CN103983265A - 一种光学掩膜及基于光学掩膜的太阳敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学掩膜，该光学掩膜采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，所述圆矩形结构沿x轴方向及y轴方向均对称，且带有V字形狭缝；该光学掩膜用于通过所述V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器。如此，本发明实施例中的光学掩膜采用圆矩形的结构形式，易于加工和装配且可以避免旋转移位；采用V字形狭缝滤波并引入太阳光线，形成的光线交点数量较少，在后续测量姿态角的过程中对应的信息处理算法较为简单、快速且精确。

Description

一种光学掩膜及基于光学掩膜的太阳敏感器

技术领域

本发明涉及航空航天领域的太阳敏感器技术，尤其涉及一种光学掩膜及基于光学掩膜的太阳敏感器。

背景技术

太阳敏感器是卫星上重要的姿态测量光学敏感器。太阳敏感器按工作原理主要可分为如下几种：基于光电池的模拟式太阳敏感器、基于光电码盘的编码式太阳敏感器、基于二维线阵式图像传感器的数字太阳敏感器、基于面阵图像传感器的面阵式数字太阳敏感器和基于一维线阵图像传感器的线阵式数字太阳敏感器等；其中，线阵式数字太阳敏感器是新出现的一种太阳敏感器，其重量轻，功耗低，成本低，精度适中，因而成为低成本、中低精度微小卫星的首选。

太阳敏感器的主要组成部分是光学掩膜(即光线引入器)和信息处理系统两大部分。太阳光线通过刻有特殊图案形式的光学掩膜照射到图像传感器，图像传感器的输出按一定的规律随太阳光线的入射角度变化而变化；光学掩膜的图案形式直接决定太阳敏感器的姿态测量方法，尤其对于基于一维线阵图像传感器的太阳敏感器来说，由于一维线阵图像传感器只能感知一维的信息，所以要利用一维线阵图像传感器测量太阳光线在二维方向的入射角，必须通过特殊图案形式的光学掩膜将太阳光线的入射形式进行变换。

光学掩膜的结构形式及装配结构既要保证太阳敏感器的各项技术指标，又要具有较高的稳定性和可靠性，以适应航天恶劣的力学环境(例如，强振动、冲击和加速度)和热学环境(例如，极端高、低温)的要求，具体来说即要求光学掩膜到图像传感器的距离保持稳定，且光学掩膜不会旋转移位，又要求光学掩膜不会因强振动、冲击、材料热胀冷缩特性不一致等情况而破碎，同时还要求光学掩膜装配工艺的可操作性强，光学掩膜的镀膜不会在装配过程中被划伤或污染。

由此可见，光学掩膜设计及其装配是太阳敏感器的一项关键技术，光学掩膜的图案形式、结构形式及其装配结构均会影响太阳敏感器的性能。现有线阵式数字太阳敏感器中的光学掩膜图案形式有两种：一种是井字形，一种是N字形；太阳光线经过井字形的光学掩膜将形成四个光线交点，经过N字形光学掩膜将形成三个光线交点；结构形式分别为圆形和矩形。装配结构有灌胶封装式和粘结式，其中，所谓灌胶封装式是将光学掩膜、电路板和机壳全部灌胶封死；所谓粘结式是先将光学掩膜粘结在图像传感器上，然后将焊有图像传感器的电路板通过螺钉固定在太阳敏感器的机壳上。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有线阵式数字太阳敏感器中的光学掩膜及其装配结构至少存在以下缺陷：

1)现有的光学掩膜采用井字形或N字形的图案形式时，在后续测量姿态角过程中对应的信息处理算法均较为复杂；

2)现有的光学掩膜若采用圆形的结构形式，则在安装时容易产生旋转移位，从而给后续姿态角的测量带来较大的误差；若采用矩形的结构形式，则在加工处理和装配时均较为复杂。

3)现有光学掩膜的装配结构稳定性高，但是，灵活性差，不利于调试，且安装误差大。

可以看出，在图案形式方面，目前亟需一种形成光线交点数量较少，且在后续测量姿态角过程中对应的信息处理算法较为简单的光学掩膜图案形式；在结构形式方面，也亟需一种易于加工，且不易旋转移位的光学掩膜结构形式；在装配结构方面，需要一种既能适应航天环境又简单灵活的装配结构。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种光学掩膜及基于光学掩膜的太阳敏感器，不仅易于加工、装配简单灵活，能避免旋转移位；而且能减少光线交点数，使后续所用信息处理算法更简单、快速、精确。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种光学掩膜，应用于太阳敏感器，该光学掩膜采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，所述圆矩形结构沿x轴方向及y轴方向均对称，且带有V字形狭缝；

所述光学掩膜，用于通过所述V字形狭缝的两条狭缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器。

上述方案中，所述V字形狭缝的夹角为90度，且所述V字形狭缝的中心与所述圆矩形结构的中心重合，所述V字形狭缝的宽度l满足如下条件：

$\frac{l}{4}\≤\frac{a/2}{3}$

其中，a为所述线阵图像传感器的长度。

上述方案中，所述V字形狭缝的夹角顶点与所述封闭型结构的上边沿的距离l₁、左顶点与所述封闭型结构的下边沿的距离l₂、右顶点与所述封闭型结构的下边沿的距离l₃，满足如下条件：

$l_1=l_2=l_3\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L+C$

其中，FOV为所述光学掩膜的视场范围，L为太阳敏感器中掩膜窗口的厚度，C为安装余量常数。

基于上述的光学掩膜，本发明实施例还提供了一种太阳敏感器，该太阳敏感器包括权利要求上述的光学掩膜。

上述方案中，所述太阳敏感器还包括：掩膜窗口、压接环、压接橡胶圈；其中，

所述掩膜窗口，用于承载所述光学掩膜，并配合所述压接环对所述光学掩膜进行固定，所述掩膜窗口与所述光学掩膜相契合；

所述压接环，用于将所述光学掩膜固定于所述掩膜窗口中；

所述压接橡胶圈，固定于所述光学掩膜的非入射面与所述压接环之间，用于对所述光学掩膜提供力学缓冲。

上述方案中，所述光学掩膜的V字形狭缝的夹角顶点与所述掩膜窗口的上边沿的距离l₄、左顶点与所述掩膜窗口的下边沿的距离l₅、右顶点与所述掩膜窗口的下边沿的距离l₆、左顶点与所述掩膜窗口的左边沿距离l₇、右顶点与所述掩膜窗口的右边沿距离l₈，满足如下条件：

$l_4=l_5=l_6=l_7=l_8\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L$

其中，FOV为所述光学掩膜的视场范围，L为所述掩膜窗口的厚度。

上述方案中，所述掩膜窗口的倒角为45度。

上述方案中，所述压接橡胶圈由真空橡皮垫圈实现，厚度为0.5mm。

本发明实施例所提供的光学掩膜及基于光学掩膜的太阳敏感器，与现有技术相比，取得了如下进步：

1)本发明实施例中的光学掩膜，采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，因此，在光学掩膜结构形式方面，不仅易于加工、装配简单灵活，而且能够避免旋转移位。

2)本发明实施例中的光学掩膜，采用V字形狭缝滤波并引入太阳光线，如此，在图案形式方面，形成的光线交点数量较少，能使后续测量姿态角的过程中对应的信息处理算法更简单、快速且精确。

3)本发明实施例采用的光学掩膜的装配结构，既能保证所实现的太阳敏感器在恶劣的航天环境下技术指标稳定可靠，而且装配简单灵活，便于调试。

附图说明

图1为本发明实施例光学掩膜的结构示意图；

图2为本发明实施例太阳光线在V字形狭缝的两条狭缝同时以最大角度入射的示意图；

图3a为本发明实施例太阳光线相对x轴方向变化时的示意图；

图3b为本发明实施例太阳光线相对y轴方向变化时的示意图；

图4a为本发明实施例太阳敏感器中光学掩膜装配组件构成示意图；

图4b为本发明实施例太阳敏感器中光学掩膜装配结构的剖视示意图；

图4c为本发明实施例太阳敏感器中光学掩膜装配结构的俯视示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，光学掩膜采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，所述圆矩形结构沿x轴方向及y轴方向均对称，且带有V字形狭缝；所述光学掩膜通过所述V字形狭缝的两条狭缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明实施例中提供的光学掩膜的结构示意图，该光学掩膜10应用于太阳敏感器，如图1所示，该光学掩膜10采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，所述圆矩形结构沿x轴方向及y轴方向均对称，且带有V字形狭缝101；

所述光学掩膜10，用于通过所述V字形狭缝101的两条狭缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器11。

这里，本发明实施例提供的基于所述光学掩膜10进行姿态测量的具体实现方式包括：

A、所述光学掩膜10通过自身带有的V字形狭缝101的两条狭缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线，滤波后的第一条太阳光线与第二条太阳光线透射到线阵图像传感器11的成像面上，能够形成两个交点，每个交点在所述成像面上分布多个像素。

在实际应用中，结合图1和图2所示，所述光学掩膜10应覆盖整个视场范围内，以使通过V字形狭缝101的太阳光线总能透射在所述线阵图像传感器11的成像面上。本发明实施例中，所述V字形狭缝101的夹角为90°，且所述V字形狭缝101的中心O与所述封闭型结构的中心O₁重合，若考虑通过V字形狭缝101的太阳光线透射在所述线阵图像传感器11的成像面上的极限情况，即：太阳光线在V字形狭缝的两条狭缝同时以最大角度入射，则所述V字形狭缝101的宽度l需满足如下关系：

$\frac{l}{4}\≤\frac{a/2}{3}$

其中，a为所述线阵图像传感器11的长度。

本发明实施例中，若线阵图像传感器11的长度a取16.248mm，则据此确定的所述V字形狭缝101宽度l的最大值为10.832mm。

优选的，根据太阳辐射强度和图像传感器光谱响应曲线，确定所述带有V字形狭缝101的光学掩膜的透射率为10％。

这里，在形成光学掩膜10时，先对圆形的光学掩膜基片进行处理，即：将圆形的光学掩膜基片的上下两边进行平行切割，剩余部分形成由两条平行线及两条圆弧线构成的封闭型结构的光学掩膜基片；其中，两条平行切割边用于定位，两条圆弧形边用于固定所述具有封闭结构的光学掩膜10，使所述具有封闭型结构的光学掩膜10容易定位且不会旋转移位，从而在装配时步骤简单可靠。在此基础上，对所述光学掩膜基片进行镀膜和蚀刻V字形透光狭缝，从而形成满足要求的光学掩膜10。

这里，所述V字形狭缝101的夹角顶点A与所述封闭型结构的上边沿的距离l₁、左顶点A₁与所述封闭型结构的下边沿的距离l₂、右顶点A₂与所述封闭型结构的下边沿的距离l₃，满足如下条件：

$l_1=l_2=l_3\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L+C$

其中，FOV为姿态测量的视场范围，优选的，视场范围设计为120×120，L为太阳敏感器中掩膜窗口的厚度，优选的，L设计为1mm。C为安装余量常数，优选的，C取1mm，因此，l₁＝l₂＝l₃≥2.732mm。

B、滤波后的第一条太阳光线201与第二条太阳光线202透射到线阵图像传感器11的成像面上，形成两个光线交点，每个交点分布于成像面多个像素；在后续测算太阳光线在两轴方向的姿态角的过程中，根据线阵图像传感器输出的各像素模拟电压值，提取所述第一条太阳光线201对应的第一交点的中心位置信息和所述第二条太阳光线202对应的第二交点的中心位置信息；

具体的，结合图3a和3b所示，首先通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值；然后根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值，提取所述第一条太阳光线与所述线阵图像传感器11的成像面相交的第一交点的中心位置信息，及所述第二条太阳光线与所述线阵图像传感器11的成像面相交的第二交点的中心位置信息，具体实现方式如下：

预设数字灰度阈值，数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素确认为第一交点或第二交点所在像素，数字灰度值小于所述数字灰度阈值的像素确认为背景像素；对数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素，按照如下公式提取出所述第一交点及第二交点的中心位置信息：

$x=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i\·g\left(x_i\right))}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n}g\left(x_i\right)}$

其中，x_i为第一交点或第二交点对应的各像素点i的像素坐标，g(x_i)表示第一交点或第二交点对应的各像素点i的数字灰度值，n为第一交点或第二交点的像素点总数，x表示第一交点或第二交点在x轴方向的中心位置坐标。

C、根据所述第一交点的中心位置信息及所述第二交点的中心位置信息，测算出太阳光线在两轴方向的姿态角；

具体的，结合图3a和3b所示，根据所述第一交点的中心位置信息及所述第二交点的中心位置信息，并结合太阳敏感器的成像模型测算出太阳光线在两轴方向的姿态角，具体实现方式如下：

第一交点相对x轴方向变化时，根据第一交点在x轴方向的中心位置坐标x_a，获取沿x轴的相对距离Δx_a；第二交点相对x轴方向变化时，根据第二交点在x轴方向的中心位置坐标x_b，获取沿x轴的相对距离Δx_b；

按公式测量出太阳光线相对x轴方向变化时的姿态角α；

第一交点相对y轴方向变化时，获取沿x轴的相对距离Δx_c；第二交点相对y轴方向变化时，获取沿x轴的相对距离Δx_d；

按公式测量出太阳光线相对y轴方向变化时的姿态角β；

其中，h为光学掩膜10平面与线阵图像传感器11的成像面之间的距离。

本发明实施例中的光学掩膜采用V字形狭缝分别滤波并引入太阳光线，形成的太阳光线交点数量仅有两个；并且，在后续测量姿态角的过程中，仅根据所述两个交点的中心位置信息和相对距离就能够测量出太阳光线在两轴方向的姿态角，因此，对应的信息处理算法变得较为简单、快速且精确。

基于上述光学掩膜，本发明实施例还提供了一种基于上述光学掩膜所实现太阳敏感器，所述太阳敏感器至少包括上述光学掩膜10，所述光学掩膜的具体组成结构以及实现原理，与图1、图2、图3a、图3b所述结构及原理相同。

具体实施中，如图4a和图4b所示，本发明实施例的太阳敏感器还包括：掩膜窗口401、压接环402、压接橡胶圈403、以及焊有线阵图像传感器11的电路板404；所述光学掩膜10、掩膜窗口401、压接环402、压接橡胶圈403、以及焊有线阵图像传感器11的电路板404均位于所述太阳敏感器的机械壳体中；

这里，图4a为太阳敏感器中光学掩膜装配组件构成示意图，图4b为对应的太阳敏感器中光学掩膜的装配结构的剖视示意图，图4c为太阳敏感器中光学掩膜的装配结构的俯视结构示意图。

其中，所述掩膜窗口401，用于承载所述光学掩膜10，并配合所述压接环402对所述光学掩膜10进行固定。

所述光学掩膜10，蚀刻透光狭缝的一侧朝向电路板一侧，另一侧朝外，从而尽可能避免光学掩膜10的污染和划伤。

所述掩膜窗口401与所述光学掩膜10相契合，并留有0.1mm的缝隙，以适应航天环境中的极端高低温情况下，由于光学掩膜10与机械壳体不同的热膨胀系数而导致的形变；

所述压接环402，用于将所述光学掩膜10固定于所述掩膜窗口401中；

所述压接橡胶圈403，固定于所述光学掩膜10的非入射面与所述压接环402之间，用于为所述光学掩膜10提供力学缓冲，避免所述光学掩膜10因强振动或冲击而破碎。

由于所述光学掩膜10与所述线阵图像传感器11之间的距离是太阳敏感器实现精确测量的关键参数，因此，将所述焊有线阵图像传感器11的电路板404，用螺钉固定与机械壳体的凸台上；这样，能够保证光学掩膜10与线阵图像传感器11之间距离的稳定性；并且，凸台安装面与掩膜窗口401之间的误差小于0.01mm，从而尽可能降低光学掩膜10与线阵图像传感器11之间的距离误差。

这里，所述掩膜窗口401的内壁中带有螺纹，所述压接环402的内壁带有缺口，使用螺丝钉通过所述压接环402内壁的缺口旋入所述掩膜窗口401内壁的螺纹中，依次将所述光学掩膜10、所述压接橡胶圈403、所述压接环402固定于所述掩膜窗口401中。

优选的，所述掩膜窗口401的倒角为45度，如图4b所示，如此，能够增大太阳光线的入射角度。

优选的，所述压接橡胶圈403可由真空橡皮垫圈实现，厚度为0.5mm。

这里，所述掩膜窗口401与所述光学掩膜10相契合，且所述光学掩膜10的V字形狭缝的夹角顶点A与所述掩膜窗口401的上边沿的距离l₄、左顶点A₁与所述掩膜窗口的下边沿的距离l₅、右顶点A₂与所述掩膜窗口401的下边沿的距离l₆、左顶点A₁与所述掩膜窗口的左边沿距离l₇、右顶点A₂与所述掩膜窗口401的右边沿距离l₈，满足如下条件：

$l_4=l_5=l_6=l_7=l_8\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L$

其中，FOV为所述太阳敏感器姿态测量的视场范围，优选的，视场范围设计为120×120，L为所述掩膜窗口401的厚度，优选的，L设计为1mm，因此，l₄＝l₅＝l₆＝l₇＝l₈≥1.732mm，优选的，取l₄＝l₅＝l₆＝l₇＝l₈＝2mm。

本发明实施例中，采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构的光学掩膜10，且该光学掩膜10与掩膜窗口401相契合，使该光学掩膜10在安装的工艺中容易定位且不易移位；并且，通过光学掩膜10与掩膜窗口401之间的缝隙能够适应光学掩膜10与机械壳体在极端高低温环境中的形变；通过压接橡胶圈403能够提供力学缓冲以适应航天环境中的强振动、冲击；通过将电路板404和光学掩膜10分别安装在热形变小的机械壳体内，既能够保证光学掩膜10与线阵图像传感器11之间距离的稳定性，又方便调试和装配。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种光学掩膜，应用于太阳敏感器，其特征在于，所述光学掩膜采用由两条平行线及两条圆弧线构成的圆矩形结构，所述圆矩形结构沿x轴方向及y轴方向均对称，且带有V字形狭缝；

所述光学掩膜，用于通过所述V字形狭缝的两条狭缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器。

2.根据权利要求1所述的光学掩膜，其特征在于，所述V字形狭缝的夹角为90度，且所述V字形狭缝的中心与所述圆矩形结构的中心重合，所述V字形狭缝的宽度l满足如下条件：

$\frac{l}{4}\≤\frac{a/2}{3}$

其中，a为所述线阵图像传感器的长度。

3.根据权利要求1所述的光学掩膜，其特征在于，所述V字形狭缝的夹角顶点与所述封闭型结构的上边沿的距离l₁、左顶点与所述封闭型结构的下边沿的距离l₂、右顶点与所述封闭型结构的下边沿的距离l₃，满足如下条件：

$l_1=l_2=l_3\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L+C$

其中，FOV为所述光学掩膜的视场范围，L为太阳敏感器中掩膜窗口的厚度，C为安装余量常数。

4.一种太阳敏感器，其特征在于，所述太阳敏感器包括权利要求1至3任一项所述的光学掩膜。

5.根据权利要求4所述的太阳敏感器，其特征在于，所述太阳敏感器还包括：掩膜窗口、压接环、压接橡胶圈；其中，

所述掩膜窗口，用于承载所述光学掩膜，并配合所述压接环对所述光学掩膜进行固定，所述掩膜窗口与所述光学掩膜相契合；

所述压接环，用于将所述光学掩膜固定于所述掩膜窗口中；

所述压接橡胶圈，固定于所述光学掩膜的非入射面与所述压接环之间，用于对所述光学掩膜提供力学缓冲。

6.根据权利要求4所述的太阳敏感器，其特征在于，所述光学掩膜的V字形狭缝的夹角顶点与所述掩膜窗口的上边沿的距离l₄、左顶点与所述掩膜窗口的下边沿的距离l₅、右顶点与所述掩膜窗口的下边沿的距离l₆、左顶点与所述掩膜窗口的左边沿距离l₇、右顶点与所述掩膜窗口的右边沿距离l₈，满足如下条件：

$l_4=l_5=l_6=l_7=l_8\≥\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×L$

其中，FOV为所述光学掩膜的视场范围，L为所述掩膜窗口的厚度。

7.根据权利要求5所述的太阳敏感器，其特征在于，所述掩膜窗口的倒角为45度。

8.根据权利要求5所述的太阳敏感器，其特征在于，所述压接橡胶圈由真空橡皮垫圈实现，厚度为0.5mm。