基于TFT-LCD的動態(tài)星模擬器光學系統(tǒng)設計

林子棋，張國玉，2，宋淑梅，高玉軍

(1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022；3.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

隨著航天技術的發(fā)展，用來測量航天器飛行姿態(tài)的星敏感器也有了很大進展，因而對為星敏感器提供地面標定設備的星模擬器正朝著更高星間角距和星等精度的方向發(fā)展。星模擬器用來模擬無窮遠恒星發(fā)出的星光，主要用來模擬不同恒星發(fā)出星光的相對角距位置和星光的輻照度。星模擬器主要由兩大部分組成，一部分是星點顯示器，另一部分是準直光學系統(tǒng)。根據(jù)顯示星點器件的不同，可分為靜態(tài)星模擬器和動態(tài)星模擬器[1-2]。靜態(tài)星模擬器是指星空圖不隨時間的變化而變化；動態(tài)星模擬器是指星空圖隨時間的變化而變化。無論是動態(tài)星模擬器還是靜態(tài)星模擬器，其核心器件都是星模擬器的光學系統(tǒng)，其成像質量的好壞直接影響到星模擬器的質量[3]。

1 動態(tài)星模擬器的工作原理

動態(tài)星模擬器的工作原理圖如圖1所示。由背光板發(fā)出的光均勻地照射在顯示器件TFT-LCD，將顯示器件 TFT-LCD放在準直光學系統(tǒng)的焦面上，TFT-LCD顯示出亮度均勻的星點，星點發(fā)出的光線經(jīng)過準直光學系統(tǒng)后成平行光射出，模擬由恒星組成的星圖。同時 TFT-LCD顯示器由計算機控制，實時地顯示出星敏感器所對應視場范圍內的星圖。動態(tài)星模擬器的主要功能是檢測星敏感器星圖識別和星跟蹤等功能[4]。

圖1 動態(tài)星模擬器原理圖Fig.1 The schematic diagram of dynamic star simulators

圖2 光學系統(tǒng)的初始結構圖Fig.2 Initiating structure of the optical system

圖3 光學系統(tǒng)結構圖Fig.3 Layout of the optical system

2 星模擬器光學系統(tǒng)主要參數(shù)

星模擬器的光學系統(tǒng)類似于照相物鏡光學系統(tǒng)，將焦平面的星點經(jīng)光學系統(tǒng)成像在無窮遠處，為保證星模擬器的出瞳與星敏感器的入瞳相同，應該嚴格控制星模擬器的出瞳距。為保證星模擬器對星敏感器標定的有效性，星模擬器的視場應比星敏感器的視場稍大。再根據(jù)所選顯示器件的尺寸來確定星模擬器光學系統(tǒng)的焦距。另外，與照相物鏡光學系統(tǒng)所不同的是星模擬器光學系統(tǒng)應嚴格控制畸變。要求光學系統(tǒng)有小畸變、小場曲和復消色差的成像質量。星模擬器光學系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Systemparameters of collimating objective lens

3 星模擬器光學系統(tǒng)的初始結構選擇

星模擬器光學系統(tǒng)初始結構選擇是否合理，其結果將直接影響到最終的光學系統(tǒng)設計，因此選擇一個合理的初始結構尤為重要。由于星模擬器的光學系統(tǒng)的出瞳需要放在最后一片透鏡前方 40mm處，并且該光學系統(tǒng)有大的相對孔徑，因此如何提高軸外視場的成像質量是選擇光學系統(tǒng)初始結構時考慮的重要因素。因為匹茲伐物鏡在靠近像面的地方增加一個負場鏡，可以用來矯正畸變和場曲，所以相對孔徑可以做的比較大[5]。簡單化的匹茲伐照相物鏡系統(tǒng)布局圖如圖2所示。

4 星模擬器光學系統(tǒng)設計結果

5 像質評價

光學系統(tǒng)的畸變是影響星點位置的主要因素，但畸變的大小卻不影響光學傳遞函數(shù)MTF。因此在評價光學系統(tǒng)時不能僅用光學傳遞函數(shù)進行評價，而且要加入畸變的測量值DIMX來找出最大的畸變值。圖4給出了0°、5°、10°、12°、14°五個視場的點列圖，從點列圖可知每個視場平行光所成光斑大小以及RMS半徑的大小。從圖4中可以看出所有視場的 RMS半徑均較小，在視場為14°時，RMS半徑最大，為14.571符合設計標準。圖5表明星模擬器的光學系統(tǒng)五個視場的光學傳遞函數(shù)MTF在空間頻率為50lp/mm時均在0.4左右。圖6表示準直光學系統(tǒng)的場曲，像散和畸變。從圖6中可以看出光學系統(tǒng)的場曲和像散都已矯正。通過評價函數(shù)DIMX找到最大的畸變值，結果表明最大畸變?yōu)?.175%，小于規(guī)定的最大畸變0.2%，都符合設計指標。

圖4 點列圖Fig.4 Spot diagram

圖5 MTF曲線Fig.5 MTF curvature

圖6 場曲、畸變曲線Fig.6 Field curvature and distortion

6 結論

本文設計了基于 TFT-LCD顯示器的動態(tài)星模擬器的光學系統(tǒng)，根據(jù)星敏感器的各項技術指標，確定了該動態(tài)星模擬器光學系統(tǒng)的參數(shù)。該光學系統(tǒng)采用了八片透鏡其中一片是雙膠合透鏡，視場角為 28°，焦距，通過像質評價得出各項指標均符合要求。

[1]劉亞平，李娟，張宏.星模擬器的設計與標定[J].紅外與激光工程，2006，10(35)：24-28.

[2]趙晨光，譚久彬，劉儉，等.用于天文導航設備檢測的星模擬裝置[J].光學精密工程，2010，18(6)：1326-1332.

[3]李杰.APS星敏感器關鍵技術的研究[D].北京：中國科學院，2005.

[4]郝允慧，張國玉.小型靜態(tài)星模擬器光學系統(tǒng)設計[J〕.長春理工大學學報：自然科學版，2009，32(4)：545-546.

[5]馬萄，曹維國，李明，等.基于光學性能參數(shù)測試的CCD攝像系統(tǒng)設計[J].長春理工大學學報：自然科學版，2009，32(3)：370-372.