ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для определения углового отклонения осей летательного аппарата от направления на Солнце в приборах ориентации и автономной навигации космических аппаратов.
Известен солнечный датчик, содержащий непрозрачную диафрагму с круглыми отверстиями, которые сопряжены посредством световолоконных элементов с чувствительными элементами приемника излучения, за которым расположена линейка фоточувствительных элементов с зарядовой связью. Такой датчик может иметь либо хорошую точность и малое поле зрения, либо сравнительно большое поле зрения, но низкую точность. (Заявка Франции №2116830, Кл. G01С 21/00, 1975 /1/.
С целью увеличения угла поля зрения датчика на шаровой поверхности диафрагмы выполнено несколько сотен отверстий, расположенных квазиравномерно. (SU 1779932, MПK 5, G01C 21/24, 07.12.92) /2/.
Световые волокна проходят внутри полой сферы, затем через полую ножку попадают в основание, где они оптически сочленяются прозрачным клеем с элементами ПЗС-линейки в определенном порядке, которая соединена с электронным устройством. Свет от Солнца попадает в часть отверстий, расположенных на освещенной полусфере. Координаты той точки шаровой поверхности, где освещенность пропорциональная косинусу угла падения лучей, достигает максимума являются сферическими координатами Солнца в системе координат, связанной с датчиком. Другая часть света, не попавшая на световолокно, равномерно поглощается на параболической поверхности, затем зеркально отраженная компонента света преобразуется параболической поверхностью в параллельный пучок и выходит наружу. Это позволяет уменьшить до предельно допустимой величины освещенность ПЗС-линейки и устранить термические деформации датчика, снижающие его точность.
Увеличение поля зрения солнечного датчика достигается за счет того, что приемником солнечного излучения служит не одно отверстие, а множество отверстий, расположенных квазиравномерно на шаровой поверхности. Из-за сложности выполнения известное устройство не нашло практического применения.
В настоящее время в приборе ориентации по Солнцу, который является статическим двухкоординатным прибором, использующим линейный фотоприемник с количеством пикселов равным 1024, использован моноблочный солнечный датчик 338КМ1, позволяющий измерять угловое положение Солнца в диапазоне 2π стерадиан. (Каталог фирмы ООО НПП «Геофизика - Космос») /3/. Однако конструктивное выполнение солнечного датчика не опубликовано.
Наиболее близким по назначению и выполнению к заявляемому техническому решению является оптическая система фотоэлектрического датчика угла (SU 35861, G01С 21/24, G01S 3/78, 03.11.1972) /5/, принимаемая за прототип.
Известная оптическая система солнечного датчика содержит расположенные на оптической оси диафрагму, входные прямоугольные окна модулятора, две модулирующие кодовые маски, укрепленные на двух разных ножках камертона, смещенных относительно друг друга в направлениях оптической оси линзы и фотоприемника так, что непрозрачные полосы одной из масок на первой ее половине переходят в прозрачные полосы на другой, причем полосы нанесены перпендикулярно направлению качания масок. Общий поток света, собираемый на один общий светоприемник, не изменяется. При наличии рассогласования амплитуда одного потока возрастает, а другого уменьшается и возникает сигнал с частотой колебаний ножек камертона.
Для повышения надежности работы системы ориентации необходимо исключение подвижных элементов в конструкции солнечного датчика с одновременным повышением точности измерения углов направления на Солнце.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является исключение подвижных элементов в конструкции солнечного датчика за счет выполнения оптической системы в виде монолитного блока и повышение точности измерения углов направления на Солнце за счет уменьшения интенсивности ложного (помехового) изображения на фоточувствительной матрице в диапазоне ее максимальной спектральной чувствительности в видимом диапазоне длин волн 600-750 нм.
Указанный технический результат достигается тем, что оптическая система солнечного датчика содержит расположенные на оптической оси кодирующую маску с входными окнами прямоугольной формы и фоточувствительную матрицу, имеющую входное защитное окно.
Согласно полезной модели на рабочей поверхности фоточувствительной матрицы расположены оптический фильтр и стеклянная подложка, на внешнюю поверхность которого нанесен просветляющий четвертьволновой слой кремния, на который нанесен непрозрачный слой хрома, в котором выполнены методом фотолитографии входные прямоугольные окна кодовой маски, а стеклянная подложка и оптический фильтр зафиксированы в пазу цилиндрического корпуса.
Уменьшение интенсивности ложного изображения на фоточувствительной матрице достигается за счет уменьшения коэффициента отражения видимого излучения от поверхности прозрачной кодовой маски.
В частном случае выполнения оптической системы солнечного датчика:
- просветляющий четвертьволновой слой кремния нанесен на поверхность стеклянной подложки вакуумным напылением;
- непрозрачный слой хрома нанесен на просветляющий четвертьволновой слой кремния вакуумным напылением;
- четвертьволновой просветляющий слой кремния имеет толщину 30 нм;
- непрозрачный слой хрома имеет толщину не менее 20 нм;
- между защитным окном фоточувствительной матрицы и оптическим фильтром по краям их прилегающих поверхностей размещена кольцевая прокладка, выполненная из бронзовой фольги;
- между оптическим фильтром и стеклянной подложкой по краям их прилегающих поверхностей размещена кольцевая прокладка, выполненная из бронзовой фольги.
- оптический фильтр имеет диапазон пропускания в видимом диапазоне длин волн 600-750 нм.
Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей.
На фиг.1 приведен чертеж оптической системы солнечного датчика, поперечное сечение.
На фиг.2 показан ход лучей в оптической системе солнечного датчика с четвертьволновым просветляющим слоем кремния на стеклянной подложке, согласно заявляемой полезной модели.
На фиг.3 показан ход лучей в оптической системе солнечного датчика без четвертьволнового просветляющего слоя кремния на поверхности стеклянной подложки.
На фиг.4 приведен график зависимости коэффициента отражения светового излучения от кодовой маски R, в относительных единицах от длины волны λ, в нм, для оптической системы солнечного датчика без четвертьволнового просветляющего слоя кремния на поверхности стеклянной подложки.
На фиг.5 приведен график зависимости коэффициента внутреннего отражения светового излучения от кодовой маски R, в относительных единицах от длины волны λ, в нм, с четвертьволновым просветляющим слоем кремния на поверхности стеклянной подложки, согласно заявляемой полезной модели.
Оптическая система солнечного датчика (фиг.1) содержит подложку 1, выполненную из кварцевого стекла марки КУ1, прозрачного в ультрафиолетовой и видимой областях спектра без полос поглощения (ГОСТ 15139-86 Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия). /5/.
Нижняя поверхность стеклянной подложки 1 опирается на поверхность оптического фильтра 2, диапазон пропускания которого в видимом диапазоне длин волн составляет 600-750 нм. Оптический фильтр 2 расположен над защитным окном 3 фоточувствительной матрицы 4, в качестве которой использован радиационно-стойкий фоточувствительный датчик КМОП STAR1000, США, имеющий максимальную спектральную чувствительность в видимом диапазоне длин волн 600-750 нм. На внешнюю поверхность стеклянной подложки 1 нанесен вакуумным напылением четвертьволновой просветляющий слой кремния 5 толщиной 30 нм, на который вакуумным напылением нанесен защитный непрозрачный слой хрома 6 толщиной не менее 20 нм, в котором выполнены методом фотолитографии входные окна 7 кодовой маски. Рассчитанная толщина стеклянной подложки 1 составляет 7,3 мм и толщина оптического фильтра 2 составляет 2 мм, что обеспечивает максимальный угол зрения солнечного датчика ±64 градуса. Значение толщины четвертьволнового просветляющего слоя кремния 5 получено с использованием оригинальной программы расчета интерференционных покрытий и составляет 30 нм. Стеклянная подложка 1 и оптический фильтр 2 установлены в цилиндрическом корпусе 8. Между защитным окном 3 и оптическим фильтром 2 по краям их прилегающих поверхностей размещена кольцевая прокладка 9, а между оптическим фильтром 2 и стеклянной подложкой 1 по краям их прилегающих поверхностей размещена кольцевая прокладка 10. Кольцевые прокладки 9, 10 выполнены из бронзовой фольги и выполняют механическую защитную функцию. Ввиду того, что комплексный показатель преломления хрома имеет величину более 5.9 отн.ед., в просветляющем четвертьволновом слое использован кремний, являющийся диэлектриком с высоким значением комплексного показателя преломления, который составляет порядка 3.28 отн.ед.
Световой поток от Солнца с расхождением 32 угловые минуты проходит через входные окна 7 кодовой маски, четвертьволновой просветляющий слой кремния 5, стеклянную подложку 1, оптический фильтр 2, защитное окно 3 фоточувствительной матрицы 4 и затем, отражаясь от нее, проходит в обратном направлении и отражаясь от непрозрачного слоя хрома 6 проходит через четвертьволновой просветляющий слой кремния 5. (фиг.2) Так как оптическая толщина просветляющего слоя кремния 5 равняется 1/4 длины световой волны, то в этом случае лучи, отраженные от наружной и внутренней сторон этого слоя, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность уменьшится. При этом интенсивность светового потока, отраженного от непрозрачного слоя хрома 6 снижается, что приводит к уменьшению интенсивности освещенности ложного изображения на фоточувствительной матрице 4. Толщина четвертьволнового просветляющего слоя кремния 5 получена расчетным путем с использованием оригинальной программы ЭВМ для расчета интерференционных покрытий и составляет 30 нм, что обеспечивает максимальное снижение коэффициента отражения светового излучения на длине волны λ=670 нм.
В эксперименте были изготовлены по единой технологии два образца оптической системы солнечного датчика:
1. оптическая система солнечного датчика с просветляющим четвертьволновым кремниевым покрытием стеклянной подложки, согласно заявляемой полезной модели (фиг.2);
2. оптическая система солнечного датчика без просветляющего четвертьволнового кремниевого покрытия стеклянной подложки (фиг.3);
Для каждого образца были проведены измерения коэффициента внутреннего отражения R светового излучения от кодовой маски в диапазоне длин волн 600-750 нм на спектрофотометре СФ-56 стандартным методом сравнения с эталоном и получены зависимости R=f(λ), для образца №1 - график фиг.4 и для образца №2 - график фиг.5.
При отсутствии просветляющего четвертьволнового слоя кремния (фиг.3) отраженный от фоточувствительной площадки фоточувствительной матрицы 4 световой поток отражается от непрозрачного слоя хрома 6 кодовой маски и попадает опять на фотоприемную площадку фоточувствительной матрицы 4, образуя ложное изображение на ней, которое накладывается на первичное изображение окна 7, что приводит к снижению точности определения координат центра тяжести изображения прозрачного участка кодовой маски.
Как следует из сравнения графиков фиг.4, 5 при наличии четвертьволнового просветляющего слоя кремния 5 за счет интерференции в этом слое, коэффициент отражения светового излучения от непрозрачного слоя хрома 6 снижается с 54% до 3%, и приводит к снижению интенсивности ложного изображения на фоточувствительной матрице 4 в 18 раз, что практически устраняет влияние ложного изображения на точность определения координат центра тяжести изображения прозрачного участка кодовой маски.
Источники информации:
1. Заявка Франции №2116830, Кл. G01С 21/00, 1975
2. SU 1779932, МПК 5, G01С 21/24, 07.12.92.
3. Солнечный датчик. Модель 338КМ1. Каталог фирмы ООО НПП «Геофизика - Космос».
4. SU 35861, G01С 21/24, G01S 3/78, 03.11.1972 - прототип.
5. ГОСТ 15139-86 Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия.