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一種光學掩膜及基于光學掩膜的太陽敏感器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410256172.5

申請日:

2014.06.10

公開號:

CN103983265A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01C 21/02申請日:20140610|||公開
IPC分類號: G01C21/02; G01C25/00 主分類號: G01C21/02
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 樊巧云; 高鑫洋; 張廣軍
地址: 100083 北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270 代理人: 張穎玲;王黎延
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410256172.5

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.03.01|||2014.08.13

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種光學掩膜,該光學掩膜采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱,且帶有V字形狹縫;該光學掩膜用于通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。如此,本發明實施例中的光學掩膜采用圓矩形的結構形式,易于加工和裝配且可以避免旋轉移位;采用V字形狹縫濾波并引入太陽光線,形成的光線交點數量較少,在后續測量姿態角的過程中對應的信息處理算法較為簡單、快速且精確。

權利要求書

權利要求書
1.  一種光學掩膜,應用于太陽敏感器,其特征在于,所述光學掩膜采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱,且帶有V字形狹縫;
所述光學掩膜,用于通過所述V字形狹縫的兩條狹縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。

2.  根據權利要求1所述的光學掩膜,其特征在于,所述V字形狹縫的夾角為90度,且所述V字形狹縫的中心與所述圓矩形結構的中心重合,所述V字形狹縫的寬度l滿足如下條件:
l4a/23]]>
其中,a為所述線陣圖像傳感器的長度。

3.  根據權利要求1所述的光學掩膜,其特征在于,所述V字形狹縫的夾角頂點與所述封閉型結構的上邊沿的距離l1、左頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離l2、右頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離l3,滿足如下條件:
l1=l2=l3≥tan(FOV2)×L+C]]>
其中,FOV為所述光學掩膜的視場范圍,L為太陽敏感器中掩膜窗口的厚度,C為安裝余量常數。

4.  一種太陽敏感器,其特征在于,所述太陽敏感器包括權利要求1至3任一項所述的光學掩膜。

5.  根據權利要求4所述的太陽敏感器,其特征在于,所述太陽敏感器還包括:掩膜窗口、壓接環、壓接橡膠圈;其中,
所述掩膜窗口,用于承載所述光學掩膜,并配合所述壓接環對所述光學掩膜進行固定,所述掩膜窗口與所述光學掩膜相契合;
所述壓接環,用于將所述光學掩膜固定于所述掩膜窗口中;
所述壓接橡膠圈,固定于所述光學掩膜的非入射面與所述壓接環之間,用 于對所述光學掩膜提供力學緩沖。

6.  根據權利要求4所述的太陽敏感器,其特征在于,所述光學掩膜的V字形狹縫的夾角頂點與所述掩膜窗口的上邊沿的距離l4、左頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離l5、右頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離l6、左頂點與所述掩膜窗口的左邊沿距離l7、右頂點與所述掩膜窗口的右邊沿距離l8,滿足如下條件:
l4=l5=l6=l7=l8≥tan(FOV2)×L]]>
其中,FOV為所述光學掩膜的視場范圍,L為所述掩膜窗口的厚度。

7.  根據權利要求5所述的太陽敏感器,其特征在于,所述掩膜窗口的倒角為45度。

8.  根據權利要求5所述的太陽敏感器,其特征在于,所述壓接橡膠圈由真空橡皮墊圈實現,厚度為0.5mm。

說明書

說明書一種光學掩膜及基于光學掩膜的太陽敏感器
技術領域
本發明涉及航空航天領域的太陽敏感器技術,尤其涉及一種光學掩膜及基于光學掩膜的太陽敏感器。
背景技術
太陽敏感器是衛星上重要的姿態測量光學敏感器。太陽敏感器按工作原理主要可分為如下幾種:基于光電池的模擬式太陽敏感器、基于光電碼盤的編碼式太陽敏感器、基于二維線陣式圖像傳感器的數字太陽敏感器、基于面陣圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器和基于一維線陣圖像傳感器的線陣式數字太陽敏感器等;其中,線陣式數字太陽敏感器是新出現的一種太陽敏感器,其重量輕,功耗低,成本低,精度適中,因而成為低成本、中低精度微小衛星的首選。
太陽敏感器的主要組成部分是光學掩膜(即光線引入器)和信息處理系統兩大部分。太陽光線通過刻有特殊圖案形式的光學掩膜照射到圖像傳感器,圖像傳感器的輸出按一定的規律隨太陽光線的入射角度變化而變化;光學掩膜的圖案形式直接決定太陽敏感器的姿態測量方法,尤其對于基于一維線陣圖像傳感器的太陽敏感器來說,由于一維線陣圖像傳感器只能感知一維的信息,所以要利用一維線陣圖像傳感器測量太陽光線在二維方向的入射角,必須通過特殊圖案形式的光學掩膜將太陽光線的入射形式進行變換。
光學掩膜的結構形式及裝配結構既要保證太陽敏感器的各項技術指標,又要具有較高的穩定性和可靠性,以適應航天惡劣的力學環境(例如,強振動、沖擊和加速度)和熱學環境(例如,極端高、低溫)的要求,具體來說即要求光學掩膜到圖像傳感器的距離保持穩定,且光學掩膜不會旋轉移位,又要求光學掩膜不會因強振動、沖擊、材料熱脹冷縮特性不一致等情況而破碎,同時還 要求光學掩膜裝配工藝的可操作性強,光學掩膜的鍍膜不會在裝配過程中被劃傷或污染。
由此可見,光學掩膜設計及其裝配是太陽敏感器的一項關鍵技術,光學掩膜的圖案形式、結構形式及其裝配結構均會影響太陽敏感器的性能。現有線陣式數字太陽敏感器中的光學掩膜圖案形式有兩種:一種是井字形,一種是N字形;太陽光線經過井字形的光學掩膜將形成四個光線交點,經過N字形光學掩膜將形成三個光線交點;結構形式分別為圓形和矩形。裝配結構有灌膠封裝式和粘結式,其中,所謂灌膠封裝式是將光學掩膜、電路板和機殼全部灌膠封死;所謂粘結式是先將光學掩膜粘結在圖像傳感器上,然后將焊有圖像傳感器的電路板通過螺釘固定在太陽敏感器的機殼上。
發明人在實現本發明的過程中,發現現有線陣式數字太陽敏感器中的光學掩膜及其裝配結構至少存在以下缺陷:
1)現有的光學掩膜采用井字形或N字形的圖案形式時,在后續測量姿態角過程中對應的信息處理算法均較為復雜;
2)現有的光學掩膜若采用圓形的結構形式,則在安裝時容易產生旋轉移位,從而給后續姿態角的測量帶來較大的誤差;若采用矩形的結構形式,則在加工處理和裝配時均較為復雜。
3)現有光學掩膜的裝配結構穩定性高,但是,靈活性差,不利于調試,且安裝誤差大。
可以看出,在圖案形式方面,目前亟需一種形成光線交點數量較少,且在后續測量姿態角過程中對應的信息處理算法較為簡單的光學掩膜圖案形式;在結構形式方面,也亟需一種易于加工,且不易旋轉移位的光學掩膜結構形式;在裝配結構方面,需要一種既能適應航天環境又簡單靈活的裝配結構。
發明內容
有鑒于此,本發明實施例期望提供一種光學掩膜及基于光學掩膜的太陽敏感器,不僅易于加工、裝配簡單靈活,能避免旋轉移位;而且能減少光線交點 數,使后續所用信息處理算法更簡單、快速、精確。
為達到上述目的,本發明的技術方案是這樣實現的:
本發明實施例提供了一種光學掩膜,應用于太陽敏感器,該光學掩膜采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱,且帶有V字形狹縫;
所述光學掩膜,用于通過所述V字形狹縫的兩條狹縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。
上述方案中,所述V字形狹縫的夾角為90度,且所述V字形狹縫的中心與所述圓矩形結構的中心重合,所述V字形狹縫的寬度l滿足如下條件:
l4a/23]]>
其中,a為所述線陣圖像傳感器的長度。
上述方案中,所述V字形狹縫的夾角頂點與所述封閉型結構的上邊沿的距離l1、左頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離l2、右頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離l3,滿足如下條件:
l1=l2=l3≥tan(FOV2)×L+C]]>
其中,FOV為所述光學掩膜的視場范圍,L為太陽敏感器中掩膜窗口的厚度,C為安裝余量常數。
基于上述的光學掩膜,本發明實施例還提供了一種太陽敏感器,該太陽敏感器包括權利要求上述的光學掩膜。
上述方案中,所述太陽敏感器還包括:掩膜窗口、壓接環、壓接橡膠圈;其中,
所述掩膜窗口,用于承載所述光學掩膜,并配合所述壓接環對所述光學掩膜進行固定,所述掩膜窗口與所述光學掩膜相契合;
所述壓接環,用于將所述光學掩膜固定于所述掩膜窗口中;
所述壓接橡膠圈,固定于所述光學掩膜的非入射面與所述壓接環之間,用 于對所述光學掩膜提供力學緩沖。
上述方案中,所述光學掩膜的V字形狹縫的夾角頂點與所述掩膜窗口的上邊沿的距離l4、左頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離l5、右頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離l6、左頂點與所述掩膜窗口的左邊沿距離l7、右頂點與所述掩膜窗口的右邊沿距離l8,滿足如下條件:
l4=l5=l6=l7=l8≥tan(FOV2)×L]]>
其中,FOV為所述光學掩膜的視場范圍,L為所述掩膜窗口的厚度。
上述方案中,所述掩膜窗口的倒角為45度。
上述方案中,所述壓接橡膠圈由真空橡皮墊圈實現,厚度為0.5mm。
本發明實施例所提供的光學掩膜及基于光學掩膜的太陽敏感器,與現有技術相比,取得了如下進步:
1)本發明實施例中的光學掩膜,采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,因此,在光學掩膜結構形式方面,不僅易于加工、裝配簡單靈活,而且能夠避免旋轉移位。
2)本發明實施例中的光學掩膜,采用V字形狹縫濾波并引入太陽光線,如此,在圖案形式方面,形成的光線交點數量較少,能使后續測量姿態角的過程中對應的信息處理算法更簡單、快速且精確。
3)本發明實施例采用的光學掩膜的裝配結構,既能保證所實現的太陽敏感器在惡劣的航天環境下技術指標穩定可靠,而且裝配簡單靈活,便于調試。
附圖說明
圖1為本發明實施例光學掩膜的結構示意圖;
圖2為本發明實施例太陽光線在V字形狹縫的兩條狹縫同時以最大角度入射的示意圖;
圖3a為本發明實施例太陽光線相對x軸方向變化時的示意圖;
圖3b為本發明實施例太陽光線相對y軸方向變化時的示意圖;
圖4a為本發明實施例太陽敏感器中光學掩膜裝配組件構成示意圖;
圖4b為本發明實施例太陽敏感器中光學掩膜裝配結構的剖視示意圖;
圖4c為本發明實施例太陽敏感器中光學掩膜裝配結構的俯視示意圖。
具體實施方式
本發明實施例中,光學掩膜采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱,且帶有V字形狹縫;所述光學掩膜通過所述V字形狹縫的兩條狹縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行說明。
圖1為本發明實施例中提供的光學掩膜的結構示意圖,該光學掩膜10應用于太陽敏感器,如圖1所示,該光學掩膜10采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構,所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱,且帶有V字形狹縫101;
所述光學掩膜10,用于通過所述V字形狹縫101的兩條狹縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器11。
這里,本發明實施例提供的基于所述光學掩膜10進行姿態測量的具體實現方式包括:
A、所述光學掩膜10通過自身帶有的V字形狹縫101的兩條狹縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線,濾波后的第一條太陽光線與第二條太陽光線透射到線陣圖像傳感器11的成像面上,能夠形成兩個交點,每個交點在所述成像面上分布多個像素。
在實際應用中,結合圖1和圖2所示,所述光學掩膜10應覆蓋整個視場范圍內,以使通過V字形狹縫101的太陽光線總能透射在所述線陣圖像傳感器11的成像面上。本發明實施例中,所述V字形狹縫101的夾角為90°,且所述V字形狹縫101的中心O與所述封閉型結構的中心O1重合,若考慮通過V字形狹縫101的太陽光線透射在所述線陣圖像傳感器11的成像面上 的極限情況,即:太陽光線在V字形狹縫的兩條狹縫同時以最大角度入射,則所述V字形狹縫101的寬度l需滿足如下關系:
l4a/23]]>
其中,a為所述線陣圖像傳感器11的長度。
本發明實施例中,若線陣圖像傳感器11的長度a取16.248mm,則據此確定的所述V字形狹縫101寬度l的最大值為10.832mm。
優選的,根據太陽輻射強度和圖像傳感器光譜響應曲線,確定所述帶有V字形狹縫101的光學掩膜的透射率為10%。
這里,在形成光學掩膜10時,先對圓形的光學掩膜基片進行處理,即:將圓形的光學掩膜基片的上下兩邊進行平行切割,剩余部分形成由兩條平行線及兩條圓弧線構成的封閉型結構的光學掩膜基片;其中,兩條平行切割邊用于定位,兩條圓弧形邊用于固定所述具有封閉結構的光學掩膜10,使所述具有封閉型結構的光學掩膜10容易定位且不會旋轉移位,從而在裝配時步驟簡單可靠。在此基礎上,對所述光學掩膜基片進行鍍膜和蝕刻V字形透光狹縫,從而形成滿足要求的光學掩膜10。
這里,所述V字形狹縫101的夾角頂點A與所述封閉型結構的上邊沿的距離l1、左頂點A1與所述封閉型結構的下邊沿的距離l2、右頂點A2與所述封閉型結構的下邊沿的距離l3,滿足如下條件:
l1=l2=l3≥tan(FOV2)×L+C]]>
其中,FOV為姿態測量的視場范圍,優選的,視場范圍設計為120×120,L為太陽敏感器中掩膜窗口的厚度,優選的,L設計為1mm。C為安裝余量常數,優選的,C取1mm,因此,l1=l2=l3≥2.732mm。
B、濾波后的第一條太陽光線201與第二條太陽光線202透射到線陣圖像傳感器11的成像面上,形成兩個光線交點,每個交點分布于成像面多個像素;在后續測算太陽光線在兩軸方向的姿態角的過程中,根據線陣圖像傳感器輸出的各像素模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線201對應的第一交點的中心位 置信息和所述第二條太陽光線202對應的第二交點的中心位置信息;
具體的,結合圖3a和3b所示,首先通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;然后根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與所述線陣圖像傳感器11的成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與所述線陣圖像傳感器11的成像面相交的第二交點的中心位置信息,具體實現方式如下:
預設數字灰度閾值,數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點所在像素,數字灰度值小于所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素;對數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素,按照如下公式提取出所述第一交點及第二交點的中心位置信息:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi為第一交點或第二交點對應的各像素點i的像素坐標,g(xi)表示第一交點或第二交點對應的各像素點i的數字灰度值,n為第一交點或第二交點的像素點總數,x表示第一交點或第二交點在x軸方向的中心位置坐標。
C、根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角;
具體的,結合圖3a和3b所示,根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,并結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角,具體實現方式如下:
第一交點相對x軸方向變化時,根據第一交點在x軸方向的中心位置坐標xa,獲取沿x軸的相對距離Δxa;第二交點相對x軸方向變化時,根據第二交點在x軸方向的中心位置坐標xb,獲取沿x軸的相對距離Δxb;
按公式測量出太陽光線相對x軸方向變化時的姿態角α;
第一交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxc;第二交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxd;
按公式測量出太陽光線相對y軸方向變化時的姿態角β;
其中,h為光學掩膜10平面與線陣圖像傳感器11的成像面之間的距離。
本發明實施例中的光學掩膜采用V字形狹縫分別濾波并引入太陽光線,形成的太陽光線交點數量僅有兩個;并且,在后續測量姿態角的過程中,僅根據所述兩個交點的中心位置信息和相對距離就能夠測量出太陽光線在兩軸方向的姿態角,因此,對應的信息處理算法變得較為簡單、快速且精確。
基于上述光學掩膜,本發明實施例還提供了一種基于上述光學掩膜所實現太陽敏感器,所述太陽敏感器至少包括上述光學掩膜10,所述光學掩膜的具體組成結構以及實現原理,與圖1、圖2、圖3a、圖3b所述結構及原理相同。
具體實施中,如圖4a和圖4b所示,本發明實施例的太陽敏感器還包括:掩膜窗口401、壓接環402、壓接橡膠圈403、以及焊有線陣圖像傳感器11的電路板404;所述光學掩膜10、掩膜窗口401、壓接環402、壓接橡膠圈403、以及焊有線陣圖像傳感器11的電路板404均位于所述太陽敏感器的機械殼體中;
這里,圖4a為太陽敏感器中光學掩膜裝配組件構成示意圖,圖4b為對應的太陽敏感器中光學掩膜的裝配結構的剖視示意圖,圖4c為太陽敏感器中光學掩膜的裝配結構的俯視結構示意圖。
其中,所述掩膜窗口401,用于承載所述光學掩膜10,并配合所述壓接環402對所述光學掩膜10進行固定。
所述光學掩膜10,蝕刻透光狹縫的一側朝向電路板一側,另一側朝外,從而盡可能避免光學掩膜10的污染和劃傷。
所述掩膜窗口401與所述光學掩膜10相契合,并留有0.1mm的縫隙,以適應航天環境中的極端高低溫情況下,由于光學掩膜10與機械殼體不同的熱膨脹系數而導致的形變;
所述壓接環402,用于將所述光學掩膜10固定于所述掩膜窗口401中;
所述壓接橡膠圈403,固定于所述光學掩膜10的非入射面與所述壓接環402 之間,用于為所述光學掩膜10提供力學緩沖,避免所述光學掩膜10因強振動或沖擊而破碎。
由于所述光學掩膜10與所述線陣圖像傳感器11之間的距離是太陽敏感器實現精確測量的關鍵參數,因此,將所述焊有線陣圖像傳感器11的電路板404,用螺釘固定與機械殼體的凸臺上;這樣,能夠保證光學掩膜10與線陣圖像傳感器11之間距離的穩定性;并且,凸臺安裝面與掩膜窗口401之間的誤差小于0.01mm,從而盡可能降低光學掩膜10與線陣圖像傳感器11之間的距離誤差。
這里,所述掩膜窗口401的內壁中帶有螺紋,所述壓接環402的內壁帶有缺口,使用螺絲釘通過所述壓接環402內壁的缺口旋入所述掩膜窗口401內壁的螺紋中,依次將所述光學掩膜10、所述壓接橡膠圈403、所述壓接環402固定于所述掩膜窗口401中。
優選的,所述掩膜窗口401的倒角為45度,如圖4b所示,如此,能夠增大太陽光線的入射角度。
優選的,所述壓接橡膠圈403可由真空橡皮墊圈實現,厚度為0.5mm。
這里,所述掩膜窗口401與所述光學掩膜10相契合,且所述光學掩膜10的V字形狹縫的夾角頂點A與所述掩膜窗口401的上邊沿的距離l4、左頂點A1與所述掩膜窗口的下邊沿的距離l5、右頂點A2與所述掩膜窗口401的下邊沿的距離l6、左頂點A1與所述掩膜窗口的左邊沿距離l7、右頂點A2與所述掩膜窗口401的右邊沿距離l8,滿足如下條件:
l4=l5=l6=l7=l8≥tan(FOV2)×L]]>
其中,FOV為所述太陽敏感器姿態測量的視場范圍,優選的,視場范圍設計為120×120,L為所述掩膜窗口401的厚度,優選的,L設計為1mm,因此,l4=l5=l6=l7=l8≥1.732mm,優選的,取l4=l5=l6=l7=l8=2mm。
本發明實施例中,采用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構的光學掩膜10,且該光學掩膜10與掩膜窗口401相契合,使該光學掩膜10在安裝的工藝中容易定位且不易移位;并且,通過光學掩膜10與掩膜窗口401之間的 縫隙能夠適應光學掩膜10與機械殼體在極端高低溫環境中的形變;通過壓接橡膠圈403能夠提供力學緩沖以適應航天環境中的強振動、沖擊;通過將電路板404和光學掩膜10分別安裝在熱形變小的機械殼體內,既能夠保證光學掩膜10與線陣圖像傳感器11之間距離的穩定性,又方便調試和裝配。
本發明所述的方法并不限于具體實施方式中所述的實施例,本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其它的實施方式,同樣屬于本發明的技術創新范圍。
顯然,本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣,倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內,則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

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