《表3 国内外星敏感器性能指标与本文设计指标对比》

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《大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计》

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由于所设计的星敏感器光学系统口径较大，初始光学系统在优化过程中可设置的有限可变参数造成畸变等像差不能够得到完全的校正，从而达不到成像质量的要求．因此，考虑在R-C系统的次镜M2前加入一对正负球面透镜（C1、C2）作为光阑校正球面透镜组来矫正光学系统的像散、场曲和畸变，在R-C系统的次镜M2与像面之间加入一组同轴球面透镜（C3、C4、C5）作为视场校正球面透镜组来扩大光学系统的视场，同时利用正负透镜相结合的方法来减小C1～C5各球面补偿透镜所引入的色差．像面前未加入CCD探测器的盖板玻璃，主要原因是盖板玻璃对于光学系统的影响主要体现在CCD探测器焦面的大小和盖板玻璃的厚度，当焦面较大、盖板玻璃较厚时通常要考虑其对像质的影响，而焦面较小且盖板玻璃较薄时，通常不会考虑盖板玻璃对于光学系统的影响．本文选择的CCD探测器的盖板玻璃较薄，约1mm，它对能量系统的影响主要是对离焦的影响，而对像质的影响很小，所以没有考虑盖板玻璃对于光学系统像质的影响．设计的星敏感器光学系统的光路如图2(b）所示．将初始结构参数，如主镜的顶点半径R1=250 mm、次镜的顶点半径R2=107.5mm、主镜面型参数e12=1.060 4、次镜面型参数e22=2.524 1和主、次镜初始间距l=140mm置入光学设计软件Zemax，通过Zemax软件的操作数对光学系统结构进行优化设计，最终达到成像质量的要求．其中Zemax软件根据入瞳直径250mm的设定确定各个透镜及反射镜的直径d，采用EFFL操作数控制光学系统整体焦距达到425mm，采用TTHI操作数控制C1～C5五个球面镜和M1、M2两个反射镜的通光面曲率半径rij、厚度T以及相邻两个球面镜的空气间隔L；采用操作数AXCL控制光学系统整体的倍率色差．主镜M1为空心反射镜，空心直径与C3、C4、C5的直径一致．次镜M2为实心反射镜，镶嵌在C2右侧的光线出射面上，M2的通光面曲率半径均与C2的光线出射面曲率半径一致，镶嵌深度与M2的厚度一致．优化设计后的星敏感器光学系统各透镜参数如表2所示，所设计的系统总长为339mm，质量为1.45kg．表3给出了国内外不同型号的星敏感器的指标[24]，能够看出，相较于国内外大多数星敏感器，本文设计的星敏感器在探测星等和质量等技术指标上都有一定的提高．