CN101726994A - Aps太阳敏感器可识别多孔掩膜板 - Google Patents
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Abstract
APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，所述的掩膜板包括玻璃基板及镀膜层，玻璃基板下表面镀膜，玻璃基板镀膜面上光刻至少3个成像小孔，任意两个成像小孔之间x方向距离、y方向距离中至少一个方向距离差异不小于20个像素，成像小孔方形区域边界边长不超过d单位mm，d＝L-2htanα；其中，L为APS太阳敏感器中的图像传感器有效像平面边长；h为掩膜板到所述的图像传感器像平面的距离；α为APS太阳敏感器的视场角。本发明采用多孔阵中孔间特征独立，可快速识别被污染小孔，保证产品具有高的数据更新率，适于工程应用。
Description
技术领域
本发明属于光学成像姿态敏感器领域，尤其适用于太阳敏感器的可识别多孔掩膜板。
背景技术
随着成像探测器件以及处理器技术的快速进步，航天器用太阳敏感器逐渐由编码式、模拟式向成像式发展，APS太阳敏感器就是一种有别于传统编码式太阳敏感器的大视场、高精度成像式太阳敏感器。
可识别性多孔掩膜板是APS成像式太阳敏感器光线引入器，其主要功能是将太阳成像于光敏器件的表面。月球巡视器在着陆阶段及在月面运动过程中，月尘对光学敏感器的正常工作构成极大威胁，可识别性多孔掩膜板通过在掩膜板上不同区域的标识孔位，将掩膜板分成若干特定区域，使APS成像式太阳敏感器具备受到月尘等污染的状态下仍能快速识别成像孔区域及识别被堵小孔，在后续的算法中将被堵住的数据通过周围小孔的相关坐标获得，剔除被堵小孔点的数据从而保持敏感器的高精度和可靠性。利用光线引入器特征独立的孔阵识别尘埃对光学成像式太阳敏感器的影响并消除这种影响保持敏感器的高精度和可靠性，对控制系统实现高定姿精度具有重要价值。
APS成像式太阳敏感器本身是一项全新的成像式姿态敏感器，查阅有关文献，美国、欧洲都在利用APS图像敏感器研制太阳敏感器，但光线引入器的掩膜板所采用多孔阵列均不具备识别功能。
专利申请号为200610103797.3、200710100150.X。高精度APS太阳敏感器、太阳敏感器的复合光学系统及其实现方法当中介绍了一种3×3等间距阵列膜板，阵列中小孔被污染的判定通过依次读取所有像元坐标，两两减法运算，并累计读取光斑个数与阵列孔数比较进行识别，识别过程复杂，不适于工程应用。
C.C.Liebe，S.Mobasser：MEMS besed Sun Sensor.AerospaceConference，2001，IEEE Proceedings，Volame：3，2001，Page(s)：1565-1572。文献中所描述的基于MEMS技术的APS太阳敏感器的掩模板为等间距多孔阵列，当成像小孔被污染时，识别过程复杂，同样不适于工程应用。
《光学技术》2006年3月第32卷第2期，“小孔阵列式太阳敏感器的光学系统设计”一文中涉及的可识别掩膜板成像小孔同样为等间距多孔阵列，仅是理论上的研究成果，当成像小孔被污染时，识别过程复杂，同样不适于工程应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，该掩膜板能够解决成像小孔在月尘环境下，成像小孔被堵住时的快速识别问题，适于工程应用。
本发明的技术解决方案是：APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，其特征在于：所述的掩膜板包括玻璃基板及镀膜层，玻璃基板下表面镀膜，玻璃基板镀膜面上光刻至少3个成像小孔，任意两个成像小孔之间×方向距离、y方向距离中至少一个方向距离差异不小于20个像素，成像小孔方形区域边界边长不超过d单位mm，d＝L-2htanα；
其中，L为APS太阳敏感器中的图像传感器有效像平面边长；
h为掩膜板到所述的图像传感器像平面的距离；
α为APS太阳敏感器的视场角。
所述的成像小孔在×方向每行只有一个。
所述的成像小孔孔径满足孔径线性方向覆盖3至5个像元，并且所成图像仅有一个会聚亮斑。
所述镀膜的膜层结构为层叠式结构，镀膜膜层为低反射率铬膜。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明利用区域独立孔阵(即成像小孔采用不均匀分布的方式，任意两个成像小孔之间距离的特征是独立的)对受污染成像孔进行快速识别问题，使得卫星上的APS成像式太阳敏感器在月球着陆及在月面运动过程中处于月尘环境时仍能有效工作并保持高的精度，不仅具备重要的科学价值，更重要的是有效地解决了CE-3月球巡视器APS太阳敏感器抗月尘问题。
(2)根据图像传感器的图像是逐行访问的特点，本发明成像小孔的孔阵每行可以只排布一个，这样保证在像平面扫描的任意时刻，扫描的成像小孔是唯一的，便于快速识别；并且能够减小硬件资源，降低功耗、提高了APS太阳敏感器的数据更新率。
(3)本发明只在掩膜板的下表面镀膜，在工程应用中能够对膜层起到防护作用，并且低反射率全遮光铬膜层与低反射率衰减铬膜层都采用同种材料，该膜层结构工艺融合性好，空间环境适应性好。
(4)本发明选用铬为膜层材料，使其与玻璃基板有良好的附着力及优良的光刻性能。采用溅射镀膜技术所镀制的低反射率铬膜，降低了膜层表面因反射率高而使二次反射光到像面上所引起误差，从而提高了产品的测量精度。
(5)本发明孔径要求满足线性方向覆盖3至5个像元，在这个范围内选择的孔径应用传统的矩阵算法获得质心坐标的误差最小，提高了太阳敏感器的测量精度。
附图说明
图1为本发明掩膜板示意图；
图2为本发明掩膜板镀层侧面示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明解决了月球探测器着陆及在月面运行阶段，由于月尘环境，APS成像式太阳敏感器可识别多孔掩膜板成像孔阵中有成像孔被堵住时的识别问题。实现了月尘环境下，敏感器受到月尘污染时能够快速准确识别并通过后续算法剔除被污染的点，达到在敏感器受到月尘污染状态下保持高精度及高可靠性。具体分为三个方面的内容：
a.可识别多孔掩膜板成像孔阵方案的确定
b.可识别多孔掩膜板最佳孔径的确定
c.层叠式结构低反射率铬膜镀制
下面根据具体情况详细介绍本发明可识别多孔掩膜板的制作过程。
a.可识别多孔掩膜板孔阵方案的确定
一种APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，该掩膜板为方形如图1所示，根据实际情况可以采用圆形或其他形状。依据敏感器总体方案，成像小孔的数目多可以降低系统的随机误差，提高系统的精度，提高系统的可靠性，但是增加小孔的数目会大大增加系统资源的消耗，需要更加复杂的算法，随之也会加大敏感器的功耗，降低敏感器的数据更新率。根据实际工程上APS太阳敏感器后端仅用单片FPGA处理，硬件资源有限，为实现0.5W低功耗及高数据更新率要求(≥10Hz)，综合考虑月尘环境下部件的可靠性及高精度，掩膜板选择7个成像小孔，7个小孔的确定原则按表1排列，任意两个小孔之间x方向距离、y方向距离为20个像素，像素尺寸为15μm×15μm；成像小孔方形区域边界边长3.3mm。
7个小孔的排列采用不均匀分布的方式，任意两个小孔之间距离的特征是独立的，可以保证在7个小孔中被堵住5个情况的下，敏感器依然能够保证功能正常及高精度。另外，根据图像传感器的图像是逐行访问的，设计保证太阳通过7个小孔在图像传感器上的7个像斑区域相对独立，使之不会出现两个小孔的图像出现的同一行上。
按表1排列编制模板图，按模板图制作母板，各个成像小孔的位置关系见下表(单位：mm)：
表1成像小孔的位置关系
| (x，y) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | - | 0.6，0 | 1.2，2.85 | 1.65，0.9 | 2.25.1.65 | 2.85，0 | 3.3，3.3 |
| 2 | - | - | 0.6，2.85 | 1.05，0.9 | 1.65，1.65 | 2.25，0 | 2.7，3.3 |
| 3 | - | - | - | 0.45，1.95 | 1.05，1.2 | 1.65，2.85 | 2.1，0.45 |
| 4 | - | - | - | - | 0.6，0.75 | 1.2，0.9 | 1.65，2.4 |
| 5 | - | - | - | - | - | 0.6，1.65 | 1.05，1.65 |
| 6 | - | - | - | - | - | - | 045，3.3 |
| 7 | - | - | - | - | - | - | - |
b.可识别多孔掩膜板最佳孔径的确定：
成像小孔孔径满足孔径线性方向覆盖3至5个像元，并且所成图像仅有一个会聚亮斑，以保证图像识别时每个小孔对应一个成像光斑质心。当h＝2800μm和α＝0°(h为掩膜板到图像传感器像平面的距离；α为APS太阳敏感器的视场角)时，采用小孔尺寸分别为30×30μm2、40×40μm2、50×50μm2、60×60μm2、70×70μm2及80×80μm2的掩膜板设置一组试验，试验结果表明，当小孔尺寸为70×70μm2或80×80μm2时，成像图像所呈现出衍射现象使亮斑出现较严重的重影；而当小孔尺寸为30×30μm2、40×40μm2时，亮斑孔径线性方向覆盖低于3个像素，质心估算误差大。小孔尺寸为60×60μm2时，成像亮斑孔径线性方向覆盖5个像素左右；小孔尺寸为50×50μm2时，成像亮斑孔径线性方向覆盖4个像素，满足本发明对成像小孔孔径的要求。最终取上述成像小孔孔径范围的中间值对应的小孔尺寸50×50μm2为本发明掩膜板的小孔尺寸，该尺寸符合质量矩法计算质心的要求。
c.为降低成像重影对计算质心坐标(圆斑中心)造成的影响，膜层要求为低反射率，低反射率在本领域中按照国标标准最低为20％。
按照工程要求制作玻璃基板11，30×30×3mm，并在玻璃基板11下表面镀膜，镀膜后各膜层示意图如图2所示，镀膜过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基板11下表面真空溅射低反射率铬膜12，膜层厚度为0.5μ，透过率T＝0；
2)用湿法腐蚀法按表1的数据光刻出光孔，50×50μm2；
3)镀制SiO2保护膜13，膜层厚度为0.2μ；
4)镀制衰减膜14，透过率T为0.2％一般在T＝400nm-1100nm。在镀制过程，选择一片经过上述1)-3)处理过的同样基板作为监测样片，对监测样片和实际镀制的基板一起镀制衰减膜，通过监测样片的透过率，当样片的透过率达到要求的0.2％时，认为衰减膜镀制完成，性能满足要求。
5)镀制SiO2保护膜15，膜层厚度为0.2μ。
将按照上述步骤制作出的7孔掩膜板安装在图像传感器上装配成装机，把孔2、孔3、孔4、孔5、孔7堵住，由于任意两个成像小孔之间的距离特征是独立的，所以APS太阳敏感器可以根据未堵住两孔的孔距，识别出孔1及孔6，并且采用此掩膜板的APS太阳敏感器所获得的测量精度满足要求。
实施例2
当小孔孔数为5个，任意两个小孔之间×方向距离、y方向距离为30个像素，成像小孔方形区域边界边长4.05mm。各个小孔之间的位置关系如表2所示：
表2成像小孔之间的位置关系
| (x，y) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | - | 0.75，0 | 1.5，0.9 | 2.1，2.7 | 4.05，4.05 |
| 2 | - | - | 0.75，0.9 | 1.35，2.7 | 3.3，4.05 |
| 3 | - | - | - | 0.6，1.8 | 2.55，3.15 |
| 4 | - | - | - | - | 1.95，1.65 |
| 5 | - | - | - | - | - |
制版过程同实施例1，同样通过将该掩膜板安装在图像传感器上装配成机进行测试，同样测得APS太阳敏感器获得的测量精度满足要求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (4)
1.APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，其特征在于：所述的掩膜板包括玻璃基板及镀膜层，玻璃基板下表面镀膜，玻璃基板镀膜面上光刻至少3个成像小孔，任意两个成像小孔之间x方向距离、y方向距离中至少一个方向距离差异不小于20个像素，成像小孔方形区域边界边长不超过d单位mm，d＝L-2htanα；
其中，L为APS太阳敏感器中的图像传感器有效像平面边长；
h为掩膜板到所述的图像传感器像平面的距离；
α为APS太阳敏感器的视场角。
2.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，其特征在于：所述的成像小孔在x方向每行只有一个。
3.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，其特征在于：所述的成像小孔孔径满足孔径线性方向覆盖3至5个像元，并且所成图像仅有一个会聚亮斑。
4.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器可识别多孔掩膜板，其特征在于：所述镀膜的膜层结构为层叠式结构，镀膜膜层为低反射率铬膜。
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