微型太阳敏感器光学掩模的镀膜设计

太阳敏感器是空间飞行器进行姿态确定和方位测定的重要器件，传统太阳敏感器大而重，无法应用到微小卫星特别是皮纳卫星上。介绍了基于CMOS APS探测器的微型太阳敏感器的工作原理，基于黑体辐射理论和太阳光谱特性，结合CMOS APS探测器工作特性，分析给出了这种敏感器像元表面产生光电子数的计算方法，并采用Matlab软件，编程计算了地球表面太阳垂直入射条件下，探测器像元表面产生的光电子数。采用光学薄膜设计方法，分析设计了掩模表面光学薄膜的膜系结构，计算了各膜层的透射特性。在此基础上，得到了基于CMOS APS探测器微型太阳敏感器光学掩模的光学薄膜的设计方法，最后给出了设计结果。     

小孔阵列衍射特性与应用

以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图,并将仿真结果用于微型数字式太阳敏感器的光学系统中的结构参量设计和图像处理中的参量确定。太阳敏感器的成像实验结果表明,小孔阵列衍射光强分布图的仿真结果正确、太阳敏感器光学系统参量设计合理。小孔阵列衍射理论为太阳敏感器的光学系统设计和图像处理提供了可靠的理论基础。     

CMOS星敏感器光学系统的设计

基于对恒星星表V/50的统计,在确保一定捕获概率的前提下,确定了星敏感器光学系统的视场角和所能探测的极限星等,在此基础上,结合所选用的STAR-250CMOS探测器的性能,在保证一定信噪比的前提下,确定了光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等主要参数。以改进双高斯型结构为初始结构,在ZE-MAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm~0.8μm)的光学系统的设计,满足了对弥散斑、能量集中度等的特殊要求。     

航天太阳敏感器的应用与发展

综述了当前广泛应用的数字太阳敏感器的原理、系统设计、应用领域和发展现状。首先,叙述了太阳敏感器的工作原理;数字太阳敏感器一般采用小孔成像的原理,包括光学系统、光电探测器和信息处理单元3个部分。其次,介绍了太阳敏感器的光学系统,包括单光孔、单狭缝、多光孔和多狭缝等多种入光形式。然后,从常规光电探测器件和集成了光学系统、图像传感器和信息处理单元的探测器两个层面,说明了太阳敏感器涉及的光电探测器的发展,并介绍了相应的太阳像点中心提取算法。最后,给出了航天太阳敏感器的现有产品及应用现状,讨论了未来航天太阳敏感器面临的挑战和发展趋势。     

一种高性能太阳敏感器复合光学系统设计

以夫朗禾费衍射理论为基础,结合微透镜,设计了一种高性能的数字式太阳敏感器复合光学系统。分析了光学系统的组成,建立了光学系统的数学模型,设计了光学系统的焦距、孔径和微透镜参量,并进行了成像的数值仿真。仿真结果表明,与基于掩模的光学系统相比,这种新型的复合光学系统成像光斑能量分布集中,保证计算光斑中心位置的高精度,使敏感器具有大视场和高精度的特点。     

运动式太阳模拟器LED阵列光源及其准直光学系统设计

运动式太阳模拟器是编码式太阳敏感器在装星阶段用于现场测试的一种重要设备,为敏感器测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号。论述了运动式太阳模拟器的结构组成与工作原理,着重对其LED阵列光源和准直光学系统进行研究与设计。通过功率计算确定了LED数量,依据Sparrow判据分析了LED间距对辐照均匀性的影响,确定了阵列间距。基于边缘光线原理,建立了圆柱面镜的数学模型,设计了准直光学系统,借助LightTools软件进行仿真。实验结果表明:设计的运动式太阳模拟器在工作距离为50 mm处的辐照范围为10 mm×50 mm,最低辐照度为393 W·m~(-2),在-13°、0°、38°三种光线入射角下的辐照不均匀度均优于±7.3%,出射张角为0.78°,满足编码式太阳敏感器装星后现场测试的要求。     

APS图像传感器及其在星敏感器中的应用

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态测量的高精度光学敏感器。小型化、低功耗、高精度、高更新率是现阶段星敏感器发展的共同特点。介绍了APS图像传感器的特点,并将其与CCD进行了详细的比较。对APS图像传感器的重要特性参数进行了分析,并介绍了一种由北京控制工程研究所研制的小型化高精度APS星敏感器及其设计方法。介绍了适用于GEO轨道的APS星敏感器图像在轨校正方法和APS图像传感器的发展方向。     

轻小型星敏感器光学系统的设计

介绍了星敏感器的工作原理,对光学系统的指标进行详细的分析,给出光学系统的设计结果和评价.设计得到的镜头焦距22.7 mm,相对孔径1:1.4,视场角17.1°×17.1°(圆视场角24°),而长度仅45.3 mm.由七个球面透镜组成,光阑放在第二、三透镜之间.     

宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计

介绍了一种用于卫星姿态控制的星敏感器光学系统,该光学系统焦距为51 mm,相对孔径为1/1.1,视场角为21°×21°（圆视场2ω＝30°）,光谱范围为0.5～0.85 μm,采用了复杂化双高斯结构.与普通成像系统不同的是,该系统要求对不同光谱的恒星所采集到的点像能量中心是一致的,且星像点像的弥散圆须控制在一定的范围内.具有倍率色差小、轴上和轴外能量分布比较一致的特点.     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

CMOS图像传感器在空间技术中的应用

介绍了CMOSAPS(有源像素图像传感器 )的原理与结构 ,并介绍了发展现状。详细分析比较了CMOS图像传感器相对CCD的性能特点 ,讨论了CMOS图像传感器在空间技术中的可应用领域 ,尤其是在微纳型卫星遥感成像、姿态敏感方面替代CCD的应用可行性     

大动态CMOS APS的星敏感器光学系统主要参数设计

星敏感器广泛用于空间飞行器的姿态测量,为减少飞行器飞行过程中转动对星敏感器测量精度的影响,定量分析了捷联安装的星敏感器透光孔径、曝光时间、视场、焦距、像素数目与转速之间的关系,提出了大视场、短曝光时间、较少的像素都能提高星敏感器的动态。鉴于这三者之间是相互关联的,首先,由导航星的捕获概率确定了视场大小,然后,根据恒星辐射模型和CMOS有源像素传感器的噪声计算模型,确定了透光孔径、曝光时间。     

基于CMOS图像传感器的成像系统设计

以OV 5 116CMOS图像传感器为例 ,讨论了基于CMOS图像传感器的成像系统的电路设计方法及系统设计中应注意的问题 ;并通过对CMOS图像传感器外围电路的优化设计实现了成像系统的微型化和轻量化。     

纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器（英）

基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0 V时,实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa,加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。     

基于数字式MEMS传感器的声阵列成像系统设计*

常规驻极体传声器阵列成像系统存在数据采集系统复杂、体积大的问题,因而阵列传感器数量一般不超过60个,成像质量较差。为此,本文以数字式MEMS声传感器基础设计了260个传感器的声阵列,数据采集系统由FPGA控制,并嵌入到前端阵列中,后端是在另一个FPGA控制下的1个DSP芯片和2个PC104模块组成的集成系统,其中高速DSP芯片完成阵列信号处理以实现声成像功能。该系统能够实现对普通车间环境下机械设备噪声、气体泄漏噪声的现场成像测试,形成动态声像图。测试表明,该系统抗干扰能力强、声像分辨率高、成像速度快,实用效果良好。     

Optical performance simulation and optimization for CMOS image sensor pixels

Finite-difference time-domain (FDTD) method is used to perform three dimension simulations for the optical performance of 1.75 μm pitch pixels of CMOS image sensor. A three dimension pixel model for CMOS image sensor pixels is set up. Micro-lens optimization, dielectric stack height reduction can decrease the optical power loss. A SiN layer with proper thickness can reduce the reflection at the Si–SiO₂ interface. A high refractive index lightpipe is proposed to confine the light within the pixel. The simulation results show that the optical efficiency of the optimized 1.75 μm pixel compare to that before optimized is promoted by more than 10% and the cross-talk is reduced by 50%.     

32 × 32 SOI CMOS image sensor with pinned photodiode on handle wafer

We have fabricated a 32 × 32 silicon on insulator (SOI) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) active pixel image sensor with a pinned photodiode on a handle wafer. The structure of one pixel is a four-transistor type active pixel sensor (APS) which consists of a reset and a source follower transistor on a seed wafer, and is comprised of a photodiode, a transfer gate, and a floating diffusion on the handle wafer. The photodiode could be optimized for better quantum efficiency and low dark currents because its process on the handle wafer is independent of that of transistors on a seed wafer. Most of the wavelengths are absorbed within the visible range, because the optimized photodiode is located on the handle wafer. The image has been captured by the fabricated 32 × 32 SOI CMOS image sensor with array pixels, vertical scanner, horizontal scanner, and delta-difference sampling circuit.     

数码相机图像传感器技术

介绍了数码相机中图像传感器的关键技术和相关的新技术。目前广泛被使用的图像传感器是CCD、SuperCCD和CMOSImageSensor(互补性氧化金属半导体图像传感器)。在分析和介绍图像传感器的结构、读出方式、彩色滤光阵列(CFA)等技术内容的基础上,对数码相机设计采用的图像传感器在关键技术指标进行了综合对比。     

激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。