CN100498623C - 数字式太阳敏感器的视场复用光学小孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式太阳敏感器的光学小孔装置，该装置是采用整块石英玻璃通过光学加工在其中间隆起一个圆台，在圆台的中心及圆台周边置有通过真空掩膜形成的小孔，由此构成圆台的中心小孔离CMOS APS光敏感元的高度比周边小孔的高度大，使得在保证中心小孔视场的高精度的同时，周围小孔扩大了视场测量范围。并且小孔是由玻璃基板上表面的掩膜层形成，可以利用入射光进入基板的折射效应进一步提高入射面到探测器面的有效距离，变相提高系统的探测精度。同时周围小孔设置八对，并使每个孔对之间的距离和连线的斜率不同，根据此特征通过对探测器上成像光斑的处理即可判断太阳位于哪个视场内，不依赖外部其它系统。

Description

数字式太阳敏感器的视场复用光学小孔装置

技术领域

本发明属于卫星或其他空间飞行器的姿态控制系统中的太阳敏感器，具体是指太阳敏感器光学系统中的视场复用光学小孔装置。

背景技术

随着半导体技术的不断进步，CMOS图像传感器各方面性能正在逐渐达到并超过CCD。目前，CMOS APS(有源像素传感器)朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、低噪声、超微型化、数字化的方向发展。随着太阳敏感器尺寸不断减小的发展趋势，CMOS APS将凭借其在体积、重量、功耗、成本、抗辐射和可靠性等方面的优势，在此领域得到越来越广泛的应用。

现今，基于CMOS APS的高精度数字式太阳敏感器的光学头部中的光学小孔装置依据孔的数量可分为单孔结构和多孔结构两种。对于传统的采用机械工艺加工的单孔结构，由于小孔的尺寸较大，并且受限于本身视场和精度的相互制约，无法同时达到微型化和高精度大视场的要求。而对于采用基板镀膜工艺形成的小孔结构，主要采用平面阵列式，即小孔阵列在同一平面，掩膜层镀于玻璃基板的底部，然后再在掩膜层上涂反光层，目的是为了减小二次反射。实际上，由于工艺的进步，二次反射的量已经很小，通过后端的适当阈值选取和数据校正可以较好地解决这个问题。对于阵列式的小孔结构，由于太阳敏感器要对众多阵列式小孔(多至数百个小孔)求算像斑中心，因此后端处理算法复杂，一般为了减小敏感器的体积，采用在星上计算机中来进行图像处理，而太阳敏感器只负责输出图像，通用性较差。

发明内容

基于已有的光学小孔装置结构上存在的问题，本发明的目的是提供一种可提高测量精度、扩大视场，并能简化区分视场区域的视场复用型光学小孔装置。

本发明的目的是这样实现的：在CMOS APS像元数一定的情况下，通过增大中间小孔与CMOS APS探测器面的距离实现测量精度的提高；缩短旁边小孔与APS探测器面的距离来实现扩大测量视场；同时旁边小孔设置在CMOS APS探测器面阵上方四周，采用八个孔对，每个孔对之间的距离和连线的斜率不同，从而形成不同的成像光斑，根据不同的成像光斑区分视场区域。

本发明的光学小孔装置，是采用整块石英玻璃通过光学加工构成，底部为一正方形基板，在正方形基板中间隆起一个坡度为不大于32°的圆台，在正方形基板及带有坡度圆台的平凸面上置有通过真空掩膜层形成的多个小孔，其中圆台中心有一个中心小孔，该中心小孔位于CMOS APS探测器面上方中心，负责中心视场；正方形基板的两条对角线的两端分别有一对角孔，共计四对角孔；正方形基板的两条相互垂直的中心线的两端分别有一对边孔，共计四对边孔；每对角孔或边孔都以中心轴线或对角线对称，同一条中心线或对角线上的两对角孔或边孔的两孔之间的距离是不同的，目的是为了区分视场区域；角孔和边孔负责旁边视场。掩膜层为对入射光全反的铬膜层。

本发明的光学小孔装置具有如下优点：

1.多个小孔采用非同一平面的设计，且将中心小孔离CMOS APS光敏感元的高度比边孔和角孔的高度大，使得在保证中心小孔视场的高精度的同时，周围小孔扩大了视场测量范围。

2.在玻璃基板的上表面进行掩膜，可以利用入射光进入基板的折射效应进一步提高入射面到探测器面的有效距离，变相提高系统的探测精度。

3.视场区分利用旁边八个孔对，并使每个孔对之间的距离和连线的斜率不同，通过对探测器上成像光斑的处理即可判断太阳位于哪个视场内，不依赖外部其它系统。

附图说明

图1为数字式太阳敏感器的剖面结构示意图；

图2为本发明的光学小孔装置，A图为俯视图，B图为中心剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，实施例的具体技术指标如下：

单轴的视场均为±64°×±64°，在—31°～+31°内精度要求达到优于0.01°，分辩率优于0.005°；在—31°～—64°(+31°～+64°)内精度要求达到优于0.05°，分辩率优于0.01°，CMOS APS探测器分辨率为1024×1024。像素尺寸为15um×15um。

见图1，数字式太阳敏感器由CMOS APS探测器3，光学头部和信号处理部分(图中未画)组成。光学头部由窄带滤光片1和光学小孔装置2组成。光学小孔装置位于CMOS APS探测器3上方，并使中心小孔204正对CMOS APS探测器面阵的中心。

其中，窄带滤光片采用常规产品，厚度5mm，其中心频率为483nm，带宽为10nm，中心频率透过率为83％。

光学小孔装置2为石英玻璃整体打磨抛光而成，总高度为5.4mm，见图2。圆台201坡度为18°，目的是为了防止中心小孔的入射光线经圆台斜坡内表面反射到探测器上，圆台高度为3mm，圆台底圆直径为22.4mm，圆台上圆直径为4mm，基板202边长为34mm。在光学小孔装置的平凸面上置有通过真空铬膜掩膜形成的多个小孔，掩膜层203厚度约130nm。中心小孔204考虑到太阳的扩散效应和小孔的衍射，孔径取为0.15mm。基板上设置八对小孔，包括四对边孔205和四对角孔206。每对小孔都以中心轴线或对角线对称，其连线的中心位置设置如下：边孔连线中心到中心小孔的距离为13.3mm，角孔连线中心到中心线的距离均为14.4mm。相邻小孔负责的视场将会部分重叠是为了保证太阳在整个太阳敏感器视场内的连续性。

为了区分不同的视场，需要区分探测器上的太阳像光斑是由哪个小孔所成。因此赋予不同的孔对具有不同的特征——即每对小孔之间连线的斜率和孔距不同。由于在同一条中心线或对角线上的两对小孔连线拥有相同的斜率，因此设它们的孔距分别为0.4mm和0.5mm，这是考虑到大视场条件下太阳扩散效应的加剧后的折衷选取。边孔对连线的斜率分别设为0和∞，角孔对连线的斜率分别设为1和-1。

Claims (1)

1.一种数字式太阳敏感器的视场复用光学小孔装置，其特征在于：

该装置是采用整块石英玻璃通过光学加工构成底部为一正方形基板(202)，在正方形基板中间隆起一个坡度为18°的圆台(201)，在正方形基板及带有坡度圆台的平凸面上置有通过真空掩膜形成的多个小孔，其中圆台中心有一个中心小孔(204)，该中心小孔位于CMOS APS探测器(3)面上方中心，负责中心视场；正方形基板的两条对角线的两端分别有一对角孔(206)，共计四对角孔；正方形基板的两条相互垂直的中心线的两端分别有一对边孔(205)，共计四对边孔；每对角孔或边孔都以中心轴线或对角线对称布置，同一条中心线或对角线上的两对角孔或边孔的两孔之间的距离是不等的，目的是为了区分视场区域；角孔和边孔负责旁边视场；掩膜层(203)为对入射光全反的铬膜层。

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