專利名稱：：Aps太陽敏感器可識別多孔掩膜板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于光學(xué)成像姿態(tài)敏感器領(lǐng)域，尤其適用于太陽敏感器的可識別多孔掩膜板。
背景技術(shù)：
：隨著成像探測器件以及處理器技術(shù)的快速進(jìn)步，航天器用太陽敏感器逐漸由編碼式、模擬式向成像式發(fā)展，APS太陽敏感器就是一種有別于傳統(tǒng)編碼式太陽敏感器的大視場、高精度成像式太陽敏感器。可識別性多孔掩膜板是APS成像式太陽敏感器光線引入器，其主要功能是將太陽成像于光敏器件的表面。月球巡視器在著陸階段及在月面運動過程中，月塵對光學(xué)敏感器的正常工作構(gòu)成極大威脅，可識別性多孔掩膜板通過在掩膜板上不同區(qū)域的標(biāo)識孔位，將掩膜板分成若干特定區(qū)域，使APS成像式太陽敏感器具備受到月塵等污染的狀態(tài)下仍能快速識別成像孔區(qū)域及識別被堵小孔，在后續(xù)的算法中將被堵住的數(shù)據(jù)通過周圍小孔的相關(guān)坐標(biāo)獲得，剔除被堵小孔點的數(shù)據(jù)從而保持敏感器的高精度和可靠性。利用光線引入器特征獨立的孔陣識別塵埃對光學(xué)成像式太陽敏感器的影響并消除這種影響保持敏感器的高精度和可靠性，對控制系統(tǒng)實現(xiàn)高定姿精度具有重要價值。APS成像式太陽敏感器本身是一項全新的成像式姿態(tài)敏感器，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，美國、歐洲都在利用APS圖像敏感器研制太陽敏感器，但光線引入器的掩膜板所采用多孔陣列均不具備識別功能。專利申請?zhí)枮?00610103797.3、200710100150.X。高精度APS太陽敏感器、太陽敏感器的復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法當(dāng)中介紹了一種3X3等間距陣列膜板，陣列中小孔被污染的判定通過依次讀取所有像元坐標(biāo)，兩兩減法運算，并累計讀取光斑個數(shù)與陣列孔數(shù)比較進(jìn)行識別，識別過程復(fù)雜，不適于工程應(yīng)用。C.C丄iebe，S.Mobasser:MEMSbesedS皿Sensor.AerospaceConference，2001，IEEEProceedings,Volame:3，2001，Page(s):1565-1572。文獻(xiàn)中所描述的基于MEMS技術(shù)的APS太陽敏感器的掩模板為等間距多孔陣列，當(dāng)成像小孔被污染時，識別過程復(fù)雜，同樣不適于工程應(yīng)用?！豆鈱W(xué)技術(shù)》2006年3月第32巻第2期，"小孔陣列式太陽敏感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計"一文中涉及的可識別掩膜板成像小孔同樣為等間距多孔陣列，僅是理論上的研究成果，當(dāng)成像小孔被污染時，識別過程復(fù)雜，同樣不適于工程應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，該掩膜板能夠解決成像小孔在月塵環(huán)境下，成像小孔被堵住時的快速識別問題，適于工程應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，其特征在于所述的掩膜板包括玻璃基板及鍍膜層，玻璃基板下表面鍍膜，玻璃基板鍍膜面上光刻至少3個成像小孔，任意兩個成像小孔之間X方向距離、y方向距離中至少一個方向距離差異不小于20個像素，成像小孔方形區(qū)域邊界邊長不超過d單位mm，d=L-2htana;其中，L為APS太陽敏感器中的圖像傳感器有效像平面邊長；h為掩膜板到所述的圖像傳感器像平面的距離；a為APS太陽敏感器的視場角。所述的成像小孔在X方向每行只有一個。所述的成像小孔孔徑滿足孔徑線性方向覆蓋3至5個像元，并且所成圖像僅有一個會聚亮斑。所述鍍膜的膜層結(jié)構(gòu)為層疊式結(jié)構(gòu)，鍍膜膜層為低反射率鉻膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本發(fā)明利用區(qū)域獨立孔陣(即成像小孔采用不均勻分布的方式，任意兩個成像小孔之間距離的特征是獨立的)對受污染成像孔進(jìn)行快速識別問題，使得衛(wèi)星上的APS成像式太陽敏感器在月球著陸及在月面運動過程中處于月塵環(huán)境時仍能有效工作并保持高的精度，不僅具備重要的科學(xué)價值，更重要的是有效地解決了CE-3月球巡視器APS太陽敏感器抗月塵問題。(2)根據(jù)圖像傳感器的圖像是逐行訪問的特點，本發(fā)明成像小孔的孔陣每行可以只排布一個，這樣保證在像平面掃描的任意時刻，掃描的成像小孔是唯一的，便于快速識別；并且能夠減小硬件資源，降低功耗、提高了APS太陽敏感器的數(shù)據(jù)更新率。(3)本發(fā)明只在掩膜板的下表面鍍膜，在工程應(yīng)用中能夠?qū)δ悠鸬椒雷o(hù)作用，并且低反射率全遮光鉻膜層與低反射率衰減鉻膜層都采用同種材料，該膜層結(jié)構(gòu)工藝融合性好，空間環(huán)境適應(yīng)性好。(4)本發(fā)明選用鉻為膜層材料，使其與玻璃基板有良好的附著力及優(yōu)良的光刻性能。采用濺射鍍膜技術(shù)所鍍制的低反射率鉻膜，降低了膜層表面因反射率高而使二次反射光到像面上所引起誤差，從而提高了產(chǎn)品的測量精度。(5)本發(fā)明孔徑要求滿足線性方向覆蓋3至5個像元，在這個范圍內(nèi)選擇的孔徑應(yīng)用傳統(tǒng)的矩陣算法獲得質(zhì)心坐標(biāo)的誤差最小，提高了太陽敏感器的測量精度。圖1為本發(fā)明掩膜板示意圖；圖2為本發(fā)明掩膜板鍍層側(cè)面示意圖。具體實施方式實施例1本發(fā)明解決了月球探測器著陸及在月面運行階段，由于月塵環(huán)境，APS成像式太陽敏感器可識別多孔掩膜板成像孔陣中有成像孔被堵住時的識別問題。實現(xiàn)了月塵環(huán)境下，敏感器受到月塵污染時能夠快速準(zhǔn)確識別并通過后續(xù)算法剔除被污染的點，達(dá)到在敏感器受到月塵污染狀態(tài)下保持高精度及高可靠性。具體分為三個方面的內(nèi)容a.可識別多孔掩膜板成像孔陣方案的確定b.可識別多孔掩膜板最佳孔徑的確定c.層疊式結(jié)構(gòu)低反射率鉻膜鍍制下面根據(jù)具體情況詳細(xì)介紹本發(fā)明可識別多孔掩膜板的制作過程。a.可識別多孔掩膜板孔陣方案的確定—種APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，該掩膜板為方形如圖1所示，根據(jù)實際情況可以采用圓形或其他形狀。依據(jù)敏感器總體方案，成像小孔的數(shù)目多可以降低系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，提高系統(tǒng)的精度，提高系統(tǒng)的可靠性，但是增加小孔的數(shù)目會大大增加系統(tǒng)資源的消耗，需要更加復(fù)雜的算法，隨之也會加大敏感器的功耗，降低敏感器的數(shù)據(jù)更新率。根據(jù)實際工程上APS太陽敏感器后端僅用單片F(xiàn)PGA處理，硬件資源有限，為實現(xiàn)0.5W低功耗及高數(shù)據(jù)更新率要求10Hz)，綜合考慮月塵環(huán)境下部件的可靠性及高精度，掩膜板選擇7個成像小孔，7個小孔的確定原則按表1排列，任意兩個小孔之間x方向距離、y方向距離為20個像素，像素尺寸為15iimX15iim;成像小孔方形區(qū)域邊界邊長3.3mm。7個小孔的排列采用不均勻分布的方式，任意兩個小孔之間距離的特征是獨立的，可以保證在7個小孔中被堵住5個情況的下，敏感器依然能夠保證功能正常及高精度。另外，根據(jù)圖像傳感器的圖像是逐行訪問的，設(shè)計保證太陽通過7個小孔在圖像傳感器上的7個像斑區(qū)域相對獨立，使之不會出現(xiàn)兩個小孔的圖像出現(xiàn)的同一行上。按表1排列編制模板圖，按模板圖制作母板，各個成像小孔的位置關(guān)系見下表(單位mm):表1成像小孔的位置關(guān)系(x，y)1234567l0.6,01.2,2.851.65,0.92.25.1.652.85,03.3,3.320.6,2.851.05,0.91.65,1.652.25,02.7,3.330.45,1.951.05,1.21.65,2.852.l，O.4540.6,0.751.2,0.91.65,2.450.6,1.651.05,1.656045,3.37b.可識別多孔掩膜板最佳孔徑的確定成像小孔孔徑滿足孔徑線性方向覆蓋3至5個像元，并且所成圖像僅有一個會聚亮斑，以保證圖像識別時每個小孔對應(yīng)一個成像光斑質(zhì)心。當(dāng)h=2800iim和a=0°(h為掩膜板到圖像傳感器像平面的距離；a為APS太陽敏感器的視場角)時，采用小孔尺寸分別為30X30iim2、40X40iim2、50X50iim2、60X60iim2、70X70iim2及80X80iim2的掩膜5板設(shè)置一組試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)小孔尺寸為70X70m2或80X80m2時，成像圖像所呈現(xiàn)出衍射現(xiàn)象使亮斑出現(xiàn)較嚴(yán)重的重影；而當(dāng)小孔尺寸為30X30iim2、40X40iim2時，亮斑孔徑線性方向覆蓋低于3個像素，質(zhì)心估算誤差大。小孔尺寸為60X60m2時，成像亮斑孔徑線性方向覆蓋5個像素左右；小孔尺寸為50X50ym2時，成像亮斑孔徑線性方向覆蓋4個像素，滿足本發(fā)明對成像小孔孔徑的要求。最終取上述成像小孔孔徑范圍的中間值對應(yīng)的小孔尺寸50X50ym2為本發(fā)明掩膜板的小孔尺寸，該尺寸符合質(zhì)量矩法計算質(zhì)心的要求。c.為降低成像重影對計算質(zhì)心坐標(biāo)(圓斑中心)造成的影響，膜層要求為低反射率，低反射率在本領(lǐng)域中按照國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)最低為20%。按照工程要求制作玻璃基板11，30X30X3mm，并在玻璃基板11下表面鍍膜，鍍膜后各膜層示意圖如圖2所示，鍍膜過程如下1)在清洗干凈的玻璃基板ll下表面真空濺射低反射率鉻膜12，膜層厚度為0.5ii，透過率T=0;2)用濕法腐蝕法按表1的數(shù)據(jù)光刻出光孔，50X50iim2;3)鍍制Si02保護(hù)膜13，膜層厚度為0.2ii;4)鍍制衰減膜14，透過率T為0.2%—般在T=400nm-1100nm。在鍍制過程，選擇一片經(jīng)過上述1)_3)處理過的同樣基板作為監(jiān)測樣片，對監(jiān)測樣片和實際鍍制的基板一起鍍制衰減膜，通過監(jiān)測樣片的透過率，當(dāng)樣片的透過率達(dá)到要求的0.2%時，認(rèn)為衰減膜鍍制完成，性能滿足要求。5)鍍制Si02保護(hù)膜15，膜層厚度為0.2ii。將按照上述步驟制作出的7孔掩膜板安裝在圖像傳感器上裝配成裝機(jī)，把孔2、孔3、孔4、孔5、孔7堵住，由于任意兩個成像小孔之間的距離特征是獨立的，所以APS太陽敏感器可以根據(jù)未堵住兩孔的孔距，識別出孔1及孔6，并且采用此掩膜板的APS太陽敏感器所獲得的測量精度滿足要求。實施例2當(dāng)小孔孔數(shù)為5個，任意兩個小孔之間X方向距離、y方向距離為30個像素，成像小孔方形區(qū)域邊界邊長4.05mm。各個小孔之間的位置關(guān)系如表2所示表2成像小孔之間的位置關(guān)系(<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>6制版過程同實施例1，同樣通過將該掩膜板安裝在圖像傳感器上裝配成機(jī)進(jìn)行測試，同樣測得APS太陽敏感器獲得的測量精度滿足要求。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。權(quán)利要求APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，其特征在于所述的掩膜板包括玻璃基板及鍍膜層，玻璃基板下表面鍍膜，玻璃基板鍍膜面上光刻至少3個成像小孔，任意兩個成像小孔之間x方向距離、y方向距離中至少一個方向距離差異不小于20個像素，成像小孔方形區(qū)域邊界邊長不超過d單位mm，d＝L-2htanα；其中，L為APS太陽敏感器中的圖像傳感器有效像平面邊長；h為掩膜板到所述的圖像傳感器像平面的距離；α為APS太陽敏感器的視場角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，其特征在于所述的成像小孔在x方向每行只有一個。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，其特征在于所述的成像小孔孔徑滿足孔徑線性方向覆蓋3至5個像元，并且所成圖像僅有一個會聚亮斑。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，其特征在于所述鍍膜的膜層結(jié)構(gòu)為層疊式結(jié)構(gòu)，鍍膜膜層為低反射率鉻膜。全文摘要APS太陽敏感器可識別多孔掩膜板，所述的掩膜板包括玻璃基板及鍍膜層，玻璃基板下表面鍍膜，玻璃基板鍍膜面上光刻至少3個成像小孔，任意兩個成像小孔之間x方向距離、y方向距離中至少一個方向距離差異不小于20個像素，成像小孔方形區(qū)域邊界邊長不超過d單位mm，d＝L-2htanα；其中，L為APS太陽敏感器中的圖像傳感器有效像平面邊長；h為掩膜板到所述的圖像傳感器像平面的距離；α為APS太陽敏感器的視場角。本發(fā)明采用多孔陣中孔間特征獨立，可快速識別被污染小孔，保證產(chǎn)品具有高的數(shù)據(jù)更新率，適于工程應(yīng)用。文檔編號G01C21/02GK101726994SQ200910237338公開日2010年6月9日申請日期2009年11月10日優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日發(fā)明者余成武,劉江,崔堅,張建福,王立,莫亞男申請人:北京控制工程研究所