衍射光栅精度要求极高的光学器件

衍射光栅（Diffraction grating）是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分反射和透射两大类。衍射光栅的精度要求极高，很难制造，但其性能稳定，分辨率高，角色散高而且随波长的变化小，所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。

中文名

衍射光栅

外文名

Diffraction grating

相关公式

d·sinθ= n·λ

分类

反射和透射

相关研究应用

星敏感器具有安全、可靠性高、精度高和抗干扰性强的优点,在地球遥感、地球测绘、洲际导弹和行星测绘等方面得到了广泛应用。随着航空航天事业的飞速发展以及应用场合的特殊化,要求星敏感器同时具备高精度、大视场、轻小化的性能。由于传统星敏感器精度与视场、体积、质量等性能之间存在相互制约的关系,目前国内外高精度星敏感器视场小、体积大、质量重,而一般传统微型星敏感器虽然实现了大视场,但是测量精度普遍较低,其精度等级较大型星敏感器相差一个量级。

干涉星敏感器在传统星敏感器求取质心的基础上,利用星像点的光强信息进一步进行细分,因此突破了质心求取的精度限制,在相同的视场和探测器阵列数下可以获得更高的角度测量精度。

在此背景下,本论文开展了基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器的研究。首先,对星光场在基于光栅的干涉星敏感器中的传输过程进行了数学建模,并模拟仿真了星光入射角度变化时,探测器所探测到的图像变化,分析了基于光栅的干涉星敏感器精定位及粗精定位结合方法在理论上的可行性;然后,对基于光栅的干涉星敏感器结构进行了设计;最后,搭建实验平台验证基于光栅的干涉星敏感器粗精结合方法在实际应用中的可行性。

本论文研究的具体工作如下:

第一,利用角谱理论对星光场在基于光栅的干涉星敏感器中的光学传输过程进行数学建模,确定了干涉星敏感器利用光斑质心坐标进行粗定位和利用光斑相对强度进行精定位的方法,并将粗定位与精定位相结合以获取星光入射角度。得出了干涉星敏感器单星测量角分辨率与光栅周期、两块光栅之间的距离及电子学细分倍数有关的结论。模拟仿真了星光入射角度变化时,探测器上所探测到的图像变化,分析了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合方法在理论上的可行性。

第二,利用光学设计软件ZEMAX对基于光栅干涉的星敏感器结构进行了设计,设计出的干涉星敏感器视场为20°,系统F数为1.77,焦距为70.89mm,实现了单个星体在干涉星敏感器上的四个光斑组成一个紧凑的方形区域,且各光斑在不同视场下的均方根半径都很小,光斑能量分布集中。

第三,搭建实验平台,验证基于光栅的干涉星敏感器粗精结合方法在实际应用中的可行性。[1]

参考资料

1.基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器研究·知网空间