一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法
【專利摘要】一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，包括步驟如下：一、確定遮光罩(1)的長度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置；二、確定加權系數w1，w2的值；三、建立優(yōu)化目標函數TWij；四、計算獲得TWij；如果TWij>ε，ε為目標值，進入步驟五；如果TWij≤ε，獲得TWij對應的α1j,α2j,...,αij,...αnj，進入步驟七；五、計算各擋光環(huán)散射光能量進入光學系統(2)的能量D1,D2,...,Dn并排序；六、對D1,D2,...,Dn中最大值對應的擋光環(huán)與光軸的夾角αij進行調整，返回步驟三；七、根據獲得的各擋光環(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計問題，解決了目前設計方法中重雜光強度而忽略雜光分布均勻性的問題。
【專利說明】
一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種遮光罩的優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002] 星敏感器以恒星為測量目標，通過光學系統將恒星成像于光電轉換器上，輸出信 號經過A/D轉換送數據處理單元，經星點提取和星圖識別，確定星敏感器光軸矢量在慣性坐 標系下的指向，通過星敏感器在飛行器、星光導航系統及艦船的上的安裝矩陣，確定其在慣 性坐標系下的三軸姿態(tài)。星敏感器一般由遮光罩、光學系統、探測器組件及其電路、數據處 理電路、二次電源、軟件(系統軟件、應用軟件及星表）、主體結構和基準鏡等組成。
[0003] 隨著星敏感器精度的不斷提高，星敏感器探測的星光越來越弱。但星敏感器在軌 工作過程所受到太陽、地球等多種強雜光光源的干擾，制約了星敏感器信噪比的進一步提 高。通過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 是對于觀測星等更弱的甚高精度星敏感器等產品，必須對星敏感器工作過程中所受的強光 源進彳丁抑制。
[0004]碳納米管超黑涂層具有極尚的吸收率，可以達到99.9%以上，可以有效提尚光學 敏感器的雜光抑制能力。碳納米管超黑涂層已經逐步在星敏感器遮光罩組件上得到應用。 根據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具有很高的吸收 率;但在略入射或大角度入射時，碳納米管涂層反射率增大，吸收率相對降低。因此需對碳 納米管涂層在遮光罩內部的實施區(qū)域進行優(yōu)化設計，滿足不同入射角度下的雜光抑制性 能。同時遮光罩內部擋光環(huán)的位置和形狀等參數也需進行優(yōu)化設計。通過對碳納米管涂層 遮光罩的優(yōu)化設計，可以進一步提升產品雜光抑制能力，發(fā)揮碳納米管的高吸收率特性。
[0005] 目前的遮光罩設計方法主要存在以下問題：
[0006] (1)采用傳統遮光罩設計方法的遮光罩結構形式固定，無法對不同雜光入射時的 性能進行更改，設計自由度較低，不適用于對雜光入射方位有要求的碳納米管涂層的設計。
[0007] (2)采用傳統遮光罩設計方法無法對最終像面處的雜光分布和均勻性等進行在線 分析，分析效率較低；
[0008] (3)雜光圖像分布的均勻性對星敏感器的星圖識別有重要影響，采用傳統遮光罩 設計方法一般不考慮雜光分布的均勻性問題，無法給出其均勻性指標。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種碳納米 管遮光罩的優(yōu)化設計方法，解決了基于碳納米高吸收率涂層遮光罩的設計問題，可以對多 種工況下的雜光抑制特性進行優(yōu)化評估，解決了目前設計方法中重雜光強度而忽略雜光分 布均勻性的問題。
[0010] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，包括步驟如 下：
[0011]步驟一、根據光學系統的入射光瞳直徑、視場角、焦距和遮光罩抑制角，確定遮光 罩的長度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無法直接進入光學系統內部;遮光罩 的長度L、直徑cU由下式確定：
[0014] 其中，d為光學系統入射光瞳直徑，ω為光學系統半視場角，ω :為遮光罩抑制角，Li 為遮光罩長度方向中的預留尺寸，In為遠離光學系統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、確定加權系數W1，W2的值;Wl+W2 = 1，W1 2 0，W2 2 0;
[0016] 步驟三、建立優(yōu)化目標函數 · · ·，叫，· · .anj)，
[0017] 其中，為以第i個擋光環(huán)刃口位置為旋轉中心旋轉第i個擋光環(huán)到達第j個位置 后，第i個擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數;j = l，2,3,......,m，m為 正整數;為像面照度，
，Ek 是將像面劃分為ρ個等大的網 格后第k個網格內的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數;Eave(lj)為像面平均照度；
[0018] 步驟四、計算獲得TWij;
[0019] 如果TWij > ε，進入步驟五，其中，ε為目標值；
[0020] 如果TWiJ ε，獲得TWij對應的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，％，…，aij，...anj，進入 步驟七；
[0021] 步驟五、計算獲得第i個擋光環(huán)到達第j個位置時，各擋光環(huán)散射進入光學系統的 能量DJ2,. . .，Di，. . .，Dn，并對DJ2,. . .，Di，. . .，Dn進行排序;各擋光環(huán)散射進入光學系統 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為遮光罩內部噴涂的涂層 的雙向散射分布函數，通過測量獲得;Fl2(9li, 02i)為光學系統入射光瞳直徑和各擋光環(huán)間 的輻射換熱角系數，θη為入射光瞳對第i個擋光環(huán)的立體角，θ2ι為第i個擋光環(huán)對入射光瞳 的立體角；
[0023]步驟六、對. . .，Di，. . .，0"中最大值對應的擋光環(huán)與光軸的夾角ay進行調 整，αυ = α^+β」，β」為調整角；返回步驟三；
[0024] 步驟七、根據獲得的各擋光環(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個擋光環(huán)與光軸的夾角(?滿足| (? | < 45°。
[0026] 所述調整角氏滿足|氏| < Γ。
[0027] 所述目標值ε的范圍為0~10-5。
[0028] 本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是：
[0029] (1)本發(fā)明以探測器像面雜光分布的平均照度和分布均勻性為平均指標，解決了 目前設計方法中重雜光強度而忽略雜光分布均勻性的問題;采用優(yōu)化設計方法可以對各工 況下碳納米管遮光罩的雜光抑制性能進行綜合評價，得到最優(yōu)解。
[0030] (2)本發(fā)明增加了基于探測器上雜光分布均勻性的雜光抑制能力評價判據SLNUu， 避免了傳統方法忽略雜光分布均勻性的影響而帶來的影響，產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)明與傳統遮光罩設計方法相比能夠對最終像面處的雜光分布和均勻性等 進行在線分析，提高了分析效率;提高了遮光罩設計的設計自由度，適用于對雜光入射方位 有要求的碳納米管涂層的設計，解決了現有技術自由度較低、抑制性能無法更改的問題，為 提高遮光罩抑制性能提供了可能。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明測試用光學系統總體布局示意圖。
[0033] 圖2為使用傳統設計方法設計的遮光罩設計圖。
[0034]圖3為改進設計的遮光罩設計圖。
[0035]圖4為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0036]如圖4所示，一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，包括步驟如下：
[0037]步驟一、如圖2所示，根據光學系統2(如圖1所示）的入瞳直徑、視場角、焦距和遮光 罩抑制角，確定遮光罩1的長度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無法直接進入 光學系統2內部;遮光罩1的長度L、直徑cU可以由下式確定：
[0040]其中，d為光學系統2入射光瞳直徑，ω為光學系統2半視場角，ω :為遮光罩抑制 角，1^為遮光罩1工程設計長度方向中的預留尺寸，hi為遠離光學系統(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、確定加權系數W1，W2的值;Wl+W2 = 1，W1 2 0，W2之0;
[0042] 步驟三、建立優(yōu)化目標函數 JWifWiEij+wALNUiffXaij，％，· · ·，aij，· · .anj)，
[0043] 其中，為以第i個擋光環(huán)刃口位置為旋轉中心旋轉第i個擋光環(huán)到達第j個位置 后，第i個擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數;j = l，2,3,......,m，m為 正整數;為像面照度
，Ek是將像面(3)劃分為ρ個等大 的網格后第k個網格內的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數;Eave⑴)為像面(3)平均照 度；
[0044]步驟四、計算獲得TWij;
[0045]如果TWij>e，進入步驟五，其中，ε為目標值；目標值ε的范圍為0~10-5。
[0046]如果TWiJ ε，獲得TWij對應的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，％，…，aij，..·αη」，進入 步驟七；
[0047]步驟五、計算獲得第i個擋光環(huán)到達第j個位置時，各擋光環(huán)散射進入光學系統2的 能量DJ2,. . .，Di，. . .，Dn，并對DJ2,. . .，Di，. . .，Dn進行排序;各擋光環(huán)散射進入光學系統 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)內部噴涂的涂 層的雙向散射分布函數，通過測量獲得;Fi2(9ii, 02i)為光學系統(2)入射光瞳直徑和各擋光 環(huán)間的輻射換熱角系數，θη為入射光瞳對第i個擋光環(huán)的立體角，θ2ι為第i個擋光環(huán)對入射 光瞳的立體角；
[0049]步驟六、對. . .，Di，. . .，0"中最大值對應的擋光環(huán)與光軸的夾角進行調 整，αυ = αυ+β」，|β」| < 1° ;返回步驟三；
[0050] 步驟七、根據獲得的各擋光環(huán)與光軸的夾角αυ，€^，. . .，aij，. . .(?的最終值，調整 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個擋光環(huán)與光軸的夾角叫滿足|叫| < 45°。
【主權項】
1. 一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括步驟如下： 步驟一、根據光學系統(2)的入射光瞳直徑、視場角、焦距和遮光罩抑制角，確定遮光罩 (1)的長度、直徑和各擋光環(huán)的刃口位置，使一次散射光無法直接進入光學系統(2)內部;遮 光罩(1)的長度L、直徑cU由下式確定：其中，d為光學系統(2)入射光瞳直徑，ω為光學系統(2)半視場角，ω :為遮光罩抑制角， 1^為遮光罩(1)長度方向中的預留尺寸，hi為遠離光學系統(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、確定加權系數W1，W2的值;Wl+W2=l，W1 2 0，W2之0; 步驟三、建立優(yōu)化目標函數JWifWiEij+wALNUiffXaij，^，…，aij，…a nj)， 其中，為以第i個擋光環(huán)刃口位置為旋轉中心旋轉第i個擋光環(huán)到達第j個位置后，第 i個擋光環(huán)與光軸的夾角；i = l，2,3,......，n，n為正整數；j = l，2,3,......，m，m為正整 數;為像面照度，Ek是將像面(3)劃分為ρ個等大的網 格后第k個網格內的照度，k=l，2,3,......，p，p為正整數;Eave(lj)為像面(3)平均照度； 步驟四、計算獲得TWij; 如果TWij>e，進入步驟五，其中，ε為目標值； 如果TU ε，獲得TWij對應的各擋光環(huán)與光軸的夾角叫，€(2」，· · ·，aij，…anj，進入步驟 七； 步驟五、計算獲得第i個擋光環(huán)到達第j個位置時，各擋光環(huán)散射進入光學系統(2)的能 量Di，D2，···，Di,. . .，Dn，并對Di，D2,…，Di, . . .，Dn進行排序;各擋光環(huán)散射進入光學系統(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)內部噴涂的涂層的 雙向散射分布函數，通過測量獲得;Fi2(9ii，02i)為光學系統(2)入射光瞳直徑和各擋光環(huán)間 的輻射換熱角系數，θη為入射光瞳對第i個擋光環(huán)的立體角，θ 2ι為第i個擋光環(huán)對入射光瞳 的立體角； 步驟六^扣^:^…^"…川沖最大值對應的擋光環(huán)與光軸的夾角叫進行調整…"二 aij+0j，0j為調整角；返回步驟三； 步驟七、根據獲得的各擋光環(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. 根據權利要求1所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述第i 個擋光環(huán)與光軸的夾角〇ij滿足| aij | < 45°。3. 根據權利要求1或2所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述 調整角氏滿足|的| <1°。4. 根據權利要求1或2所述的一種碳納米管遮光罩的優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述
【文檔編號】G03B11/00GK105866945SQ201610207443
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】梁士通, 郝云彩, 余成武, 梅志武, 張運方, 劉婧, 陳建峰
【申請人】北京控制工程研究所