光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象，分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理，恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大，需要在光学设计阶段进行控制；建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法；在性能评价方面，除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外，提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统，焦距为95 mm，相对孔径为F/2.4，视场角为8°×8°，探测光谱范围为450～1 000 nm，3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差，全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明：2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm；在工作温度0～40 °C范围内，焦距变化量小于2.7 μm，温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。
星敏感器 无热化 光学设计 长焦距 质心漂移量 star sensor athermalization optical design long focal length centroid drifting 红外与激光工程
2020, 49(9): 20200061
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
高精度星相机是航天测绘、侦查相机实现精确定位测量的关键设备。分析了长焦距星相机光学系统设计难点，采用新型双高斯向远摄型过渡的结构型式，设计了精度达到亚秒级的星相机光学系统。光学系统焦距为200 mm，相对孔径为F/2，视场角为7.5°×7.5°，光谱范围为500~800 nm。针对恒星色温范围大的特性，在未采用特殊色散玻璃材料的情况下校正了光学系统的色差，实现不同色温恒星的质心位置一致性；采用负折射率温度系数的冕牌玻璃进行热补偿，实现光学系统对恒星探测的亚秒级无热化设计。设计结果表明：光学系统畸变优于0.003%，垂轴色差优于1.5 μm，2600 K~9800 K 范围内色温恒星的质心位置精度优于0.2″；在0 ℃~30 ℃范围内，焦距变化不超过5.1 μm，除1视场外质心位置精度均优于0.4″。
光学设计 星相机 无热化 消色差 质心漂移量
