基于TFT-LCD的动态星模拟器光学系统设计

2011-03-16林子棋张国玉宋淑梅高玉军

长春理工大学学报（自然科学版） 2011年2期

林子棋，张国玉，2，宋淑梅，高玉军

(1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033)

随着航天技术的发展，用来测量航天器飞行姿态的星敏感器也有了很大进展，因而对为星敏感器提供地面标定设备的星模拟器正朝着更高星间角距和星等精度的方向发展。星模拟器用来模拟无穷远恒星发出的星光，主要用来模拟不同恒星发出星光的相对角距位置和星光的辐照度。星模拟器主要由两大部分组成，一部分是星点显示器，另一部分是准直光学系统。根据显示星点器件的不同，可分为静态星模拟器和动态星模拟器[1-2]。静态星模拟器是指星空图不随时间的变化而变化；动态星模拟器是指星空图随时间的变化而变化。无论是动态星模拟器还是静态星模拟器，其核心器件都是星模拟器的光学系统，其成像质量的好坏直接影响到星模拟器的质量[3]。

1 动态星模拟器的工作原理

动态星模拟器的工作原理图如图1所示。由背光板发出的光均匀地照射在显示器件TFT-LCD，将显示器件 TFT-LCD放在准直光学系统的焦面上，TFT-LCD显示出亮度均匀的星点，星点发出的光线经过准直光学系统后成平行光射出，模拟由恒星组成的星图。同时 TFT-LCD显示器由计算机控制，实时地显示出星敏感器所对应视场范围内的星图。动态星模拟器的主要功能是检测星敏感器星图识别和星跟踪等功能[4]。

图1 动态星模拟器原理图Fig.1 The schematic diagram of dynamic star simulators

图2 光学系统的初始结构图Fig.2 Initiating structure of the optical system

图3 光学系统结构图Fig.3 Layout of the optical system

2 星模拟器光学系统主要参数

星模拟器的光学系统类似于照相物镜光学系统，将焦平面的星点经光学系统成像在无穷远处，为保证星模拟器的出瞳与星敏感器的入瞳相同，应该严格控制星模拟器的出瞳距。为保证星模拟器对星敏感器标定的有效性，星模拟器的视场应比星敏感器的视场稍大。再根据所选显示器件的尺寸来确定星模拟器光学系统的焦距。另外，与照相物镜光学系统所不同的是星模拟器光学系统应严格控制畸变。要求光学系统有小畸变、小场曲和复消色差的成像质量。星模拟器光学系统主要参数如表1所示。

表1 光学系统主要参数Tab.1 Systemparameters of collimating objective lens

3 星模拟器光学系统的初始结构选择

星模拟器光学系统初始结构选择是否合理，其结果将直接影响到最终的光学系统设计，因此选择一个合理的初始结构尤为重要。由于星模拟器的光学系统的出瞳需要放在最后一片透镜前方 40mm处，并且该光学系统有大的相对孔径，因此如何提高轴外视场的成像质量是选择光学系统初始结构时考虑的重要因素。因为匹兹伐物镜在靠近像面的地方增加一个负场镜，可以用来矫正畸变和场曲，所以相对孔径可以做的比较大[5]。简单化的匹兹伐照相物镜系统布局图如图2所示。

4 星模拟器光学系统设计结果

5 像质评价

光学系统的畸变是影响星点位置的主要因素，但畸变的大小却不影响光学传递函数MTF。因此在评价光学系统时不能仅用光学传递函数进行评价，而且要加入畸变的测量值DIMX来找出最大的畸变值。图4给出了0°、5°、10°、12°、14°五个视场的点列图，从点列图可知每个视场平行光所成光斑大小以及RMS半径的大小。从图4中可以看出所有视场的 RMS半径均较小，在视场为14°时，RMS半径最大，为14.571符合设计标准。图5表明星模拟器的光学系统五个视场的光学传递函数MTF在空间频率为50lp/mm时均在0.4左右。图6表示准直光学系统的场曲，像散和畸变。从图6中可以看出光学系统的场曲和像散都已矫正。通过评价函数DIMX找到最大的畸变值，结果表明最大畸变为0.175%，小于规定的最大畸变0.2%，都符合设计指标。