基于TFT-LCD的動態星模擬器光學系統設計

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)

隨著航天技術的發展，用來測量航天器飛行姿態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展。星模擬器用來模擬無窮遠恒星發出的星光，主要用來模擬不同恒星發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。根據顯示星點器件的不同，可分為靜態星模擬器和動態星模擬器[1-2]。靜態星模擬器是指星空圖不隨時間的變化而變化；動態星模擬器是指星空圖隨時間的變化而變化。無論是動態星模擬器還是靜態星模擬器，其核心器件都是星模擬器的光學系統，其成像質量的好壞直接影響到星模擬器的質量[3]。

1 動態星模擬器的工作原理

動態星模擬器的工作原理圖如圖1所示。由背光板發出的光均勻地照射在顯示器件TFT-LCD，將顯示器件 TFT-LCD放在準直光學系統的焦面上，TFT-LCD顯示出亮度均勻的星點，星點發出的光線經過準直光學系統后成平行光射出，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 動態星模擬器原理圖Fig.1 The schematic diagram of dynamic star simulators

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

圖3 光學系統結構圖Fig.3 Layout of the optical system

2 星模擬器光學系統主要參數

星模擬器的光學系統類似于照相物鏡光學系統，將焦平面的星點經光學系統成像在無窮遠處，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。再根據所選顯示器件的尺寸來確定星模擬器光學系統的焦距。另外，與照相物鏡光學系統所不同的是星模擬器光學系統應嚴格控制畸變。要求光學系統有小畸變、小場曲和復消色差的成像質量。星模擬器光學系統主要參數如表1所示。

表1 光學系統主要參數Tab.1 Systemparameters of collimating objective lens

3 星模擬器光學系統的初始結構選擇

星模擬器光學系統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的出瞳需要放在最后一片透鏡前方 40mm處，并且該光學系統有大的相對孔徑，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布局圖如圖2所示。

4 星模擬器光學系統設計結果

5 像質評價

光學系統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MTF。因此在評價光學系統時不能僅用光學傳遞函數進行評價，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五個視場的光學傳遞函數MTF在空間頻率為50lp/mm時均在0.4左右。圖6表示準直光學系統的場曲，像散和畸變。從圖6中可以看出光學系統的場曲和像散都已矯正。通過評價函數DIMX找到最大的畸變值，結果表明最大畸變為0.175%，小于規定的最大畸變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顯示器的動態星模擬器的光學系統，根據星敏感器的各項技術指標，確定了該動態星模擬器光學系統的參數。該光學系統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.

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[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.小型靜態星模擬器光學系統設計[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.基于光學性能參數測試的CCD攝像系統設計[J].長春理工大學學報：自然科學版，2009，32(3)：370-372.