一種光學掩膜及基於光學掩膜的太陽敏感器的製造方法
2023-06-18 16:28:31
一種光學掩膜及基於光學掩膜的太陽敏感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光學掩膜，該光學掩膜採用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構，所述圓矩形結構沿x軸方向及y軸方向均對稱，且帶有V字形狹縫；該光學掩膜用於通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。如此，本發明實施例中的光學掩膜採用圓矩形的結構形式，易於加工和裝配且可以避免旋轉移位；採用V字形狹縫濾波並引入太陽光線，形成的光線交點數量較少，在後續測量姿態角的過程中對應的信息處理算法較為簡單、快速且精確。
【專利說明】一種光學掩膜及基於光學掩膜的太陽敏感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空航天領域的太陽敏感器技術，尤其涉及一種光學掩膜及基於光學掩膜的太陽敏感器。
【背景技術】
[0002]太陽敏感器是衛星上重要的姿態測量光學敏感器。太陽敏感器按工作原理主要可分為如下幾種:基於光電池的模擬式太陽敏感器、基於光電碼盤的編碼式太陽敏感器、基於二維線陣式圖像傳感器的數字太陽敏感器、基於面陣圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器和基於一維線陣圖像傳感器的線陣式數字太陽敏感器等；其中，線陣式數字太陽敏感器是新出現的一種太陽敏感器，其重量輕，功耗低，成本低，精度適中，因而成為低成本、中低精度微小衛星的首選。
[0003]太陽敏感器的主要組成部分是光學掩膜(即光線引入器)和信息處理系統兩大部分。太陽光線通過刻有特殊圖案形式的光學掩膜照射到圖像傳感器，圖像傳感器的輸出按一定的規律隨太陽光線的入射角度變化而變化；光學掩膜的圖案形式直接決定太陽敏感器的姿態測量方法，尤其對於基於一維線陣圖像傳感器的太陽敏感器來說，由於一維線陣圖像傳感器只能感知一維的信息，所以要利用一維線陣圖像傳感器測量太陽光線在二維方向的入射角，必須通過特殊圖案形式的光學掩膜將太陽光線的入射形式進行變換。
[0004]光學掩膜的結構形式及裝配結構既要保證太陽敏感器的各項技術指標，又要具有較高的穩定性和可靠性，以適應航天惡劣的力學環境(例如，強振動、衝擊和加速度)和熱學環境(例如，極端高、低溫)的要求，具體來說即要求光學掩膜到圖像傳感器的距離保持穩定，且光學掩膜不會旋轉移位，又要求光學掩膜不會因強振動、衝擊、材料熱脹冷縮特性不一致等情況而破碎，同時還要求光學掩膜裝配工藝的可操作性強，光學掩膜的鍍膜不會在裝配過程中被劃傷或汙染。
[0005]由此可見，光學掩膜設計及其裝配是太陽敏感器的一項關鍵技術，光學掩膜的圖案形式、結構形式及其裝配結構均會影響太陽敏感器的性能。現有線陣式數字太陽敏感器中的光學掩膜圖案形式有兩種:一種是井字形，一種是N字形；太陽光線經過井字形的光學掩膜將形成四個光線交點，經過N字形光學掩膜將形成三個光線交點；結構形式分別為圓形和矩形。裝配結構有灌膠封裝式和粘結式，其中，所謂灌膠封裝式是將光學掩膜、電路板和機殼全部灌膠封死；所謂粘結式是先將光學掩膜粘結在圖像傳感器上，然後將焊有圖像傳感器的電路板通過螺釘固定在太陽敏感器的機殼上。
[0006]發明人在實現本發明的過程中，發現現有線陣式數字太陽敏感器中的光學掩膜及其裝配結構至少存在以下缺陷:
[0007]I)現有的光學掩膜採用井字形或N字形的圖案形式時，在後續測量姿態角過程中對應的信息處理算法均較為複雜；
[0008]2)現有的光學掩膜若採用圓形的結構形式，則在安裝時容易產生旋轉移位，從而給後續姿態角的測量帶來較大的誤差；若採用矩形的結構形式，則在加工處理和裝配時均較為複雜。
[0009]3)現有光學掩膜的裝配結構穩定性高，但是，靈活性差，不利於調試，且安裝誤差大。
[0010]可以看出，在圖案形式方面，目前亟需一種形成光線交點數量較少，且在後續測量姿態角過程中對應的信息處理算法較為簡單的光學掩膜圖案形式；在結構形式方面，也亟需一種易於加工，且不易旋轉移位的光學掩膜結構形式；在裝配結構方面，需要一種既能適應航天環境又簡單靈活的裝配結構。
【發明內容】
[0011]有鑑於此，本發明實施例期望提供一種光學掩膜及基於光學掩膜的太陽敏感器，不僅易於加工、裝配簡單靈活，能避免旋轉移位；而且能減少光線交點數，使後續所用信息處理算法更簡單、快速、精確。
[0012]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0013]本發明實施例提供了一種光學掩膜，應用於太陽敏感器，該光學掩膜採用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構，所述圓矩形結構沿X軸方向及y軸方向均對稱，且帶有V字形狹縫；
[0014]所述光學掩膜，用於通過所述V字形狹縫的兩條狹縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。
[0015]上述方案中，所述V字形狹縫的夾角為90度，且所述V字形狹縫的中心與所述圓矩形結構的中心重合，所述V字形狹縫的寬度I滿足如下條件:
Ia/2
[0016]-<^-
[0017]其中，a為所述線陣圖像傳感器的長度。 [0018]上述方案中，所述V字形狹縫的夾角頂點與所述封閉型結構的上邊沿的距離I1、左頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離I2、右頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離13，滿足如下條件:
FOV
[0019]I1 = I1 = L > tan(^^) x L + C
[0020]其中，FOV為所述光學掩膜的視場範圍，L為太陽敏感器中掩膜窗口的厚度，C為安
裝餘量常數。
[0021]基於上述的光學掩膜，本發明實施例還提供了一種太陽敏感器，該太陽敏感器包括權利要求上述的光學掩膜。
[0022]上述方案中，所述太陽敏感器還包括:掩膜窗口、壓接環、壓接橡膠圈；其中，
[0023]所述掩膜窗口，用於承載所述光學掩膜，並配合所述壓接環對所述光學掩膜進行固定，所述掩膜窗口與所述光學掩膜相契合；
[0024]所述壓接環，用於將所述光學掩膜固定於所述掩膜窗口中；
[0025]所述壓接橡膠圈，固定於所述光學掩膜的非入射面與所述壓接環之間，用於對所述光學掩膜提供力學緩衝。
[0026]上述方案中，所述光學掩膜的V字形狹縫的夾角頂點與所述掩膜窗口的上邊沿的距離I4、左頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離I5、右頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離I6、左頂點與所述掩膜窗口的左邊沿距離I7、右頂點與所述掩膜窗口的右邊沿距離I8，滿足如下條件:
【權利要求】
1.一種光學掩膜，應用於太陽敏感器，其特徵在於，所述光學掩膜採用由兩條平行線及兩條圓弧線構成的圓矩形結構，所述圓矩形結構沿X軸方向及I軸方向均對稱，且帶有V字形狹縫； 所述光學掩膜，用於通過所述V字形狹縫的兩條狹縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器。
2.根據權利要求1所述的光學掩膜，其特徵在於，所述V字形狹縫的夾角為90度，且所述V字形狹縫的中心與所述圓矩形結構的中心重合，所述V字形狹縫的寬度I滿足如下條件:
3.根據權利要求1所述的光學掩膜，其特徵在於，所述V字形狹縫的夾角頂點與所述封閉型結構的上邊沿的距離I1、左頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離I2、右頂點與所述封閉型結構的下邊沿的距離I3，滿足如下條件:
4.一種太陽敏感器，其特徵在於，所述太陽敏感器包括權利要求1至3任一項所述的光學掩膜。
5.根據權利要求4所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述太陽敏感器還包括:掩膜窗口、壓接環、壓接橡膠圈；其中， 所述掩膜窗口，用於承載所述光學掩膜，並配合所述壓接環對所述光學掩膜進行固定，所述掩膜窗口與所述光學掩膜相契合； 所述壓接環，用於將所述光學掩膜固定於所述掩膜窗口中； 所述壓接橡膠圈，固定於所述光學掩膜的非入射面與所述壓接環之間，用於對所述光學掩膜提供力學緩衝。
6.根據權利要求4所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述光學掩膜的V字形狹縫的夾角頂點與所述掩膜窗口的上邊沿的距離I4、左頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離I5、右頂點與所述掩膜窗口的下邊沿的距離I6、左頂點與所述掩膜窗口的左邊沿距離I7、右頂點與所述掩膜窗口的右邊沿距離I8，滿足如下條件:
7.根據權利要求5所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述掩膜窗口的倒角為45度。
8.根據權利要求5所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述壓接橡膠圈由真空橡皮墊圈實現，厚度為0.5mm。
【文檔編號】G01C25/00GK103983265SQ201410256172
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】樊巧雲, 高鑫洋, 張廣軍 申請人:北京航空航天大學