一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括步驟如下：一、確定遮光罩(1)的長(zhǎng)度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置；二、確定加權(quán)系數(shù)w1，w2的值；三、建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)TWij；四、計(jì)算獲得TWij；如果TWij>ε，ε為目標(biāo)值，進(jìn)入步驟五；如果TWij≤ε，獲得TWij對(duì)應(yīng)的α1j,α2j,...,αij,...αnj，進(jìn)入步驟七；五、計(jì)算各擋光環(huán)散射光能量進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)(2)的能量D1,D2,...,Dn并排序；六、對(duì)D1,D2,...,Dn中最大值對(duì)應(yīng)的擋光環(huán)與光軸的夾角αij進(jìn)行調(diào)整，返回步驟三；七、根據(jù)獲得的各擋光環(huán)與光軸的夾角的最終值，獲得各擋光環(huán)的位置。本發(fā)明解決了基于碳納米高吸收率涂層遮光罩的設(shè)計(jì)問(wèn)題，解決了目前設(shè)計(jì)方法中重雜光強(qiáng)度而忽略雜光分布均勻性的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器以恒星為測(cè)量目標(biāo)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將恒星成像于光電轉(zhuǎn)換器上，輸出信 號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)星點(diǎn)提取和星圖識(shí)別，確定星敏感器光軸矢量在慣性坐 標(biāo)系下的指向，通過(guò)星敏感器在飛行器、星光導(dǎo)航系統(tǒng)及艦船的上的安裝矩陣，確定其在慣 性坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)。星敏感器一般由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器組件及其電路、數(shù)據(jù)處 理電路、二次電源、軟件(系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及星表）、主體結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)鏡等組成。
[0003] 隨著星敏感器精度的不斷提高，星敏感器探測(cè)的星光越來(lái)越弱。但星敏感器在軌 工作過(guò)程所受到太陽(yáng)、地球等多種強(qiáng)雜光光源的干擾，制約了星敏感器信噪比的進(jìn)一步提 高。通過(guò)提高星敏感器的抗雜光抑制能力，可以有效提高星敏感器的信噪比和靈敏度。特別 是對(duì)于觀測(cè)星等更弱的甚高精度星敏感器等產(chǎn)品，必須對(duì)星敏感器工作過(guò)程中所受的強(qiáng)光 源進(jìn)彳丁抑制。
[0004]碳納米管超黑涂層具有極尚的吸收率，可以達(dá)到99.9%以上，可以有效提尚光學(xué) 敏感器的雜光抑制能力。碳納米管超黑涂層已經(jīng)逐步在星敏感器遮光罩組件上得到應(yīng)用。 根據(jù)目前碳納米管超黑涂層的消光性能，其在垂直入射和小角度入射時(shí)具有很高的吸收 率;但在略入射或大角度入射時(shí)，碳納米管涂層反射率增大，吸收率相對(duì)降低。因此需對(duì)碳 納米管涂層在遮光罩內(nèi)部的實(shí)施區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足不同入射角度下的雜光抑制性 能。同時(shí)遮光罩內(nèi)部擋光環(huán)的位置和形狀等參數(shù)也需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)碳納米管涂層 遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升產(chǎn)品雜光抑制能力，發(fā)揮碳納米管的高吸收率特性。
[0005] 目前的遮光罩設(shè)計(jì)方法主要存在以下問(wèn)題：
[0006] (1)采用傳統(tǒng)遮光罩設(shè)計(jì)方法的遮光罩結(jié)構(gòu)形式固定，無(wú)法對(duì)不同雜光入射時(shí)的 性能進(jìn)行更改，設(shè)計(jì)自由度較低，不適用于對(duì)雜光入射方位有要求的碳納米管涂層的設(shè)計(jì)。
[0007] (2)采用傳統(tǒng)遮光罩設(shè)計(jì)方法無(wú)法對(duì)最終像面處的雜光分布和均勻性等進(jìn)行在線 分析，分析效率較低；
[0008] (3)雜光圖像分布的均勻性對(duì)星敏感器的星圖識(shí)別有重要影響，采用傳統(tǒng)遮光罩 設(shè)計(jì)方法一般不考慮雜光分布的均勻性問(wèn)題，無(wú)法給出其均勻性指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種碳納米 管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決了基于碳納米高吸收率涂層遮光罩的設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以對(duì)多 種工況下的雜光抑制特性進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估，解決了目前設(shè)計(jì)方法中重雜光強(qiáng)度而忽略雜光分 布均勻性的問(wèn)題。
[0010] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括步驟如 下：
[0011]步驟一、根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳直徑、視場(chǎng)角、焦距和遮光罩抑制角，確定遮光 罩的長(zhǎng)度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無(wú)法直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部;遮光罩 的長(zhǎng)度L、直徑cU由下式確定：
[0014] 其中，d為光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑，ω為光學(xué)系統(tǒng)半視場(chǎng)角，ω :為遮光罩抑制角，Li 為遮光罩長(zhǎng)度方向中的預(yù)留尺寸，In為遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng)的遮光罩端口處的擋光環(huán)的高度和遮 光罩外壁厚度之和；
[0015] 步驟二、確定加權(quán)系數(shù)W1，W2的值;Wl+W2 = 1，W1 2 0，W2 2 0;
[0016] 步驟三、建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) · · ·，叫，· · .anj)，
[0017] 其中，為以第i個(gè)擋光環(huán)刃口位置為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置 后，第i個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數(shù);j = l，2,3,......,m，m為 正整數(shù);為像面照度，
，Ek 是將像面劃分為ρ個(gè)等大的網(wǎng) 格后第k個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數(shù);Eave(lj)為像面平均照度；
[0018] 步驟四、計(jì)算獲得TWij;
[0019] 如果TWij > ε，進(jìn)入步驟五，其中，ε為目標(biāo)值；
[0020] 如果TWiJ ε，獲得TWij對(duì)應(yīng)的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，％，…，aij，...anj，進(jìn)入 步驟七；
[0021] 步驟五、計(jì)算獲得第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置時(shí)，各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的 能量DJ2,. . .，Di，. . .，Dn，并對(duì)DJ2,. . .，Di，. . .，Dn進(jìn)行排序;各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng) 的能量Di=〇 X(BRDF)2XF12(0u，02i) ;
[0022] 其中，Φ為入射在各擋光環(huán)表面的入射輻射通量;BRDF為遮光罩內(nèi)部噴涂的涂層 的雙向散射分布函數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得;Fl2(9li, 02i)為光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑和各擋光環(huán)間 的輻射換熱角系數(shù)，θη為入射光瞳對(duì)第i個(gè)擋光環(huán)的立體角，θ2ι為第i個(gè)擋光環(huán)對(duì)入射光瞳 的立體角；
[0023]步驟六、對(duì). . .，Di，. . .，0"中最大值對(duì)應(yīng)的擋光環(huán)與光軸的夾角ay進(jìn)行調(diào) 整，αυ = α^+β」，β」為調(diào)整角；返回步驟三；
[0024] 步驟七、根據(jù)獲得的各擋光環(huán)與光軸的夾角€^，€(2」，...，aij，. . .anj最終值，獲得各 檔光環(huán)的位置。
[0025] 所述第i個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角(?滿足| (? | < 45°。
[0026] 所述調(diào)整角氏滿足|氏| < Γ。
[0027] 所述目標(biāo)值ε的范圍為0~10-5。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0029] (1)本發(fā)明以探測(cè)器像面雜光分布的平均照度和分布均勻性為平均指標(biāo)，解決了 目前設(shè)計(jì)方法中重雜光強(qiáng)度而忽略雜光分布均勻性的問(wèn)題;采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以對(duì)各工 況下碳納米管遮光罩的雜光抑制性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)解。
[0030] (2)本發(fā)明增加了基于探測(cè)器上雜光分布均勻性的雜光抑制能力評(píng)價(jià)判據(jù)SLNUu， 避免了傳統(tǒng)方法忽略雜光分布均勻性的影響而帶來(lái)的影響，產(chǎn)品像面平均照度和雜光分布 均勻性得到提升，可以提升星敏感器遮光罩的雜光抑制能力。
[0031] (3)本發(fā)明與傳統(tǒng)遮光罩設(shè)計(jì)方法相比能夠?qū)ψ罱K像面處的雜光分布和均勻性等 進(jìn)行在線分析，提高了分析效率;提高了遮光罩設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)自由度，適用于對(duì)雜光入射方位 有要求的碳納米管涂層的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)自由度較低、抑制性能無(wú)法更改的問(wèn)題，為 提高遮光罩抑制性能提供了可能。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明測(cè)試用光學(xué)系統(tǒng)總體布局示意圖。
[0033] 圖2為使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的遮光罩設(shè)計(jì)圖。
[0034]圖3為改進(jìn)設(shè)計(jì)的遮光罩設(shè)計(jì)圖。
[0035]圖4為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如圖4所示，一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括步驟如下：
[0037]步驟一、如圖2所示，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)2(如圖1所示）的入瞳直徑、視場(chǎng)角、焦距和遮光 罩抑制角，確定遮光罩1的長(zhǎng)度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無(wú)法直接進(jìn)入 光學(xué)系統(tǒng)2內(nèi)部;遮光罩1的長(zhǎng)度L、直徑cU可以由下式確定：
[0040]其中，d為光學(xué)系統(tǒng)2入射光瞳直徑，ω為光學(xué)系統(tǒng)2半視場(chǎng)角，ω :為遮光罩抑制 角，1^為遮光罩1工程設(shè)計(jì)長(zhǎng)度方向中的預(yù)留尺寸，hi為遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng)(2)的遮光罩（1)端口 處的擋光環(huán)的高度和遮光罩(1)外壁厚度之和；
[0041 ] 步驟二、確定加權(quán)系數(shù)W1，W2的值;Wl+W2 = 1，W1 2 0，W2之0;
[0042] 步驟三、建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) JWifWiEij+wALNUiffXaij，％，· · ·，aij，· · .anj)，
[0043] 其中，為以第i個(gè)擋光環(huán)刃口位置為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置 后，第i個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數(shù);j = l，2,3,......,m，m為 正整數(shù);為像面照度
，Ek是將像面(3)劃分為ρ個(gè)等大 的網(wǎng)格后第k個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數(shù);Eave⑴)為像面(3)平均照 度；
[0044]步驟四、計(jì)算獲得TWij;
[0045]如果TWij>e，進(jìn)入步驟五，其中，ε為目標(biāo)值；目標(biāo)值ε的范圍為0~10-5。
[0046]如果TWiJ ε，獲得TWij對(duì)應(yīng)的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，％，…，aij，..·αη」，進(jìn)入 步驟七；
[0047]步驟五、計(jì)算獲得第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置時(shí)，各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)2的 能量DJ2,. . .，Di，. . .，Dn，并對(duì)DJ2,. . .，Di，. . .，Dn進(jìn)行排序;各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng) 2的能量Di=〇 X(BRDF)2XF12(0u，02i) ;
[0048]其中，Φ為入射在各擋光環(huán)表面的入射輻射通量;BRDF為遮光罩（1)內(nèi)部噴涂的涂 層的雙向散射分布函數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得;Fi2(9ii, 02i)為光學(xué)系統(tǒng)(2)入射光瞳直徑和各擋光 環(huán)間的輻射換熱角系數(shù)，θη為入射光瞳對(duì)第i個(gè)擋光環(huán)的立體角，θ2ι為第i個(gè)擋光環(huán)對(duì)入射 光瞳的立體角；
[0049]步驟六、對(duì). . .，Di，. . .，0"中最大值對(duì)應(yīng)的擋光環(huán)與光軸的夾角進(jìn)行調(diào) 整，αυ = αυ+β」，|β」| < 1° ;返回步驟三；
[0050] 步驟七、根據(jù)獲得的各擋光環(huán)與光軸的夾角αυ，€^，. . .，aij，. . .(?的最終值，調(diào)整 各擋光環(huán)與光軸的夾角，獲得遮光罩1，如圖3所示。
[0051] 第i個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角叫滿足|叫| < 45°。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟如下： 步驟一、根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)(2)的入射光瞳直徑、視場(chǎng)角、焦距和遮光罩抑制角，確定遮光罩 (1)的長(zhǎng)度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無(wú)法直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)(2)內(nèi)部;遮 光罩(1)的長(zhǎng)度L、直徑cU由下式確定：其中，d為光學(xué)系統(tǒng)(2)入射光瞳直徑，ω為光學(xué)系統(tǒng)(2)半視場(chǎng)角，ω :為遮光罩抑制角， 1^為遮光罩(1)長(zhǎng)度方向中的預(yù)留尺寸，hi為遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng)(2)的遮光罩(1)端口處的擋光環(huán) 的高度和遮光罩(1)外壁厚度之和； 步驟二、確定加權(quán)系數(shù)W1，W2的值;Wl+W2=l，W1 2 0，W2之0; 步驟三、建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)JWifWiEij+wALNUiffXaij，^，…，aij，…a nj)， 其中，為以第i個(gè)擋光環(huán)刃口位置為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置后，第 i個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數(shù)；j = l，2,3,......，m，m為正整 數(shù);為像面照度，Ek是將像面(3)劃分為ρ個(gè)等大的網(wǎng) 格后第k個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數(shù);Eave(lj)為像面(3)平均照度； 步驟四、計(jì)算獲得TWij; 如果TWij>e，進(jìn)入步驟五，其中，ε為目標(biāo)值； 如果TU ε，獲得TWij對(duì)應(yīng)的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，€(2」，· · ·，aij，…anj，進(jìn)入步驟 七； 步驟五、計(jì)算獲得第i個(gè)擋光環(huán)到達(dá)第j個(gè)位置時(shí)，各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)(2)的能 量Di，D2，···，Di,. . .，Dn，并對(duì)Di，D2,…，Di, . . .，Dn進(jìn)行排序;各擋光環(huán)散射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)(2) 的能量Di=〇 X(BRDF)2XF12(0u，02i) ; 其中，Φ為入射在各擋光環(huán)表面的入射輻射通量;BRDF為遮光罩（1)內(nèi)部噴涂的涂層的 雙向散射分布函數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得;Fi2(9ii，02i)為光學(xué)系統(tǒng)(2)入射光瞳直徑和各擋光環(huán)間 的輻射換熱角系數(shù)，θη為入射光瞳對(duì)第i個(gè)擋光環(huán)的立體角，θ 2ι為第i個(gè)擋光環(huán)對(duì)入射光瞳 的立體角； 步驟六^扣^:^…^"…川沖最大值對(duì)應(yīng)的擋光環(huán)與光軸的夾角叫進(jìn)行調(diào)整…"二 aij+0j，0j為調(diào)整角；返回步驟三； 步驟七、根據(jù)獲得的各擋光環(huán)與光軸的夾角αυ，α^，. . .，aij，…anj最終值，獲得各檔光 環(huán)的位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述第i 個(gè)擋光環(huán)與光軸的夾角〇ij滿足| aij | < 45°。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述 調(diào)整角氏滿足|的| <1°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述
【文檔編號(hào)】G03B11/00GK105866945SQ201610207443
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】梁士通, 郝云彩, 余成武, 梅志武, 張運(yùn)方, 劉婧, 陳建峰
【申請(qǐng)人】北京控制工程研究所