基于LCOS的动态星模拟器光学系统设计
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摘要
星模拟器是星敏感器的地面标定的试验设备,星模拟器标定精度受其光学系统成像质量的制约。论文针对星模拟器的技术指标要求,设计一种高成像质量的星模拟器光学系统。
论述了一种以高分辨率、高对比度LCOS作为星图显示器件的动态星模拟器,介绍了动态星模拟器的组成、工作原理和基本功能,根据指标要求设计了一种焦距为103.877mm、视场为10°×10°、工作波长为0.47μm-0.76μm、通光口径为36mm、出瞳距为55mm、平行度误差≤10”、畸变小于0.1%的光学系统。经过像差校正后的光学系统成像质量良好,最大畸变仅为-0.037734%,在空间频率601p/mm时,全视场MTF≥0.69,最大平行度误差为1.93”。最后对光学系统进行公差分析,在所提出的公差下,分析结果表明光学系统设计良好。
The star simulator is a kind of laboratory equipment for ground calibration of the star sensor.Along with fast developing of star sensor,higher and higher accuracy of the star simulator calibration is reqired.For the development of the core display restrict the development of star simulator,to improve the accuracy of the star simulator calibration, it is neccessary to find a kind of star map display with high resolution、high contrast and small pixel.
Aiming at the requirement of high calibration accuracy about star simulator, this paper discusses a star simulator which use LCOS as core display,the LCOS with high resolution and high contrast. Introduce the structure,work principle and basic founction of the star simulator,and design optical system which of 103.877mm focal length,10°×10°field of view,0.4μm～0.76μm wavelength,36mm light pass aperture,55mm pupil distance. parallelism error≤10",distortion<0.1%.
According to the index requirement choose distortionless eyepiece as initial structure,and optimize the initial structure by ZEMAX software,the structure has six sphere lens,the image quality of the optical system is good after aberrational correction. At last,analyze tolerance of the system,the result shows that this optical system meet the requierment.
论述了一种以高分辨率、高对比度LCOS作为星图显示器件的动态星模拟器,介绍了动态星模拟器的组成、工作原理和基本功能,根据指标要求设计了一种焦距为103.877mm、视场为10°×10°、工作波长为0.47μm-0.76μm、通光口径为36mm、出瞳距为55mm、平行度误差≤10”、畸变小于0.1%的光学系统。经过像差校正后的光学系统成像质量良好,最大畸变仅为-0.037734%,在空间频率601p/mm时,全视场MTF≥0.69,最大平行度误差为1.93”。最后对光学系统进行公差分析,在所提出的公差下,分析结果表明光学系统设计良好。
The star simulator is a kind of laboratory equipment for ground calibration of the star sensor.Along with fast developing of star sensor,higher and higher accuracy of the star simulator calibration is reqired.For the development of the core display restrict the development of star simulator,to improve the accuracy of the star simulator calibration, it is neccessary to find a kind of star map display with high resolution、high contrast and small pixel.
Aiming at the requirement of high calibration accuracy about star simulator, this paper discusses a star simulator which use LCOS as core display,the LCOS with high resolution and high contrast. Introduce the structure,work principle and basic founction of the star simulator,and design optical system which of 103.877mm focal length,10°×10°field of view,0.4μm～0.76μm wavelength,36mm light pass aperture,55mm pupil distance. parallelism error≤10",distortion<0.1%.
According to the index requirement choose distortionless eyepiece as initial structure,and optimize the initial structure by ZEMAX software,the structure has six sphere lens,the image quality of the optical system is good after aberrational correction. At last,analyze tolerance of the system,the result shows that this optical system meet the requierment.
引文
[1]陈吉.基于液晶光阀的星模拟器在研究[硕士学位论文].长春：长春理工大学,2008
[2]马士宝.动态星模拟器星图仿真技术研究[硕士学位论文].长春：长春理工大学,2008
[3]巩岩,胡宜宁,赵阳.基于数字光处理技术的小型星模拟器设计[J].光学精密工程.2007,15(11)：1698-1703
[4]武延鹏.HXMT卫星姿态确定与控制系统的设计与实验研究[硕士学位论文].北京：清华大学,2004
[5]赵晨光,谭久彬,刘俭,王宇航.用于天文导航设备检测的星模拟装置[J].光学精密工程.2010,18(6)：1326-1332
[6]王晓东.大视场高精度星敏感器技术研究.[博士学位论文].吉林：中国科学院长春光学精密机械与物理研所2003
[7]李春霞,付苓,许世文等.星模拟器光学系统设计.哈尔滨工业大学学报.1998,30(3)：115-117
[8]魏忠伦.基于激光显示的颜色复现的研究[硕士学位论文].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2004
[9]贾彤.飞利浦公司在中国高端彩电市场的产品决策研究[硕士学位论文].南京：南京理工大学,2006
[10]Herbert De Smetsb, Dieter Cuypersb, Andre Van calstera, Jean Van den steenb, Geert Van Doorselar. Design, fabrication and evaluation of a high-performance XGA VAN-LCOS microdisplay[J]. Displays.23(2002): 89-98
[11]张海翔.基于LCOS投影显示的LED照明设计与应用[硕士学位论文]青岛：中国海洋大学,2009
[12]M. L. Jepsen, M. J. Ammer,M. Bolotski, J. J. Drolet, A. Gupta, Y. Lai, D.Huffman,H. Shi,C.Vieri. High resolution LCOS microdisplay for single-, double-or triple-panel projection system[J]Displays.23 (2002):109-114
[13]陈颖.液晶投影显示颜色均匀性的研究[硕士学位论文].杭州：浙江大学,2005
[14]郝玮.超薄型背投影显示系统的设计与研究[硕士学位论文].杭州：浙江大学,2006
[15]Klaus-Peter Prolla, Christian Kohler, Torsten Baumbach, Wolfgang Osten, Stefan Osten, Hartmut Gruber Andreas Langner, Gunther Wernicke. Optical characterization of liquid-crystal-on-silicon displays. SPIE,2004
[16]亚萍.天文知识.苏州大学出版社,1999：21-28
[17]吴峰.折反式大视场星敏感器光学系统设计.[硕士学位论文].江苏：苏州大学,2004
[18]钱骥.空间技术基础.[M].1986年1月第1版,177-183
[19]孙玲玲.基于等级判定装置的微光信号检测技术研究[硕士学位论文].长春：长春理工大学,2008
[20]J. B. Heamshaw. Ananalysis of almagest magnitudes forthe study of stellar evolution. New Astronomy Review.1999,43:403-410
[21]李杰.APS星敏感器关键技术的研究.[博士学位论文].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2005
[22]郭玉蛟.星模拟器概述[J].控制工程.1986,(5)：42-49
[23]潘平.单星模拟器数字光源研制技术[硕士学位论文].西安：中国科学院西安光学精密机械与物理研究所,2005
[24]Bartley D. Millikan & Jason S. Wellman. Digital Projection Systems based on LCOS. SPIE,2001,4558: 226-229
[25]邓云龙,邓华秋,徐晓.宽角度宽波长偏振分光膜系的设计研究[J].激光与红外.2005,35(12)：971-973
[26]Charles Bruzzone et al. Reflective LCD Projection System using Wide-Angle Cartesian Polarizing Beam Splitter [P].U. S.6486997,2002
[27]Rober E.Fischer, Biljana Tadic-Galeb, Paul R. Yoder. Optical System Design[M]. United States of America:McGraw-Hill Professional,2000.
[28]王南华,张陶,赵旭行.小型动态星模拟器设计[J].航天控制.1996,(4)：13-20
[29]苗兴华,薛鸣球,安葆青.长焦距平行光管[P].中国.ZL99256104.3
[30]李春霞,茂华,董慧莲.长焦距宽谱段透射式光学系统的二级光谱与畸变[J].光学技术.1998,(6)：23-25
[31]孙艳六.静态星模拟器自检星光学系统设计[硕士学位论文].长春：长春理工大学,2010
[32]Robert R. Shannon. The art and science of optical design[M]. Cambrige:Cambrige University,1997
[33]刘钧,高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社.2006,38-39
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[36]李杰.APS星敏感器关键技术的研究.[博士学位论文].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2005
[37]姜会林.关于二级光谱问题的讨论[J].光学学报.1982,2(3)：225-232
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[40]王之江.实用光学技术手册[M].北京：机械工业出版社,2007
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