CN103984192A - 一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机及其实现方法 - Google Patents

一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机，包括光学镜头组件、多层隔热组件、APS板、导热组件、相机支撑结构、相机控制板和散热组件；其关键在于，对使用了APS图像传感器的空间相机，引入APS器件的导热优化设计技术和整机散热优化设计技术，实现了空间相机的高温工作环境的适应性，同时具有低功耗、轻小型、多功能和成像质量高的优点，满足深空探测对高温工作环境适应性的空间相机的需求。

Description

一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机及其实现方法
技术领域
本发明属于深空探测光电探测技术领域，涉及一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机及其实现方法。
背景技术
随着深空探测技术的发展和深空探测任务需求，做作为深空探测必备的有效载荷(空间相机)的发展趋势为：随着技术不断进步，空间相机的性能越来越高，在深空探测中发挥的作用越来越重要，深空探测器所携带的空间相机也越来越多；空间相机所承担的科学目标从单一到多元化、从简单到复杂；深空探测空间相机趋向于集成化、小型化和多功能化，以减轻质量、降低成木、节省燃料、延长深空探测器寿命；空间相机所面临温度环境更加复杂(比如：月面白昼工作需要面临+150℃的高温环境)。由此适应高温工作环境的空间相机研制技术是深空探测技术发展的关键技术之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于深空探测高温工作环境的空间相机及其实现方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机，包括光学镜头组件、多层隔热组件、APS板、导热组件、相机支撑结构、相机控制板和散热组件；其中，
光学镜头组件，在空间相机最前端，用于消减视场外的杂散光，并将待成像目标成像在APS图像传感器上；
多层隔热组件，包覆了空间相机的所有表面(除光学镜头组件遮光罩的通光口、散热组件的上表散热面和空间相机的接插件部位外)，用于减小深空探测环境或其它设备间的辐射热；
APS板，在光学镜头组件与相机控制板之间，用于接收光学镜头组件收集的光学信号，并将光学信号转换成电学信号，APS板同时实现差分LVDS信号转为单端信号和二次电源转换的功能；
导热组件，在APS板的后表面上，表贴APS探测器工作时产生的热传递到固定APS探测器的PCB板焊盘上，传导到PCB板焊盘上的热再通过PCB板和PCB板上的导热孔传递到PCB板对面的焊盘，再由PCB板对面的焊盘传递到类工字型导热条上，再传递到相机支撑结构上；
相机支撑结构，用于固定光学镜头组件、APS板和相机控制板以及实现对外的机械接口，保证空间相机具有良好适应辐照环境和力学环境的能力。
相机控制板，在空间相机后端，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信；
散热组件，用于将相机工作时产生的热向深空环境辐射。
上述方案中，所述多层隔热组件包覆了所述空间相机的所有表面(除光学镜头组件遮光罩的通光口、散热组件的上表散热面和空间相机的接插件部位外)；所述多层隔热组件为15单元层隔热材料，所述每一单元层隔热材料包括蜂窝芯、单面镀铝聚酰亚胺膜；所述多层隔热组件的最外层面膜为F46薄膜镀银二次表面镜；其中，
蜂窝芯，用于两层单面镀铝聚酰亚胺膜之间的隔热，减小两层单面镀铝聚酰亚胺膜的热传递；
单面镀铝聚酰亚胺膜，用于将传递到单面镀铝聚酰亚胺膜上的热向空间相机外反射，减小外界热向空间相机传递；
F46薄膜镀银二次表面镜，用于将空间环境或其它设备的辐射热向外界反射。
上述方案中，所述导热组件包括导热垫片、类工字型导热条和导热孔，导热垫片和类工字型导热条为导热特性良好的铜；其中，
导热垫片，在类工字型导热条两端与相机支撑结构之间，实现将类工字型导热条与相机支撑结构之间的紧密良好接触；
类工字型导热条，在APS板的后表面，用于将传递到类工字型导热条的热传导到相机支撑结构上；
导热孔，在APS探测器底部的PCB板上，用于将APS探测器产生的热传递到类工字型导热条；
上述方案中，所述散热组件包括OSR散热膜和散热板；其中
OSR散热膜，在散热板的上表面，用于将传递到OSR散热膜上的热向深空环境辐射；
散热板，固定OSR散热膜，并将将相机支撑结构上的热传导到OSR散热膜上。
本发明提供一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机的实现方法，所述空间相机包括光学镜头组件、多层隔热组件、APS板、导热组件、相机支撑结构、相机控制板以及散热组件；所述实现方法为：
步骤61：隔离空间相机的外界辐射热
所述多层隔热组件为15单元层隔热材料，从所述空间相机表面向外，依次分布为单面镀铝聚酰亚胺膜(镀铝面向外)、蜂窝芯、单面镀铝聚酰亚胺膜(镀铝面向外)、蜂窝芯、单面镀铝聚酰亚胺膜(镀铝面向外)、蜂窝芯、……、最外层面膜为F46薄膜镀银二次表面镜(镀银面向外)。F46薄膜镀银二次表面镜将深空探测环境或其它设备间的辐射热向深空环境反射，极少量的热通过F46薄膜镀银二次表面镜向内传递；紧靠F46薄膜镀银二次表面镜的蜂窝芯再将F46薄膜镀银二次表面镜向内传递的热传递到单面镀铝聚酰亚胺膜；单面镀铝聚酰亚胺膜将传递到其镀铝面的热向外反射，极少量的通过单面镀铝聚酰亚胺膜向内传递；依次类推，所述空间相机通过多层隔热组件实现隔离空间相机的外界辐射热。
步骤62：向相机支撑结构传递APS传感器工作产生的热
所述的表贴APS探测器工作时产生的热传递到固定APS探测器的PCB板焊盘上，传导到PCB板焊盘上的热再通过PCB板和PCB板上的导热孔传递到PCB板对面的焊盘，再由PCB板对面的焊盘传递到类工字型导热条上，再传递到相机支撑结构上；APS探测器与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；导热孔内填充焊锡；类工字型导热条与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；类工字型导热条两端通过导热垫片与相机支撑结构紧密良好接触，类工字型导热条与导热垫片之间、导热垫片与相机支撑结构之间填充硅橡胶；通过4个M3的螺钉将类工字型导热条紧固在PCB板上。
步骤63：向深空环境辐射空间相机工作产生的热
所述散热组件是通过硅橡胶把OSR散热膜粘贴在散热板上。所述空间相机工作时产生的热(包括电源转换模块、APS探测器、FPGA器件等)通过各种途径传导到相机支撑结构上，相机支撑结构上的热再传递到散热板上，散热板上的热通过OSR散热膜向深空环境辐射。
与现有技术相比，本发明具有的优点是：利用现有的航天领域成熟技术，解决了空间相机在高温工作环境中隔绝外界热和导出并辐射相机内部热的问题。创新性解决了大功耗表贴APS探测器散热困难的问题，而且保证了APS探测器与相机支撑结构的良好温差。实现了APS探测器到相机支撑结构之间的温差为5℃，让空间相机能够在150℃的高温工作环境中正常工作。空间相机同时具有低功耗、轻小型、多功能和成像质量高的优点。
附图说明
图1是本发明的空间相机的系统组成示意图；
其图中标记为：11-光学镜头组件、12-多层隔热组件、13-APS板、14-导热组件、15-相机支撑结构；16-相机控制板、17-散热组件；
图2是本发明的空间相机的多层隔热组件示意图；
其图中标记为：A代表空间相机外表面、B代表由内向外、C为深空环境、21-蜂窝芯、22-单面镀铝聚酰亚胺膜、23-F46薄膜镀银二次表面镜；
图3是本发明的空间相机的导热组件剖面示意图；
其图中标记为：31-导热垫片、32-类工字型导热条、33-导热孔、34-APS探测器、35-PCB板上的焊盘、36-PCB板；
图4是本发明的空间相机的导热组件俯视示意图；
图5是本发明的空间相机的散热组件示意图；
其图中标记为：51-OSR散热膜、52-散热板；
图6是本发明的空间相机的实现流程示意图；
图7是本发明的空间相机的具体实施例。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
本发明提供了一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机，如图1所示，该空间相机包括光学镜头组件11、多层隔热组件12、APS板13、导热组件14、相机支撑结构15、相机控制板16和散热组件17；其中，
光学镜头组件11，在空间相机最前端，用于消减视场外的杂散光，并将待成像目标成像在APS图像传感器上；
多层隔热组件12，包覆了空间相机的所有表面(除光学镜头组件11遮光罩的通光口、散热组件17的上表散热面和空间相机的接插件部位外)，用于减小深空探测环境或其它设备间的辐射热；
APS板13，在光学镜头组件11与相机控制板16之间，用于接收光学镜头组件11收集的光学信号，并将光学信号转换成电学信号，APS板13同时实现差分LVDS信号转为单端信号和二次电源转换的功能；
导热组件14，在APS板13的后表面上，表贴APS探测器工作时产生的热传递到固定APS探测器的PCB板焊盘35上，传导到PCB板焊盘35上的热再通过PCB板36和PCB板36上的导热孔33传递到PCB板36对面的焊盘，再由PCB板36对面的焊盘传递到类工字型导热条32上，再传递到相机支撑结构15上；
相机支撑结构15，用于固定光学镜头组件11、APS板13和相机控制板16以及实现对外的机械接口，保证空间相机具有良好适应辐照环境和力学环境的能力，如图7所示。
相机控制板16，在空间相机后端，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信；
散热组件17，用于将相机工作时产生的热向深空环境辐射。
如图2所示，所述多层隔热组件12包覆了所述空间相机的所有表面(除光学镜头组件11遮光罩的通光口、散热组件17的上表散热面和空间相机的接插件部位外)；所述多层隔热组件12为15单元层隔热材料，所述每一单元层隔热材料包括蜂窝芯21、单面镀铝聚酰亚胺膜22；所述多层隔热组件12的最外层面膜为F46薄膜镀银二次表面镜23；其中，
蜂窝芯21，用于两层单面镀铝聚酰亚胺膜22之间的隔热，减小两层单面镀铝聚酰亚胺膜22的热传递；
单面镀铝聚酰亚胺膜22，用于将传递到单面镀铝聚酰亚胺膜22上的热向空间相机外反射，减小外界热向空间相机传递；
F46薄膜镀银二次表面镜23，用于将空间环境或其它设备的辐射热向外界反射。
如图3和图4所示，所述导热组件14包括导热垫片31、类工字型导热条32和导热孔33，导热垫片31和类工字型导热条32为导热特性良好的铜；其中，
导热垫片31，在类工字型导热条32两端与相机支撑结构15之间，实现将类工字型导热条32与相机支撑结构15之间的紧密良好接触；
类工字型导热条32，在APS板13的后表面，用于将传递到类工字型导热条32的热传导到相机支撑结构15上；
导热孔33，在APS探测器底部的PCB板36上，用于将APS探测器产生的热传递到类工字型导热条32；
如图5所示，所述散热组件17包括OSR散热膜51和散热板52；其中
OSR散热膜51，在散热板52的上表面，用于将传递到OSR散热膜51上的热向深空环境辐射；
散热板52，固定OSR散热膜51，并将将相机支撑结构15上的热传导到OSR散热膜51上。
本发明提供一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机的实现方法，所述空间相机包括光学镜头组件11、多层隔热组件12、APS板13、导热组件14、相机支撑结构15、相机控制板16以及散热组件17；如图6所示，所述实现方法为：
步骤61：隔离空间相机的外界辐射热
所述多层隔热组件12为15单元层隔热材料，从所述空间相机表面向外，依次分布为单面镀铝聚酰亚胺膜22(镀铝面向外)、蜂窝芯21、单面镀铝聚酰亚胺膜22(镀铝面向外)、蜂窝芯21、单面镀铝聚酰亚胺膜22(镀铝面向外)、蜂窝芯21、……最外层面膜为F46薄膜镀银二次表面镜23(镀银面向外)。F46薄膜镀银二次表面镜23将深空探测环境或其它设备间的辐射热向深空环境反射，极少量的热通过F46薄膜镀银二次表面镜23向内传递；紧靠F46薄膜镀银二次表面镜23的蜂窝芯21再将F46薄膜镀银二次表面镜23向内传递的热传递到单面镀铝聚酰亚胺膜22；单面镀铝聚酰亚胺膜22将传递到其镀铝面的热向外反射，极少量的通过单面镀铝聚酰亚胺膜22向内传递；依次类推，所述空间相机通过多层隔热组件12实现隔离空间相机的外界辐射热。
步骤62：向相机支撑结构传递APS传感器工作产生的热
所述的表贴APS探测器工作时产生的热传递到固定APS探测器的PCB板焊盘35上，传导到PCB板焊盘35上的热再通过PCB板36和PCB板36上的导热孔33传递到PCB板36对面的焊盘，再由PCB板36对面的焊盘传递到类工字型导热条32上，再传递到相机支撑结构15上；APS探测器与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；导热孔33内填充焊锡；类工字型导热条32与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；类工字型导热条32两端通过导热垫片31与相机支撑结构15紧密良好接触，类工字型导热条32与导热垫片31之间、导热垫片31与相机支撑结构15之间填充硅橡胶；通过4个M3的螺钉将类工字型导热条32紧固在PCB板36上。
步骤63：向深空环境辐射空间相机工作产生的热
所述散热组件17是通过硅橡胶把OSR散热膜51粘贴在散热板52上。所述空间相机工作时产生的热(包括电源转换模块、APS探测器、FPGA器件等)通过各种途径传导到相机支撑结构15上，相机支撑结构15上的热再传递到散热板52上，散热板52上的热通过OSR散热膜51向深空环境辐射。

Claims (5)

1.一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机，其特征在于，该空间相机包括光学镜头组件(11)、多层隔热组件(12)、APS板(13)、导热组件(14)、相机支撑结构(15)、相机控制板(16)和散热组件(17)；其中，
光学镜头组件(11)，用于消减视场外的杂散光，并将待成像目标成像在APS图像传感器上；
多层隔热组件(12)，用于减小深空探测环境或其它设备间的辐射热；
APS板(13)，用于光电转换，差分LVDS信号转为单端信号，二次电源转换；
导热组件(14)，用于将APS图像传感器工作时产生的热快速传导到相机支撑结构上；
相机支撑结构(15)，用于固定光学镜头(11)、APS板(13)和相机控制板(14)以及实现对外的机械接口；
相机控制板(16)，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信；
散热组件(17)，用于将相机工作时产生的热向深空环境辐射。
2.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述多层隔热组件(12)包覆了所述空间相机的除光学镜头组件(11)遮光罩的通光口、散热组件(17)的上表散热面和空间相机的接插件部位外所有表面；所述多层隔热组件(12)为15单元层隔热材料，所述每一单元层隔热材料包括蜂窝芯(21)、单面镀铝聚酰亚胺膜(22)；所述多层隔热组件(12)的最外层面膜为F46薄膜镀银二次表面镜(23)；其中，
蜂窝芯(21)，用于两层单面镀铝聚酰亚胺膜(22)之间的隔热；
单面镀铝聚酰亚胺膜(22)，用于将传递到单面镀铝聚酰亚胺膜(22)上的热向空间相机外反射；
F46薄膜镀银二次表面镜(23)，用于将空间环境或其它设备的辐射热向外界反射。
3.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述导热组件(14)包括导热垫片(31)、类工字型导热条(32)和导热孔(33)，导热垫片和类工字型导热条为导热特性良好的铜；其中，
导热垫片(31)，用于将类工字型导热条(32)的两端与相机支撑结构紧密良好接触；
类工字型导热条(32)，用于将传导到类工字型导热条(32)的热传导到相机支撑结构；
导热孔(33)，用于将APS探测器产生的热传导到类工字型导热条(32)。
4.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述散热组件(17)包括OSR散热膜(51)和散热板(52)；其中：
OSR散热膜(51)，用于将传导到OSR散热膜上的热向深空环境辐射；
散热板(52)，用于将相机支撑结构上的热传递到OSR散热膜上。
5.一种适用于深空探测的高温工作环境的空间相机的实现方法，其特征在于，所述空间相机包括光学镜头组件(11)、多层隔热组件(12)、APS板(13)、导热组件(14)、相机支撑结构(15)、相机控制板(16)以及散热组件(17)；所述实现方法为：
步骤61：隔离空间相机的外界辐射热
所述多层隔热组件(12)为15单元层隔热材料，从所述空间相机表面向外，依次分布为镀铝面向外的单面镀铝聚酰亚胺膜(22)、蜂窝芯(21)、镀铝面向外的单面镀铝聚酰亚胺膜(22)、蜂窝芯21、镀铝面向外的单面镀铝聚酰亚胺膜22、蜂窝芯21、……、最外层面膜为镀银面向外的F46薄膜镀银二次表面镜(23)，F46薄膜镀银二次表面镜(23)将深空探测环境或其它设备间的辐射热向深空环境反射，极少量的热通过F46薄膜镀银二次表面镜(23)向内传递；紧靠F46薄膜镀银二次表面镜(23)的蜂窝芯(21)再将F46薄膜镀银二次表面镜(23)向内传递的热传递到单面镀铝聚酰亚胺膜(22)；单面镀铝聚酰亚胺膜(22)将传递到其镀铝面的热向外反射，极少量的通过单面镀铝聚酰亚胺膜(22)向内传递；依次类推，所述空间相机通过多层隔热组件(12)实现隔离空间相机的外界辐射热；
步骤62：向相机支撑结构传递APS传感器工作产生的热
所述的表贴APS探测器工作时产生的热传递到固定APS探测器的PCB板焊盘(35)上，传导到PCB板焊盘(35)上的热再通过PCB板(36)和PCB板(36)上的导热孔(33)传递到PCB板(36)对面的焊盘，再由PCB板(36)对面的焊盘传递到类工字型导热条(32)上，再传递到相机支撑结构(15)上；APS探测器与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；导热孔(33)内填充焊锡；类工字型导热条(32)与PCB板焊盘之间紧密填充硅橡胶；类工字型导热条(32)两端通过导热垫片(31)与相机支撑结构(15)紧密良好接触，类工字型导热条(32)与导热垫片(31)之间、导热垫片(31)与相机支撑结构(15)之间填充硅橡胶；通过4个M3的螺钉将类工字型导热条(32)紧固在PCB板(36)上；
步骤63：向深空环境辐射空间相机工作产生的热
所述散热组件(17)是通过硅橡胶把OSR散热膜(51)粘贴在散热板(52)上，所述空间相机工作时产生的热通过各种途径传导到相机支撑结构(15)上，相机支撑结构(15)上的热再传递到散热板(52)上，散热板(52)上的热通过OSR散热膜(51)向深空环境辐射。
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