CN105758399A - 星敏感器遮光罩及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器遮光罩，根据已知的太阳抑制角θ、CCD视场角ω和入瞳直径d1计算出遮光罩的长度a和遮光罩的上端口直径d2，对称扩展上端口两端，将遮光罩拓展为圆柱体结构，且该圆柱体底面直径等于扩展后的上端口直径；在所述圆柱体内设计多个横向挡光环和多个竖直挡光环；或者在所述圆柱体内设计蜂窝结构和多个竖直挡光环。本发明对杂散光的抑制能力很强。

Description

星敏感器遮光罩及其设计方法

技术领域

本发明涉及光机系统杂散光抑制领域,特别是一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器遮光罩。

背景技术

星敏感器在实际应用中容易受到杂散光的影响，导致成像质量下降，成像对比度降低，以至于影响到后续的星点提取和星图处理，严重时会使系统无法正常工作，因此抑制杂散光对于星敏感器的正常工作非常重要。而星敏感器遮光罩能够对星敏感器的杂散光进行有效的抑制，并能保证有很好的成像质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器遮光罩。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种星敏感器遮光罩设计方法，根据已知的太阳抑制角θ、CCD视场角ω和入瞳直径d1计算出遮光罩的长度a和遮光罩的上端口直径d2，对称扩展上端口两端，将遮光罩拓展为圆柱体结构，且该圆柱体底面直径等于扩展后的上端口直径；在所述圆柱体内设计多个横向挡光环和多个竖直挡光环；或者在所述圆柱体内设计蜂窝结构和多个竖直挡光环。

所述横向挡光环的位置和侧壁宽度计算公式为：

$x_i=\frac{2b_1{y}_i}{b_1+b_2+tan\mathrm{\ω}\×y_i}$

$y_{i+1}=\frac{a(b_1-b_2)+(2b_2-atan\mathrm{\ω})x_i}{b_1+b_2-tan\mathrm{\ω}\×x_i}$

h_i＝tanω×x_i+h₁

其中，a为遮光罩的长度，b₁为遮光罩入射端的端面半径，b₂为遮光罩圆筒的外半径，x_i为第i个横向挡光环的横坐标，y_i为第i-1个横向挡光环顶点与遮光罩底部端面的角点之间的连线与遮光罩视场边沿线的交点的横坐标；h_i为第i个横向挡光环的侧壁宽度。

第一个横向挡光环的位置和侧壁宽度的确定过程为：连接遮光罩上端口入射边缘上的点M和遮光罩下端口的角点B’，交视场边缘线CC’于点X1，从点X1作遮光罩内壁A’B’的垂线，垂足即为第一个横向挡光环的位置，垂线的长度即为第一个横向挡光环的侧壁宽度。

所述竖直挡光环的位置和高度确定过程如下：设点A是以太阳抑制角入射的光线与视场边缘线的交点，取点A为第一个竖直挡光环的端点，过点A作遮光罩下端的垂线交于点A1，在遮光罩下端直线上取点B1使得A1B1长度等于d，在点B1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点A’使得点A’与点A关于该垂线对称，连接点M’和点A’交该垂线于点B,点B为第二个竖直挡光环的顶点位置，BB1为第二个竖直挡光环的高度,然后在遮光罩下端直线上取点C1使得B1C1等于d，在C1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点B’与点B关于该垂线对称，连接点M’和点B’交该垂线于点C，点C为第三个竖直挡光环的顶点位置，CC1为第三个竖直挡光环的高度；依此类推，直至最后一个竖直挡光环与所述圆柱体内壁之间的距离小于或等于d。

d＝10mm。

连接遮光罩上端口入射边缘上的点M和最后一个竖直挡光环顶点关于圆柱体侧壁对称的点，该连线将最里层横向挡分割为两部分，切除该横向挡光环或者切除该横向挡光环靠近竖直挡光环上方的部分。

所述蜂窝结构截面为三角形、正方形、圆形、正六边形中的一种；所述蜂窝结构的蜂窝孔径与孔深度之比小于或等于1。

本发明还提供了一种利用上述方法设计的星敏感器遮光罩，该遮光罩为圆柱体结构；所述圆柱体结构分为两部分，该两部分内分别设有多个横向挡光环和多个竖直挡光环；所述横向挡光环的圆心在所述圆柱体结构的中心轴上；所有竖直挡光环的中轴线均与所述圆柱体结构的中轴线重合；或者该两部分内分别设有蜂窝结构和多个竖直挡光环，所述竖直挡光环的中轴线均与所述圆柱体结构的中轴线重合，所述蜂窝结构的蜂窝孔径与孔深度之比小于或等于1。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明方法原理简单，直观且容易理解。并且可根据该原理作图，确定图中几何关系列出计算公式求解遮光罩结构尺寸；通过列出两条相交直线的表达式，经过求解方程组得到挡光环位置的一般表达式。然后在matlab中利用该表达式编程，实现计算机快速求解。即可确定横向挡光环的位置和侧壁宽度。该方法编程简单，计算方便，且对于不同的遮光罩结构尺寸只需要在程序中改动输入参数即可快速准确求解横向挡光环的位置和侧壁宽度；挡光环的利用可以更好的抑制杂散光，竖直挡光环不仅可以让杂散光经过多次反射到达探测面，而且其形成的“消光空间”可以将光线限制其中，经过多次反射后完全消除。对于稍大于太阳光抑制角的入射杂散光能够得到很好的抑制。在竖直挡光环的位置和高度的计算方法中，通过取不同的间距值d，可以很好的控制遮光罩的结构尺寸，便于根据具体应用环境改变具体结构尺寸。而不同的间距值d可以在相同的结构尺寸下设计出不同个数的竖直挡光环。该计算方法简单，确定竖直挡光环的个数和尺寸时灵活方便，并且可以通过几何作图算出各个竖直挡光环的位置和高度；相较于传统只设计横向挡光环结构的遮光罩具有更好的杂散光抑制能力；本发明采用了蜂窝结构的消杂光技术，并从几何尺寸和结构外形上设计出了截面为三角形、正方形、圆形、正六边形四种结构的蜂窝孔。微小蜂窝结构代替了横向挡光环，并将内壁带蜂窝结构的遮光罩与带竖直挡光环的遮光罩相组合形成最终遮光罩结构，相较于横向挡光环和竖直挡光环结构的组合遮光罩结构，在一定程度上使遮光罩的杂散光抑制能力得到提高；本发明对杂散光的抑制能力很强。

附图说明

图1为遮光罩尺寸设计图。

图2为延拓后的遮光罩结构图。

图3为横向挡光环的位置和侧壁宽度的计算方法图。

图4为竖直挡光环的位置和高度的计算方法图。

图5为只有横向挡光环的遮光罩示意图。

图6为保留相交部分的沿视场结构遮光罩示意图。

图7为保留相交部分的垂直遮光罩示意图。

图8为不保留相交部分的沿视场结构遮光罩示意图。

图9为不保留相交部分的垂直遮光罩示意图。

图10为三角形截面蜂窝孔设计图。

图11为正方形截面蜂窝孔设计图。

图12为圆形截面蜂窝孔设计图。

图13为正六边形截面蜂窝孔设计图。

图14为正方形蜂窝孔沿视场结构遮光罩示意图。

图15为正方形蜂窝孔垂直遮光罩示意图。

具体实施方式

图1是本发明的一实施例所提出的遮光罩尺寸设计图。根据图1中的几何关系可以列出方程组，计算出遮光罩的长度L、一级遮光罩长度L1、二级遮光罩长度L2和遮光罩的上端口直径d2。

由图1中的几何关系，可以列出如下公式：

d₂＝d₁+2Ltanω

L＝L₁+L₂

L₂＝MNcosω

L₁＝MQsin(90°-θ)

结合以上各式，对于给定的太阳抑制角θ、CCD视场角ω和入瞳直径d1，则可以算出遮光罩的长度L、一级遮光罩长度L1、二级遮光罩长度L2和遮光罩上端口的直径d2。然后将确定结构参数的遮光罩延拓成如图2所示结构。

图3是本发明的另一实施例提出的横向挡光环的位置和侧壁宽度的计算方法图。对于已经确定结构参数并延拓的遮光罩结构，该结构是中心对称的，故可取过中心轴的一个截面来研究，在该面上以遮光罩入射端的中心为原点，以中心轴所在直线为X轴，入射端垂直于中心轴的直线为Y轴，建立如图2所示的坐标系，其中各点坐标分别为A(0,b₂)、B(a,b₂)、A'(0,-b₂)、B'(a,-b₂)、C(0,-b₁)、C'(a,-D₀/2)、M(0,b₁)。

其中，a为遮光罩的长度L，DL为遮光罩的上端口直径，D0为遮光罩的下端口直径，h1为延拓时在上端口取的延拓长度。

横向挡光环确定方法:连接遮光罩上端口入射边缘上的点M和遮光罩下端口的角点B’交视场边缘线CC’于点X1，从点X1作遮光罩内壁A’B’的垂线，垂足即为第一个挡光环的位置，垂线的长度即为挡光环的高度。然后，连接点X1和遮光罩下端口的点B交A’B’于点Y1，连接点M和点Y1交视场边缘线于点点X2，从点X2作遮光罩内壁A’B’的垂线，垂足即为第二个挡光环的位置，垂线的长度即为挡光环的高度。依次则可以确定所有挡光环的位置和高度。

给出一般规律如下：横向挡光环的端点坐标都出现直线CC’上，故可设第i次确定的挡光环端点坐标为X_i(x_i,tanω*x_i-b₁)，则第i+1次确定的挡光环坐标为X_i+1(x_i+1,tanω*x_i+1-b₁)，设相应的与遮光罩内壁的交点为Y_i(y_i,-b₂)和Y_i+1(y_i+1,-b₂)。由横向挡光环确定方法可知:点M、点X_i和点Y_i在一条直线上，点B、点X_i和点Y_i+1在一条直线上，由此可列直线方程如下：

对于直线MX_iY_i： $\frac{b_1+b_2}{-y_i}=\frac{2b_1-\tan w*x_i}{-x_i}$

对于直线BX_iY_i+1： $\frac{2b_2}{a-y_{i+1}}=\frac{b_1+b_2-tan\mathrm{\ω}*x_i}{a-x_i}$

有以上两式，解得:

$x_i=\frac{2b_1{y}_i}{b_1+b_2+tan\mathrm{\ω}\×y_i}$

$y_{i+1}=\frac{a(b_1-b_2)+(2b_2-atan\mathrm{\ω})x_i}{b_1+b_2-tan\mathrm{\ω}\×x_i}$

在MATLAB中编程计算出横向挡光环的位置和侧壁宽度。对确定的遮光罩结构尺寸和横向挡光环的位置和侧壁宽度，设计如图5所示的遮光罩结构。

图4是本发明另一实施例提出的竖直挡光环的位置和高度的计算方法图。图4中点A是以太阳抑制角入射的光线与视场边缘线MN的交点。点M为遮光罩上端口的边缘上的点，点M’为点M关于中心轴对称的一点，点N为遮光罩下端口边缘上的一点。

竖直挡光环确定方法：点A是以太阳抑制角入射的光线与视场边缘线的交点，入射角度大于太阳抑制角的光线至少经过两次或两次以上的反射才能到达探测面，故取点A为第一个竖直挡光环的端点，过点A作遮光罩下端的垂线交于点A1，在遮光罩下端直线上取点B1使得A1B1等于d，在点B1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点A’使得点A’与点A关于该垂线对称，连接点M’和点A’交该垂线于点B,点B即为确定的第二个竖直挡光环的位置及高度。然后再遮光罩下端直线上取点C1使得B1C1等于d，在C1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点B’与点B关于该垂线对称，连接点M’和点B’交该垂线于点C，点C即为确定的第三个竖直挡光环的位置及高度。依次，我们确定了B、C、D三个竖直挡光环，竖直挡光环个数的设计主要依据遮光罩使用环境来控制，也可以通过控制间距d来控制遮光罩的尺寸和竖直挡光环的个数。

在本发明的另一实施例中，对于第一套实现途径，通过横向挡光环和竖直挡光环的设计得到所有的参数，经过整合，提出了两种针对横向挡光环与竖直挡光环相交时的设计方案，分别为保留相交部分和不保留相交部分。同时提出了在点A处的两种确定竖直挡光环的方案，分别为垂直遮光罩和沿视场结构遮光罩。对于第一套实现途径，总共设计出了四种不同的结构。保留相交部分的沿视场结构遮光罩如图5所示，保留相交部分的垂直遮光罩如图6所示，不保留相交部分的沿视场结构遮光罩如图7所示，不保留相交部分的垂直遮光罩如图8所示。在横向挡光环和竖直挡光环整合时，对于与竖直挡光环相交的横向挡光环，在整合后的遮光罩中都不存在，对于挡住竖直挡光环作用视野的挡光环，通过作竖直挡光环视野边缘线与横向挡光环相交，保留相交部分指保留交点靠近遮光罩内壁的一段，除去交点另一边靠近中心轴的那一段，不保留相交部分指除去与竖直挡光环视野边缘线相交的任何一个横向挡光环。竖直挡光环视野边缘线指的是图4中的线段M’D’。

在本发明的另一实施例中，对于第二套实现途径，设计出了四种几何尺寸和结构外形的蜂窝。三角形截面蜂窝孔如图10所示，正方形截面蜂窝孔如图11所示，圆形截面蜂窝孔如图12所示，正六边形截面蜂窝孔如图13所示。对于三角形截面的蜂窝孔的设计采用的是正三角形，可先设计出一个边长为L1的正三角形，然后将其横向等间距L2复制多个，再将这排三角形阵列沿低端所在的直线翻转180°后左移或右移(L1+L2)/2，上移0.732*L1+0.5*L2。将得到的结构向上等间距复制即可得到图10所示的结构。对于正方形截面的蜂窝孔的设计采用的是全等的正方形横向和纵向等间距排列而成。对于圆形截面的蜂窝孔的排列方式很多种，本发明中给出的是全等的圆形横向和纵向等间距排列而成。当时本发明不局限于这一种圆形蜂窝孔的结构。对于正六边形蜂窝孔结构，采用全等的正六边形依次相邻排列而成。以上所有的结构都考虑到孔的深度对杂散光抑制的影响，在具体设计过程中不同深度具有不同的杂散光抑制能力。经仿真验证得到，孔径与孔深度之比小于1时，杂散光抑制能力最好，故本发明实施例中所设计的不同形状蜂窝孔的孔径与孔深度之比都为1。

在本发明的另一实施例中，对于第二套实现途径，将内壁带正方形蜂窝孔的遮光罩与带竖直挡光环的遮光罩相组合，根据竖直挡光环结构的遮光罩在点A处挡光环的两种设计方案设计出了两种不同的组合遮光罩。图14是正方形蜂窝孔沿视场结构遮光罩示意图。图15是正方形蜂窝孔垂直遮光罩示意图。

在本发明的实施例中，采用铝合金材料，其具有加工性能好、成本低等优点，也可采用钛合金才料，其密度较小质量轻、线胀系数较小、高强度、耐腐蚀、具有良好的加工特性和易成型等优点，非常适用于星敏感器的机械结构。

Claims (8)

1.一种星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，根据已知的太阳抑制角θ、CCD视场角ω和入瞳直径d1计算出遮光罩的长度a和遮光罩的上端口直径d2，对称扩展上端口两端，将遮光罩拓展为圆柱体结构，且该圆柱体底面直径等于扩展后的上端口直径；在所述圆柱体内设计多个横向挡光环和多个竖直挡光环；或者在所述圆柱体内设计蜂窝结构和多个竖直挡光环。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向挡光环的位置和侧壁宽度计算公式为：

$x_i=\frac{2b_1{y}_i}{b_1+b_2+tan\mathrm{\ω}\×y_i}$

$y_{i+1}=\frac{a(b_1-b_2)+(2b_2-atan\mathrm{\ω})x_i}{b_1+b_2-tan\mathrm{\ω}\×x_i}$

h_i＝tanω×x_i+h₁

其中，a为遮光罩的长度，b₁为遮光罩入射端的端面半径，b₂为遮光罩圆筒的外半径，x_i为第i个横向挡光环的横坐标，y_i为第i-1个横向挡光环顶点与遮光罩底部端面的角点之间的连线与遮光罩视场边沿线的交点的横坐标；h_i为第i个横向挡光环的侧壁宽度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一个横向挡光环的位置和侧壁宽度的确定过程为：连接遮光罩上端口入射边缘上的点M和遮光罩下端口的角点B’，交视场边缘线CC’于点X1，从点X1作遮光罩内壁A’B’的垂线，垂足即为第一个横向挡光环的位置，垂线的长度即为第一个横向挡光环的侧壁宽度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述竖直挡光环的位置和高度确定过程如下：设点A是以太阳抑制角入射的光线与视场边缘线的交点，取点A为第一个竖直挡光环的端点，过点A作遮光罩下端的垂线交于点A1，在遮光罩下端直线上取点B1使得A1B1长度等于d，在点B1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点A’使得点A’与点A关于该垂线对称，连接点M’和点A’交该垂线于点B,点B为第二个竖直挡光环的顶点位置，BB1为第二个竖直挡光环的高度,然后在遮光罩下端直线上取点C1使得B1C1等于d，在C1处作遮光罩下端面的垂线，然后作点B’与点B关于该垂线对称，连接点M’和点B’交该垂线于点C，点C为第三个竖直挡光环的顶点位置，CC1为第三个竖直挡光环的高度；依此类推，直至最后一个竖直挡光环与所述圆柱体内壁之间的距离小于或等于d。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，d＝10mm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，连接遮光罩上端口入射边缘上的点M和最后一个竖直挡光环顶点关于圆柱体侧壁对称的点，该连线将最里层横向挡分割为两部分，切除该横向挡光环或者切除该横向挡光环靠近竖直挡光环上方的部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝结构截面为三角形、正方形、圆形、正六边形中的一种；所述蜂窝结构的蜂窝孔径与孔深度之比小于或等于1。

8.一种利用权利要求1～7之一所述方法设计的星敏感器遮光罩，其特征在于，该遮光罩为圆柱体结构；所述圆柱体结构分为两部分，该两部分内分别设有多个横向挡光环和多个竖直挡光环；所述横向挡光环的圆心在所述圆柱体结构的中心轴上；所有竖直挡光环的中轴线均与所述圆柱体结构的中轴线重合；或者该两部分内分别设有蜂窝结构和多个竖直挡光环，所述竖直挡光环的中轴线均与所述圆柱体结构的中轴线重合，所述蜂窝结构的蜂窝孔径与孔深度之比小于或等于1。