CN105866945A - 一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，包括步骤如下：一、确定遮光罩(1)的长度、直径和各挡光环的刃口位置；二、确定加权系数w₁，w₂的值；三、建立优化目标函数TW_ij；四、计算获得TW_ij；如果TW_ij>ε，ε为目标值，进入步骤五；如果TW_ij≤ε，获得TW_ij对应的α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj，进入步骤七；五、计算各挡光环散射光能量进入光学系统(2)的能量D₁,D₂,...,D_n并排序；六、对D₁,D₂,...,D_n中最大值对应的挡光环与光轴的夹角α_ij进行调整，返回步骤三；七、根据获得的各挡光环与光轴的夹角的最终值，获得各挡光环的位置。本发明解决了基于碳纳米高吸收率涂层遮光罩的设计问题，解决了目前设计方法中重杂光强度而忽略杂光分布均匀性的问题。

Description

一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种遮光罩的优化设计方法。

背景技术

星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于光电转换器上，输出信号经过A/D转换送数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性坐标系下的指向，通过星敏感器在飞行器、星光导航系统及舰船的上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿态。星敏感器一般由遮光罩、光学系统、探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。

随着星敏感器精度的不断提高，星敏感器探测的星光越来越弱。但星敏感器在轨工作过程所受到太阳、地球等多种强杂光光源的干扰，制约了星敏感器信噪比的进一步提高。通过提高星敏感器的抗杂光抑制能力，可以有效提高星敏感器的信噪比和灵敏度。特别是对于观测星等更弱的甚高精度星敏感器等产品，必须对星敏感器工作过程中所受的强光源进行抑制。

碳纳米管超黑涂层具有极高的吸收率，可以达到99.9％以上，可以有效提高光学敏感器的杂光抑制能力。碳纳米管超黑涂层已经逐步在星敏感器遮光罩组件上得到应用。根据目前碳纳米管超黑涂层的消光性能，其在垂直入射和小角度入射时具有很高的吸收率；但在略入射或大角度入射时，碳纳米管涂层反射率增大，吸收率相对降低。因此需对碳纳米管涂层在遮光罩内部的实施区域进行优化设计，满足不同入射角度下的杂光抑制性能。同时遮光罩内部挡光环的位置和形状等参数也需进行优化设计。通过对碳纳米管涂层遮光罩的优化设计，可以进一步提升产品杂光抑制能力，发挥碳纳米管的高吸收率特性。

目前的遮光罩设计方法主要存在以下问题：

(1)采用传统遮光罩设计方法的遮光罩结构形式固定，无法对不同杂光入射时的性能进行更改，设计自由度较低，不适用于对杂光入射方位有要求的碳纳米管涂层的设计。

(2)采用传统遮光罩设计方法无法对最终像面处的杂光分布和均匀性等进行在线分析，分析效率较低；

(3)杂光图像分布的均匀性对星敏感器的星图识别有重要影响，采用传统遮光罩设计方法一般不考虑杂光分布的均匀性问题，无法给出其均匀性指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，解决了基于碳纳米高吸收率涂层遮光罩的设计问题，可以对多种工况下的杂光抑制特性进行优化评估，解决了目前设计方法中重杂光强度而忽略杂光分布均匀性的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，包括步骤如下：

步骤一、根据光学系统的入射光瞳直径、视场角、焦距和遮光罩抑制角，确定遮光罩的长度、直径和各挡光环的刃口位置，使一次散射光无法直接进入光学系统内部；遮光罩的长度L、直径d₁由下式确定：

$L=\frac{d}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+L_1$

$d_1=d\frac{{\mathrm{tan\ω}}_1+tan\mathrm{\ω}}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+2h_1$

其中，d为光学系统入射光瞳直径，ω为光学系统半视场角，ω₁为遮光罩抑制角，L₁为遮光罩长度方向中的预留尺寸，h₁为远离光学系统的遮光罩端口处的挡光环的高度和遮光罩外壁厚度之和；

步骤二、确定加权系数w₁，w₂的值；w₁+w₂＝1，w₁≥0，w₂≥0；

步骤三、建立优化目标函数：TW_ij＝w₁E_ij+w₂SLNU_ij＝f(α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj)，

其中，α_ij为以第i个挡光环刃口位置为旋转中心旋转第i个挡光环到达第j个位置后，第i个挡光环与光轴的夹角；i＝1,2,3,......,n，n为正整数；j＝1,2,3,......,m，m为正整数；E_ij为像面照度，E_k(ij)是将像面划分为p个等大的网格后第k个网格内的照度，k＝1,2,3,......,p，p为正整数；E_ave(ij)为像面平均照度；

步骤四、计算获得TW_ij；

如果TW_ij＞ε，进入步骤五，其中，ε为目标值；

如果TW_ij≤ε，获得TW_ij对应的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj，进入步骤七；

步骤五、计算获得第i个挡光环到达第j个位置时，各挡光环散射进入光学系统的能量D₁,D₂,...,D_i,...,D_n，并对D₁,D₂,...,D_i,...,D_n进行排序；各挡光环散射进入光学系统的能量D_i＝Φ×(BRDF)²×F₁₂(θ_1i,θ_2i)；

其中，Φ为入射在各挡光环表面的入射辐射通量；BRDF为遮光罩内部喷涂的涂层的双向散射分布函数，通过测量获得；F₁₂(θ_1i,θ_2i)为光学系统入射光瞳直径和各挡光环间的辐射换热角系数，θ_1i为入射光瞳对第i个挡光环的立体角，θ_2i为第i个挡光环对入射光瞳的立体角；

步骤六、对D₁,D₂,...,D_i,...,D_n中最大值对应的挡光环与光轴的夹角α_ij进行调整，α_ij＝α_ij+β_j，β_j为调整角；返回步骤三；

步骤七、根据获得的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj最终值，获得各档光环的位置。

所述第i个挡光环与光轴的夹角α_ij满足|α_ij|≤45°。

所述调整角β_j满足|β_j|≤1°。

所述目标值ε的范围为0～10^-5。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明以探测器像面杂光分布的平均照度和分布均匀性为平均指标，解决了目前设计方法中重杂光强度而忽略杂光分布均匀性的问题；采用优化设计方法可以对各工况下碳纳米管遮光罩的杂光抑制性能进行综合评价，得到最优解。

(2)本发明增加了基于探测器上杂光分布均匀性的杂光抑制能力评价判据SLNU_ij，避免了传统方法忽略杂光分布均匀性的影响而带来的影响，产品像面平均照度和杂光分布均匀性得到提升，可以提升星敏感器遮光罩的杂光抑制能力。

(3)本发明与传统遮光罩设计方法相比能够对最终像面处的杂光分布和均匀性等进行在线分析，提高了分析效率；提高了遮光罩设计的设计自由度，适用于对杂光入射方位有要求的碳纳米管涂层的设计，解决了现有技术自由度较低、抑制性能无法更改的问题，为提高遮光罩抑制性能提供了可能。

附图说明

图1为本发明测试用光学系统总体布局示意图。

图2为使用传统设计方法设计的遮光罩设计图。

图3为改进设计的遮光罩设计图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图4所示，一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，包括步骤如下：

步骤一、如图2所示，根据光学系统2(如图1所示)的入瞳直径、视场角、焦距和遮光罩抑制角，确定遮光罩1的长度、直径和各挡光环的刃口位置，使一次散射光无法直接进入光学系统2内部；遮光罩1的长度L、直径d₁可以由下式确定：

$L=\frac{d}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+L_1$

$d_1=d\frac{{\mathrm{tan\ω}}_1+tan\mathrm{\ω}}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+2h_1$

其中，d为光学系统2入射光瞳直径，ω为光学系统2半视场角，ω₁为遮光罩抑制角，L₁为遮光罩1工程设计长度方向中的预留尺寸，h₁为远离光学系统(2)的遮光罩(1)端口处的挡光环的高度和遮光罩(1)外壁厚度之和；

步骤二、确定加权系数w₁，w₂的值；w₁+w₂＝1，w₁≥0，w₂≥0；

步骤三、建立优化目标函数：TW_ij＝w₁E_ij+w₂SLNU_ij＝f(α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj)，

其中，α_ij为以第i个挡光环刃口位置为旋转中心旋转第i个挡光环到达第j个位置后，第i个挡光环与光轴的夹角；i＝1,2,3,......,n，n为正整数；j＝1,2,3,......,m，m为正整数；E_ij为像面照度，E_k(ij)是将像面(3)划分为p个等大的网格后第k个网格内的照度，k＝1,2,3,......,p，p为正整数；E_ave(ij)为像面(3)平均照度；

步骤四、计算获得TW_ij；

如果TW_ij＞ε，进入步骤五，其中，ε为目标值；目标值ε的范围为0～10^-5。

如果TW_ij≤ε，获得TW_ij对应的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj，进入步骤七；

步骤五、计算获得第i个挡光环到达第j个位置时，各挡光环散射进入光学系统2的能量D₁,D₂,...,D_i,...,D_n，并对D₁,D₂,...,D_i,...,D_n进行排序；各挡光环散射进入光学系统2的能量D_i＝Φ×(BRDF)²×F₁₂(θ_1i,θ_2i)；

其中，Φ为入射在各挡光环表面的入射辐射通量；BRDF为遮光罩(1)内部喷涂的涂层的双向散射分布函数，通过测量获得；F₁₂(θ_1i,θ_2i)为光学系统(2)入射光瞳直径和各挡光环间的辐射换热角系数，θ_1i为入射光瞳对第i个挡光环的立体角，θ_2i为第i个挡光环对入射光瞳的立体角；

步骤六、对D₁,D₂,...,D_i,...,D_n中最大值对应的挡光环与光轴的夹角α_ij进行调整，α_ij＝α_ij+β_j，|β_j|≤1°；返回步骤三；

步骤七、根据获得的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,...α_nj的最终值，调整各挡光环与光轴的夹角，获得遮光罩1，如图3所示。

第i个挡光环与光轴的夹角α_ij满足|α_ij|≤45°。

Claims (4)

1.一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、根据光学系统(2)的入射光瞳直径、视场角、焦距和遮光罩抑制角，确定遮光罩(1)的长度、直径和各挡光环的刃口位置，使一次散射光无法直接进入光学系统(2)内部；遮光罩(1)的长度L、直径d₁由下式确定：

$L=\frac{d}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+L_1$

$d_1=d\frac{{\mathrm{tan\ω}}_1+tan\mathrm{\ω}}{{\mathrm{tan\ω}}_1-tan\mathrm{\ω}}+2h_1$

其中，d为光学系统(2)入射光瞳直径，ω为光学系统(2)半视场角，ω₁为遮光罩抑制角，L₁为遮光罩(1)长度方向中的预留尺寸，h₁为远离光学系统(2)的遮光罩(1)端口处的挡光环的高度和遮光罩(1)外壁厚度之和；

步骤二、确定加权系数w₁，w₂的值；w₁+w₂＝1，w₁≥0，w₂≥0；

步骤三、建立优化目标函数：TW_ij＝w₁E_ij+w₂SLNU_ij＝f(α_1j,α_2j,…,α_ij,…α_nj)，

其中，α_ij为以第i个挡光环刃口位置为旋转中心旋转第i个挡光环到达第j个位置后，第i个挡光环与光轴的夹角；i＝1,2,3,......,n，n为正整数；j＝1,2,3,......,m，m为正整数；E_ij为像面照度，E_k(ij)是将像面(3)划分为p个等大的网格后第k个网格内的照度，k＝1,2,3,......,p，p为正整数；E_ave(ij)为像面(3)平均照度；

步骤四、计算获得TW_ij；

如果TW_ij>ε，进入步骤五，其中，ε为目标值；

如果TW_ij≤ε，获得TW_ij对应的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,…α_nj，进入步骤七；

步骤五、计算获得第i个挡光环到达第j个位置时，各挡光环散射进入光学系统(2)的能量D₁,D₂,…,D_i,...,D_n，并对D₁,D₂,…,D_i,...,D_n进行排序；各挡光环散射进入光学系统(2)的能量D_i＝Φ×(BRDF)²×F₁₂(θ_1i,θ_2i)；

其中，Φ为入射在各挡光环表面的入射辐射通量；BRDF为遮光罩(1)内部喷涂的涂层的双向散射分布函数，通过测量获得；F₁₂(θ_1i,θ_2i)为光学系统(2)入射光瞳直径和各挡光环间的辐射换热角系数，θ_1i为入射光瞳对第i个挡光环的立体角，θ_2i为第i个挡光环对入射光瞳的立体角；

步骤六、对D₁,D₂,…,D_i,...,D_n中最大值对应的挡光环与光轴的夹角α_ij进行调整，α_ij＝α_ij+β_j，β_j为调整角；返回步骤三；

步骤七、根据获得的各挡光环与光轴的夹角α_1j,α_2j,...,α_ij,…α_nj最终值，获得各档光环的位置。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，其特征在于：所述第i个挡光环与光轴的夹角α_ij满足|α_ij|≤45°。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，其特征在于：所述调整角β_j满足|β_j|≤1°。

4.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管遮光罩的优化设计方法，其特征在于：所述目标值ε的范围为0～10^-5。