透镜出射面的曲率半径为55.75mm；
第四透镜的厚度为15.46mm，第四透镜入射面的曲率半径为33.853mm，第四透镜出射面的曲率半径为28.463mm；
第五透镜的厚度为2.5mm，第五透镜入射面的曲率半径为-26.49mm，第五透镜出射面的曲率半径为-35.03mm。
优选的，第二透镜与第一透镜的间隔为3.5mm；
第三透镜与第二透镜的间隔为2.15mm，
第四透镜与第三透镜的间隔为5.24mm，
第五透镜与第四透镜的间隔为13.886mm。
优选的，所述星点显示器件采用LED显示器。
优选的，将第一至第四隔圈统称为隔圈，每个隔圈的材质热膨胀系数不完全相同，且当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈；所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节。
本发明所具有的有益效果为：本发明的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜组合为具有不同正负热差系数的透镜，共同用于校正光学系统热差、消除光学系统色差及缩短光路长度，场曲畸变图，全视场最大畸变达到为0.22%，可见能够满足小畸变的成像质量要求；在-40℃～60℃的工作温度范围内，像质保持稳定；将20℃时最佳像面在光轴上的位置记为0，所述最佳像面移动至0位置左边记为负值，移动至0位置右边记为正值，最佳像面位置随温度变化范围的移动范围为-18.35μm～26.21μm，成像质量依然良好，通过不同正负透镜的组合，最大离焦量都小于焦深65μm，因此达到被动消热差的目的。
本发明所模拟星点的星间角距误差精度高，优于5″，且在实际使用下，能够在不同温度下保持光学系统像质稳定，从而满足高精度星敏感器在不同温度下的地面测试和标定需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，本发明包括光阑1、镜筒2和星点显示器件8，所述光阑1与星敏感器入瞳匹配，所述星点显示器件8安装在镜筒2的尾端，所述星点显示器件8采用LED显示器，在镜筒2内自前端至尾端依次同轴设有第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7；第一透镜3为双凸透镜，第二透镜4为双凸透镜，第三透镜5为双凹透镜，第四透镜6为凸面朝向光阑1方向的弯月透镜，第五透镜7为凹面朝向光阑1方向的弯月透镜；
其中，第二透镜4与第一透镜3的间隔为0.8~3.5毫米，且在间隔内设有第一隔圈13；
第三透镜5与第二透镜4的间隔为1.77~4.5mm，且在间隔内设有第二隔圈12；
第四透镜6与第三透镜5的间隔为1.8~5.5mm，且在间隔内设有第三隔圈11；
第五透镜7与第四透镜6的间隔为12.82~18mm，且在间隔内设有第四隔圈10；
同时在第五透镜7与星点显示器件8之间设有挡圈9。
优选的，所述光阑1与第一透镜3之间的最短距离为30mm，所述光阑1口径为5mm；
第一透镜3的厚度为8.07mm，第一透镜入射面的曲率半径为254.483mm，第一透镜3出射面的曲率半径为-48.054mm；
第二透镜4的厚度为7.5mm，第二透镜入射面的曲率半径为51.31mm，第二透镜4出射面的曲率半径为-55.457mm；
第三透镜5的厚度为7.88mm，第三透镜入射面的曲率半径为-55.738mm，第三透镜5出射面的曲率半径为55.75mm；
第四透镜6的厚度为15.46mm，第四透镜入射面的曲率半径为33.853mm，第四透镜6出射面的曲率半径为28.463mm；
第五透镜7的厚度为2.5mm，第五透镜入射面的曲率半径为-26.49mm，第五透镜7出射面的曲率半径为-35.03mm。
透镜与透镜之间的间隔具体为，第二透镜4与第一透镜3的间隔为3.5mm；
第三透镜5与第二透镜4的间隔为2.15mm，
第四透镜6与第三透镜5的间隔为5.24mm，
第五透镜7与第四透镜6的间隔为13.886mm。
第一至第五隔圈的设计是根据每个隔圈安装位置的轴向热变形许用范围，采用与之热变形相互补的材质来制作该位置的隔圈；利用隔圈安装位置相邻的两个透镜的形状、热膨胀系数来计算该位置处轴向热变形许用范围。
当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈；所述异形隔圈包括圈本体，在圈本体外表面绕周向开设有应力环槽或者多个应力弧形槽节从而适应不同隔圈安装位置处的热变形。
通过分析各透镜变形情况计算出为各个隔圈分配的变形范围，调整隔圈材料和结构使其满足整体轴向变形范围，解决了在-40℃到60℃环境下光学系统热变形导致结构损坏影响成像质量的问题。
当隔圈安装位置的轴向热变形许用范围通过更换材质制作隔圈仍不能够满足要求时，采用异形隔圈，在异形隔圈上设有应力环槽或者多个应力弧形槽节，并且通过改变应力环槽或者应力弧形槽节的宽度深度，进一步保证了保证整体结构成像质量和机械结构热变形后不干涉
本发明的第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7组合为具有不同正负热差系数的透镜，共同用于校正光学系统热差、消除光学系统色差及缩短光路长度，场曲畸变图，全视场最大畸变达到为0.22%，可见能够满足小畸变的成像质量要求；在-40℃～60℃的工作温度范围内，像质保持稳定；将20℃时最佳像面在光轴上的位置记为0，所述最佳像面移动至0位置左边记为负值，移动至0位置右边记为正值，最佳像面位置随温度变化范围的移动范围为-18.35μm～26.21μm，成像质量依然良好，通过不同正负透镜的组合，最大离焦量都小于焦深65μm，因此达到被动消热差的目的。
本发明所模拟星点的星间角距误差精度高，优于5″，且在实际使用下，能够在不同温度下保持光学系统像质稳定，从而满足高精度星敏感器在不同温度下的地面测试和标定需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
