专利名称：一种用于ccd太阳敏感器的金字塔形光学头部装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通常作为卫星或其他空间飞行器的姿态控制系统中的太阳敏感 器，具体是指线列CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置。
技术背景线列CCD太阳敏感器由于其探测器——CCD技术的应用己经相当成熟，光学 结构采用狭缝成像，原理简单，具备了实现仪器体积小、重量轻等特点的技术 基础。同时，由于线阵CCD为单阵列像元，信号处理简单，引入误差较小，能 够达到高精度角度测量的要求，因此得到广泛应用。目前线阵CCD太阳敏感器的光学头部装置按测量方法主要分为单狭缝式(包 括光栅式和Z型狭缝式)和多狭缝式(包括双狭缝式和三狭缝式)。由于单狭缝 式很难做到高精度与大视场的同时实现，因而较多采用多狭缝式，即在一个线 列CCD探测器上垂直布置多条狭缝，实现单一探测器的多视场复用技术。为了 实现高精度、大视场方位角的测量，也有人采用中间一条狭缝离CCD探测器的 距离大于两边狭缝。但这些光学头部结构的共同缺点是光线通过狭缝上方的 滤光片会因为余弦效应出现明显的能量衰减，从而降低了 CCD的动态响应范围， 严重地限制了在大视场时实现高精度指标的能力。同时，由于CCD太阳敏感器 主要为数字电路，在姿态控制系统故障模式下需要有一般精度的太阳姿态角度 信号作为应急情况下的备份，目前通常采用将CCD信号进行数模转换变为模拟 信号提供给姿控系统应急电路，这样就过分依赖CCD的工作情况，降低了仪器 工作的可靠性
发明内容
为了克服已有的线阵CCD太阳敏感器的局限性，适应姿控系统的应用需求， 本发明的目的在于提供一种用于线阵CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置， 该装置可克服余弦效应而产生的能量衰减，及在姿态控制系统故障模式下，不 过分依赖于CCD的工作情况，可作为一般精度下的太阳姿态角度信号检测，保 证太阳敏感器的可靠性。本发明的光学头部装置包括 一个四面为二二对称斜面中间为平顶的金字 塔形结构、三片带滤光的光学狭缝和二片太阳电池。其中一片带滤光的光学狭 缝置在金字塔形平顶的窗口上，另二片带滤光的光学狭缝分别置于金字塔形二 对称斜面的窗口上，并使三条光学狭缝相互平行。二片太阳电池也分别置于金 字塔形二对称斜面的窗口上，与带滤光的光学狭缝片依次排列。所说的带滤光的光学狭缝片包括基板，在基板的一面涂有所需滤光波段的膜层，另一面除狭缝外涂有铬膜层，铬膜层上均匀涂有掺黑漆的光刻胶层。涂掺黑漆光刻胶层的目的是因铬膜层反射率较高，太阳光可能会在CCD光敏面 上的盖片玻璃和铬膜层之间形成多次反射，从而在CCD光敏面上形成反射光斑， 造成杂光影响。线列CCD探测器放在金字塔形平顶的正下方，并使金字塔形平顶窗口上的 狭缝与线列CCD探测器相互中心垂直。本发明中的二片带滤光的光学狭缝采用倾斜放置的目的是为了克服余弦效 应而产生的能量衰减。其基于的原理是由于光学狭缝和滤光膜层分别位于基板的二面，太阳入射光线通过滤光膜 层和基板上下两个折射平面折射后，从狭缝处出射的角度方向不变，当带滤光 的光学狭缝相对于CCD的光敏面平行放置时，在太阳光线入射到狭缝所在的滤
光膜层时，可按照太阳光线入射滤光膜层上表面时的能量余弦效应公式得到 ) = Acos(a) ， (1) 其中f/(")为CCD输出信号幅度；^为常数；"为太阳入射角度。当带滤光的光学狭缝相对于CCD光敏面倾斜放置时，贝廿C/2(Q0^.cos(ar — 61) (2)因此，在大视场测量时，两者能量的比较为式1与式2的比值";(《—-，i (3)C/,(a) cos(a)由式3可知，利用两侧狭缝安装斜面的倾角关系，可以减小太阳入射光线 与狭缝所在滤光片法线方向的夹角，有效降低太阳光在大视场入射通过滤光片 时形成的能量余弦效应，CCD的输出信号幅度得到明显提高，进一步保证了CCD 的动态响应范围，这样太阳敏感器在大视场情况下就能够得到较为理想的响应 电平幅度，通过提高CCD的电子分辨率来保证高精度的测量。本发明中的两片太阳电池采用侧斜安装的目的是在太阳光的入射角度变 化下，利用两侧太阳电池的光电流变化既可以识别探测器复用的各段视场区间， 又可以提供一般精度的太阳姿态角度测量，可作为CCD故障模式下姿态控制系 统所需的应急备份信号。其基于的原理是-按照光电池的光电效能转换公式，可得到Fcl=i S/cos("cO (4) FC2-毅cos(夕-a) (5) FC1 - KC2 = 2舰sin ^ sirm ( 6 )其中必光电池的灵敏度；&光电池片的光敏面积；/: 一个太阳常数下的太 阳光强度(1353W/m2); &光电池所在斜面的倾角；"太阳光线的入射角度；Cl光电池的光伏电压；l C2光电池的光伏电压。可以推出
<formula>formula see original document page 6</formula> (7) 2肌sin^因此，可以利用地面已知的光学头部装置结构参数和光电池的特性指标， 由式7既可以在太阳敏感器士6^视场内，对各狭缝对应的视场区间进行有无信 号的识别，还能以模拟式太阳敏感器的测量方法进行一般精度的太阳角度测量。 这种光学头部的斜面结构，采用模拟式太阳敏感器的光电池测量方法，既可以 实现探测器多视场复用中各视场区间的识别，还能利用于角度关系带来的光电 池光伏电压的变化得到全视场下一般精度的角度测量，成为在CCD故障模式下 太阳敏感器提供给姿态控制系统的应急备份信号，提高了 CCD太阳敏感器的可 靠性。本发明的优点是1. 带滤光的光学狭缝采用倾斜安装可克服余弦效应而产生的能量衰减；2. 太阳电池采用侧斜安装，可在姿态控制系统故障模式下，不过分依赖于 CCD的工作情况，作为一般精度下的太阳姿态角度信号检测，保证太阳敏感器的 可靠性；3. 将光学狭缝和滤光片进行一体化加工，实现了光学狭缝和滤光片的双重 功能，保证了高精度测量所要求的的狭缝准直度(尺寸分辨率达pm级)，降低 了机械部件装配的工艺难度，有效地减轻了光学头部的重量和降低了体积。
图1为CCD太阳敏感器的光学头部装置的剖面结构示意图，a图为测量角方 向，b图为视场角方向。图2为双轴光学头部装置的视场角方向的仰视图。图3为带滤光的光学狭缝的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作详细阐述，实施例的具体技术指标如下小视场士15G内精度达到0.005 大视场士15G 士64G内精度达到 0.030。金字塔形光学头部装置结构如图1所示， 一个四面为二二对称斜面中间为 平顶的金字塔形结构、三片带滤光的光学狭缝和二片太阳电池。其中S1带滤光 的光学狭缝片l置在金字塔形平顶的窗口上，S2、 S3带滤光的光学狭缝片2、 3 分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，并使三条光学狭缝相互平行。Cl、 C2 二片太阳电池4、 5也分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，与S2、 S3带滤光的光学狭缝片依次排列。线列CCD探测器6放在金字塔形平顶的正下方，并使金字塔形平顶窗口上 的Sl带滤光的狭缝与线列CCD探测器相互中心垂直。所说的带滤光的光学狭缝片包括基板7，在基板的一面涂有所需滤光波段 的膜层8，另一面除狭缝9外涂有络膜层10，铬膜层上均匀涂有掺黑漆的光刻 胶层ll。在本实施例中，小视场(±15°)高精度测量由S1带滤光的光学狭缝实现， 得到中间视场0.005。的测量精度。大视场(±15° ±64°)精度测量由两侧斜面 上的S2、 S3带滤光的光学狭缝实现，为了保证中间视场与两侧大视场的过渡衔 接，S2带滤光的光学狭缝的视场为+10° +64°， S3带滤光的光学狭缝的视场为 -10° -64°。两侧狭缝的斜面倾角^都为37°，两侧视场边界(±10°和±64°) 相对于S2、 S3带滤光的光学狭缝安装面法线方向的角度都为27°。将"=64° ， 6 = 37°代入上述式3得在大视场角度测量时，<formula>formula see original document page 7</formula>。可见，利用光学头部的斜面的倾角关系，有效地减小了太
阳入射光线与狭缝所在滤光片法线方向的夹角，可以使CCD的输出信号幅度提 高近两倍，很好地保证了 CCD的动态响应范围，这样太阳敏感器后端信号处理 电路就可以通过进一步提高电子细分数来得到高精度(0.03°)的测量。同时，两侧斜面上各安装有一片C1、 C2光电池，利用模拟式太阳敏感器的 测量方法可以得到siim、U:。光电池输出的模拟电压信号&、 l既可为CCD探测器多视场复用时，对土63n 视场内不同狭缝所对应的区间进行有无信号的判别，还可以利用地面已知的斜 面倾角0、光电池特性参数A ^以及一个太阳常数下的太阳光照强度/，通过 后端电子信息电路进行运算，得到全视场下一般精度的太阳姿态角度，在CCD 故障模式下提供给姿控系统作为应急备份。这种斜面结构和光电池的测量原理 相结合的工作方式，大大提高了 CCD太阳敏感器姿态测量方案的可靠性。在本发明中，也可将二个金字塔形光学头部装置互相垂直放置组合成为双 轴，即能进行两维方向上的视场角度测量，其仰视图如图2所示。
权利要求
1.一种用于CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置，包括一个四面为二二对称斜面中间为平顶的金字塔形结构、三片带滤光的光学狭缝和二片太阳电池，其特征在于其中S1带滤光的光学狭缝片(1)置在金字塔形平顶的窗口上，S2、S3带滤光的光学狭缝片(2、3)分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，并使三条光学狭缝相互平行；C1、C2二片太阳电池(4、5)也分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，与S2、S3带滤光的光学狭缝片(2、3)依次排列；所说的带滤光的光学狭缝片包括基板(7)，在基板的一面涂有所需滤光波段的膜层(8)，另一面除狭缝(9)外涂有铬膜层(10)，铬膜层上均匀涂有掺黑漆的光刻胶层(11)；线列CCD探测器(6)放在金字塔形平顶的正下方，并使金字塔形平顶窗口上的S1带滤光的狭缝片(1)与线列CCD探测器相互中心垂直。
全文摘要
一种用于CCD太阳敏感器的光学头部装置，该装置包括一个金字塔形结构、三片带滤光的光学狭缝和二片太阳电池。其中一片带滤光的光学狭缝置在金字塔形平顶的窗口上，另二片带滤光的光学狭缝分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上。二片太阳电池也分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上。本发明利用两边狭缝所在斜面的倾角可在大视场角度测量时减小入射光线与狭缝法线方向的夹角，从而有效降低太阳光在大角度入射到滤光片时产生的能量余弦效应，保证了太阳敏感器具有大视场高精度的测量能力。另外，利用斜面上的二片光电池测量原理，将单一探测器多视场复用的视场区间识别和全视场一般精度的角度测量相结合，可以在CCD故障模式下作为应急备份信号提供给姿态控制系统进行一般精度的太阳姿态判断，从而提高了CCD太阳敏感器的可靠性。
文档编号G01B11/00GK101126930SQ20071004352
公开日2008年2月20日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者孙胜利, 沈英慧, 鹏 饶 申请人:中国科学院上海技术物理研究所