数字式太阳敏感器光线引入器及其框架结构件和安装方法

摘要

本发明提供了一种数字式太阳敏感器光线引入器及其框架结构件和安装方法，所述引入器包括：杂散光视场光阑、微孔阵列滤光片、APS探测器，以及用于安装微孔阵列滤光片和APS探测器的框架结构件，太阳光线矢量先后通过所述杂散光视场光阑和所述微孔阵列滤光片，杂散光被一次滤除，目标信号光投影到所述APS探测器的光敏面上形成目标光斑，通过光电转换生成电压信号，通过对每个太阳光斑进行高精度的质心定位计算、数据融合，从而高精度地计算出太阳光线矢量相对于数字式太阳敏感器单机光轴的方位角和高低角。本发明具有视场大，动态性能大，测量精度高，集成度高，重量轻，可靠性强等优点，可用于数字式太阳敏感器的高精度姿态测量。

权利要求

1.一种用于数字式太阳敏感器光线引入器的框架结构件，其特征在于，该结构件包括：

框架结构件的正面：是用于安装光学保护窗口的正面台阶，该正面为光学保护窗口承载台阶，由扇面型导流槽、轮辐型分布的承载端面及导流孔组成，其中使用三厢扇面型承载端面作为光学保护窗口的接触承载面，该台阶的反面采用三厢辐射对称分布的导流孔用于注入光学结构胶，扇面型导流槽用于储存光学结构胶，光学结构胶固化后在光学保护窗口和框架结构件之间形成分布均匀的粘结力，以保证光学保护窗口的位置精度和安装强度；

框架结构件的反面：是安装APS探测器的承载面，在光学保护窗口下表面和APS探测器光敏面之间，以及处于光敏面光敏区域立体视场内的所有反射面均设有致密的消光纹，喷涂了APS探测器敏感波段内平均消光率>96％的消光涂层。

2.根据权利要求1所述的用于数字式太阳敏感器光线引入器的框架结构件，其特征在于，所述光学结构胶，采用符合航天使用要求的D04硅橡胶粘合剂，该D04硅橡胶粘合剂在常态下为液体状态，将该框架结构件倒置在水平光学平台上，再从导流孔处注入D04硅橡胶粘合剂，让其流动并充满导流槽，实现粘合剂在导流槽中的均匀分布，最后烘干、退火。

3.一种采用权利要求1或2所述框架结构件的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述光线引入器包括：光学保护窗口、杂散光视场光阑、微孔阵列滤光片、APS探测器以及用于安装微孔阵列滤光片和APS探测器的框架结构件，其中，微孔阵列滤光片安装在APS探测器的封装管座中，所述杂散光视场光阑位于整个光线引入器的最上面，所述光学保护窗口和APS探测器位于整个光线引入器中间层，所述框架结构件位于整个光线引入器最下层，所述杂散光视场光阑下方为所述光学保护窗口，所述光学保护窗口下方为所述APS探测器，所述光学保护窗口与所述APS探测器之间为所述框架结构件的光学结构胶；太阳光线矢量先后通过所述杂散光视场光阑和所述微孔阵列滤光片，杂散光被一次滤除，目标信号光投影到所述APS探测器的光敏面上形成目标光斑，通过光电转换生成电压信号，通过对每个太阳光斑进行高精度的质心定位计算、数据融合，从而高精度地计算出太阳光线矢量相对于数字式太阳敏感器单机光轴的方位角和高低角。

4.根据权利要求3所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述杂散光视场光阑为曲面锥形螺孔形式的单孔视场光阑，保证视场内的任意目标光束能完全覆盖光学滤光片的微孔区域，同时在所有能够产生反射的表面处喷涂消光材料，通过光阑的物理遮挡以及各个反射面的消光处理，将视场外的非目标杂散光滤除。

5.根据权利要求3所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述微孔阵列滤光片，是于台阶式的宝石基底上用多层金属光学薄膜镀制成6×6的微型滤光孔阵列，用于将视场孔阑中的大光斑整形为36个适合于APS探测器精确曝光和后端电路进行处理的小光斑阵列。

6.根据权利要求3所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述光学保护窗口，使用径向变折射率的石英玻璃材料，将目标太阳光的强度衰减到APS探测器所需的光强量级。

7.根据权利要求6所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述APS探测器边缘设有封装管座用于安装微孔阵列滤光片，该封装管座使用军用陶瓷材料，采用轮辐型导流槽和三厢辐射式端面相结合的结构形式，封装管座的三厢辐射式端面具有优于2μm的平面度，用以稳定的承载滤光片，轮辐型导流槽用于放置流动性好的粘合胶。

8.根据权利要求7所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述APS探测器采用CMOS APS探测器，该探测器CMOS管芯环绕边缘处，利用半导体制造的后道工艺，结合军用陶瓷材料的热聚成型技术，将CMOS管芯、封装管座、微孔阵列滤光片组合起来封装成APS探测器。

9.根据权利要求3-8任一项所述的数字式太阳敏感器光线引入器，其特征在于，所述杂散光视场光阑和所述光学保护窗口之间设置有滤光片压圈，所述滤光片压圈采用弹性合金钢材料锥形压圈，该压圈在光线引入器的内部以微小公差在光学保护窗口和框架结构件之间自由活动。

10.一种权利要求3所述数字式太阳敏感器光线引入器安装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，先将APS探测器稳定的安装在框架结构件内部，再通过经纬仪、轮廓仪，在数字式太阳敏感器的安装基准面上，以角秒级的精度，检测出APS探测器光敏面与滤光片承载面之间在水平面中2个正交方向上的平行度，按照倾斜方向和倾斜量，进行相应的反向修整，直到平行度优于测量精度指标的10％；

第二步，修整完毕后，将滤光片的光学工作面放置在接触承载面上，保持面接触，然后将框架结构件倒置，从导流孔中注入光学结构胶，在框架结构件和光学保护窗口之间进行粘连胶合，完成光线引入器的安装。

说明书

数字式太阳敏感器光线引入器及其框架结构件和安装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空间光学姿态敏感器的光机系统研制领域，具体地，涉及一种数字式太阳敏感器光线引入器及其框架结构件和安装方法。

背景技术

[0002] 数字式太阳敏感器是通过测量太阳光线矢量相对于敏感器光轴的矢量方位，再经过姿态转换矩阵换算，得到太阳光线矢量和卫星等空间飞行器本体体轴之间的夹角，完成空间飞行器平台相对于太阳光线矢量、地球惯性坐标系的两轴姿态。

[0003] 作为空间飞行器姿态、轨道控制系统中一种重要的姿态敏感器，数字式太阳敏感器在通信、遥感、科学技术试验等众多领域有广泛的应用：

[0004] 数字式太阳敏感器可为空间飞行器在给定视场内进行太阳有无的判断，也可用来为其它光学敏感器(如星敏感器、紫外敏感器、红外地球敏感器等)的视场提供监护，可对星敏感器、红外地平仪的太阳入射光线进行保护控制。它还能用于太阳望远镜一类的有效载荷与太阳帆板的精确定向控制，并产生开关和时标信号，确定空间飞行器在自旋过程中的相位基准，测定飞行器的自旋转速和角度等姿态数据。

[0005] 作为数字式太阳敏感器的光学传导部件，光线引入器对空间太阳光线矢量进行收集，通过其中滤光片的滤光孔进行小孔成像，形成符合要求的目标太阳光斑，成像在光电探测器的光敏面上。太阳光线矢量在探测器光敏面上所成光斑图像的图像质量(光斑大小、光谱分布特性、光斑边沿圆度、灰度均匀性)主要取决于光线引入器的光学、结构特性及探测器的光电转换特性。

[0006] 对于数字式太阳敏感器来说，当确定了光电探测器的型号后，则目标太阳光斑的图像质量会受到如下因素：光线引入器的光阑口径，滤光片透过率，滤光孔大小及边缘平整度，滤光片光学工作面与探测器光敏面之间的距离、平行度等光机指标的直接、显著影响。

[0007] 数字式太阳敏感器都是针对固定轨道飞行器任务的设计，其光、机、电设计参数都采用固定值，然后通过标定算法进行校正。

[0008] 对于数字式光电敏感器类测量仪器来说，其测量时的误差来源包括以下几个方面：光学系统的设计、装配误差；光学系统和面阵探测器所组成光电探头内部的装调误差；光学系统在实际成像过程中的光学畸变所导致的太阳光斑形状、强度分布误差；光电探头与敏感器整机结构的安装基准面之间的装调误差；数字太敏后端硬件电路系统噪声引起的误差，主要是数字太敏内部电路系统的暗电流噪声；数字太敏后台处理电路针对面阵探测器光敏面上的光学图像所使用处理算法、软件对误差的修正能力。

[0009] 对于传统数字式太阳敏感器来说，上述误差源都比较大，导致已有产品的测量精度都不高。而且，传统数字式太阳敏感器的光线引入器一般是利用两片狭缝式光学滤光片和线阵探测器，或两片滤光片和面阵型探测器，通过机械结构件，进行光机装调而成，而对光学工作面和探测器光敏面之间的平行度不做具体要求，导致测量时的初始偏移误差比较大。另一方面，由于一般的线阵或面阵型光电探测器的光敏面上方，会有一块密封防护用的宝石光学保护窗口(Glass Window)，在光敏面与宝石光学保护窗口的中间密封着空气、氮气或其它惰性气体，用于实现对探测器光敏面的热学保护和压差隔离。在数字太阳敏感器的工作过程中，该宝石保护盖会对太阳光线形成折射，导致光敏面中的目标光斑出现偏移，光斑质心定位不准，从而形成较大的角度测量误差。

发明内容

[0010] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高集成度、轻小型、高精度、杂散光保护角大数字式太阳敏感器所使用的高性能光线引入器框架结构件。

[0011] 根据本发明的一方面，提供一种用于数字式太阳敏感器光线引入器的框架结构件，该结构件包括：

[0012] 框架结构件的正面：是用于安装光学保护窗口的正面台阶，该正面为光学保护窗口安装台阶，由扇面型导流槽、轮辐型分布的承载端面及导流孔组成，其中使用三厢扇面型承载端面作为光学保护窗口的接触承载面，反面三厢辐射对称分布的导流孔用于注入光学结构胶，导流槽用于储存光学结构胶，光学结构胶固化后在滤光片和框架结构件之间形成强度适中、分布均匀的粘结力，以保证光学保护窗口的位置精度和安装强度；

[0013] 框架结构件的反面：该反面是安装APS探测器的承载面，在光学保护窗口下表面和APS探测器光敏面之间，处于光敏面光敏区域立体视场内的所有反射面，均设有致密的消光纹，喷涂了APS探测器敏感波段内平均消光率>96％的消光涂层。

[0014] 优选地，所述光学结构胶，采用符合航天使用要求的D04硅橡胶粘合剂，该型胶在常态下为液体状态，将该框架结构件倒置在水平光学平台上，再从导流孔处注入D04硅橡胶粘合剂，让其流动并充满导流槽，实现粘合剂在导流槽中的均匀分布，最后烘干、退火。当然，也可以是其他能够实现上述目的的光学结构胶。

[0015] 根据本发明的另一方面，提供一种采用上述框架结构件的数字式太阳敏感器光线引入器，包括：光学保护窗口、杂散光视场光阑、微孔阵列滤光片、APS探测器以及用于安装微孔阵列滤光片和APS探测器的框架结构件，其中，微孔阵列滤光片安装在APS探测器的封装管座中，所述杂散光视场光阑位于整个光线引入器的最上面，所述光学保护窗口和APS探测器位于整个光线引入器中间层，所述框架结构件位于整个光线引入器最下层，所述杂散光视场光阑下方为所述光学保护窗口，所述光学保护窗口下方为所述APS探测器，所述光学保护窗口与所述APS探测器之间为所述框架结构件的光学结构胶；太阳光线矢量先后通过所述杂散光视场光阑和所述微孔阵列滤光片，杂散光被一次滤除，目标信号光投影到所述APS探测器的光敏面上形成目标光斑，通过光电转换生成电压信号，通过对每个太阳光斑进行高精度的质心定位计算、数据融合，从而高精度地计算出太阳光线矢量相对于数字式太阳敏感器单机光轴的方位角和高低角。

[0016] 优选地，所述杂散光单孔视场光阑为曲面锥形螺孔形式的单孔视场光阑，保证视场内的任意目标光束能完全覆盖光学滤光片的微孔区域，同时在所有能够产生反射的表面处，喷涂高效率的消光材料，通过光阑的物理遮挡以及各个反射面的消光处理，将视场外的非目标杂散光滤除。更进一步的，所述单孔视场光阑的最大视场为±70°×±70°，可见光和近红外波段获得超过96％的平均消光效率，可将视场外超过96％的杂散光滤除。

[0017] 优选地，所述杂散光视场光阑和所述光学保护窗口之间设置有滤光片压圈。更优选地，所述滤光片压圈采用弹性合金钢材料锥形压圈，该压圈在光线引入器的内部以微小公差在光学保护窗口和框架结构件之间自由活动，以预留合适的缓冲空间，用于保证发射和在轨过程中，不会对光线引入器中高精度安装的光学保护窗口造成过量的冲击；同时，该压圈还可以用于补偿累积出现在力学振动、冲击和温度剧烈变化导致热胀冷缩而形成的变形，降低复杂的应力集中情况，提高数字式太阳敏感器的测量精度及可靠性。

[0018] 优选地，所述微孔阵列滤光片，是于台阶式的宝石基底上用多层金属光学薄膜镀制成6×6的微型滤光孔阵列，用于将视场孔阑中的大光斑整形为36个适合于APS探测器精确曝光和后端电路进行处理的小光斑阵列。

[0019] 优选地，所述光学保护窗口，使用径向变折射率的石英玻璃材料，将目标太阳光的强度衰减到APS探测器所需的光强量级。

[0020] 优选地，所述APS探测器边缘设有封装管座用于安装微孔阵列滤光片，该封装管座使用军用陶瓷材料，采用精密轮辐型导流槽和三厢辐射式端面相结合的结构形式。封装管座的三厢辐射式端面，具有优于2μm的平面度，用以稳定的承载微孔阵列滤光片，轮辐型导流槽用于放置流动性好的粘合胶。通过类似于光学保护窗口的安装工艺，以减小目标光斑质心的定位误差，极大地提高了产品的测量精度。

[0021] 优选地，所述APS探测器采用CMOS APS探测器，该探测器CMOS管芯环绕边缘处，利用半导体制造的后道工艺，结合军用陶瓷材料的热聚成型技术，高精度、高强度、高稳定性将CMOS管芯、封装管座、微孔阵列滤光片组合起来封装成APS探测器。

[0022] 根据本发明的第三方面，提供一种上述光线引入器的安装方法，该方法包括如下步骤：

[0023] 第一步，先将APS探测器稳定的安装在框架结构件内部，再通过精密的经纬仪、轮廓仪，在数字式太阳敏感器的安装基准面上，以角秒级的精度，检测出APS探测器光敏面与滤光片承载面之间在水平面中2个正交方向上的平行度，按照倾斜方向和倾斜量，进行相应的反向修整，直到平行度优于测量精度指标的10％；

[0024] 第二步，修整完毕后，拆除APS探测器和框架结构件，将光学保护窗口的光学工作面放置在接触承载面上，保持面接触，然后将框架结构件倒置，从导流孔中注入光学结构胶，在框架结构件和光学保护窗口之间进行粘连胶合，再将APS探测器按修整后的方位装入框架结构件中，完成光线引入器的高精度安装。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0026] 本发明所实现的光线引入器，具有视场大，动态性能大，测量精度高，集成度高，重量轻，可靠性强等优点，可用于数字式太阳敏感器的高精度姿态测量。

附图说明

[0027] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0028] 图1是本发明一实施例光线引入器构成图；

[0029] 图2是本发明一实施例光线引入器信息流程图；

[0030] 图3为本发明一实施例杂散光视场光阑方案图；

[0031] 图4为本发明一实施例光学保护窗口及压圈方案图；

[0032] 图5为本发明一实施例光学保护窗口的压圈方案图；

[0033] 图6为本发明一实施例微孔阵列滤光片方案图；

[0034] 图7为本发明一实施例变折射率修正模型图；

[0035] 图8为本发明一实施例适用于某型APS光学保护窗口的折射率分布模型图；

[0036] 图9为本发明一实施例基于军用陶瓷材料封装管座示意图；

[0037] 图10为本发明一实施例基于军用陶瓷材料安装管封装成型示意图；

[0038] 图11为本发明一实施例改装的APS探测器示意图；

[0039] 图12为本发明一实施例滤光片安装框架结构示意图；

[0040] 图13为本发明一实施例光学保护窗口安装框架示意图。

[0041] 图1中：1为杂散光视场光阑，2为滤光片压圈，3为光学保护窗口，4为光学结构胶，5为导流槽，6为APS探测器，7为框架结构件，8为封装管座，9为APS探测器光敏面，10为APS探测器基底，11为微孔阵列滤光片，12为石英玻璃，13为滤光层，14为宝石基片，15为阻光层。

具体实施方式

[0042] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0043] 如图1所示，为本发明数字式太阳敏感器光线引入器的结构组成图，包括杂散光视场光阑1、光学保护窗口3、APS探测器6，微孔阵列滤光片11，以及用于安装光学保护窗口3和APS探测器的框架结构件7。微孔阵列滤光片11安装在APS探测器6的封装管座中，最上面一层是杂散光视场光阑1，中间层是光学保护窗口3和APS探测器6，最下方为框架结构件7。所述杂散光视场光阑1和所述光学保护窗口3之间设置有压圈2。所述光学保护窗口3与所述APS探测器6之间为所述光学结构胶4，所述框架结构件7上设有导流槽5且位于所述光学保护窗口3与所述APS探测器6的中间区域，该导流槽5用于注入光学结构胶4。

[0044] 如图2所示，太阳光线矢量经过本发明中视场光阑、光学保护窗口后，杂散光被单孔视场光阑进行一次滤除，再通过APS探测器上的微孔阵列滤光片进行分束、整形，形成的多数目标信号光投影到APS探测器的光敏面上，形成目标光斑，通过光电转换，生成电压信号，通过内部的处理软件对光斑进行高精度的质心求取和高精度计算、数据融合，从而得到太阳光线矢量相对于数字式太阳敏感器本体坐标的方位角和高低角，再通过接口输出给姿轨控计算机。

[0045] 本发明的光线引入器由上述杂散光视场光阑1，微孔型光学滤光片11，滤光片压圈2，探测器6、框架结构件7等组成，利用高精度的光机装调方法，通过光学结构胶高强度、高稳定性地胶合而成。

[0046] 图3为杂散光视场光阑方案，杂散光单孔视场光阑采用铝合金材料，基于光学分析软件进行设计，保证视场内的任意目标光束能完全覆盖光学滤光片的微孔区域；同时通过光阑的物理遮挡，以及各个反射面的消光处理(吸收、漫反射)，让视场外的非目标光束滤除，确定为圆锥曲面漏斗形式，再通过精密机加工工艺，利用铝合金材料一体化成型技术，加工出曲面锥形螺孔形式的单孔视场光阑，该光阑的通光口径为22mm，最大视场为±70°×±70°，可将±70°×±70°视场外的地反光、星体反射光等容易形成伪太阳光斑的杂散光滤除。

[0047] 该圆锥曲面漏斗形光阑的结构形式如图3所示，在所有能够产生反射的表面处，喷涂高效率的消光材料，以在可见光和近红外波段，获得满足消光要求的消光效率。

[0048] 图4本发明的光学保护窗口3方案，使用径向变折射率的石英玻璃材料，将目标太阳光的强度衰减到APS探测器所需的光强量级。图4中，12为石英玻璃，13为滤光层。

[0049] 图5本发明光学保护窗口3的压圈方案，滤光片锥形压圈采用弹性合金钢材料，其结构形式如图5所示，在光线引入器的内部，滤光片压圈2以合适的微小公差在滤光片和镜框之间自由活动，以预留合适的缓冲空间，保证发射和在轨过程中，振动、冲击等大力学载荷对数字式太阳敏感器的作用下，不会对光线引入器中高精度安装的滤光片造成过量的冲击。图5中14为宝石基片，15为阻光层。

[0050] 当数字太阳敏感器在轨工作处于阳照区受到太阳光直射受热、处于地球轨道阴影区的低温时，该压圈用于补偿累积出现在力学振动、冲击和温度剧烈变化导致热胀冷缩而形成的变形，降低复杂的应力集中情况，提高数字式太阳敏感器的测量精度及可靠性。

[0051] 图6为本发明的微孔阵列型滤光片11方案，该滤光片利用MOMES技术，在圆柱形宝石基底上，用多层金属光学薄膜镀制成6×6的微型滤光孔阵列，用于将视场孔阑、光学保护窗口3中形成的大光斑整形为36个适合于APS探测器6精确曝光和后端电路及软件进行处理的小光斑阵列。

[0052] 图7为本发明的变折射率修正模型，APS探测器6微孔阵列型滤光片所选用的基片具有径向变折射率特性，可对沿着表面矢径R方向上，薄膜、填充气体在APS探测器光敏面9上所引起的综合畸变误差进行高精度的补偿，保证不同角度入射太阳光线的角度测量误差均为常值偏差。

[0053] 由于一般的批产型CMOS APS探测器在进行封装时，探测器生产厂家会在其光敏面上方，通过胶液安装普通宝石材质的光学保护窗口，以对探测器的光敏面进行保护。而普通光学保护窗口上的光学折射会导致目标太阳光线在探测器光敏面上出现光斑偏移，使得光敏面接收到的太阳光线并不是滤光片前端真实入射的目标太阳光线，会导致相应的角度测量误差。为减小、消除该误差，本发明采用了一种为对光学保护窗口进行改装的APS探测器，使用径向变折射率的抗辐射宝石代替APS探测器上方传统恒折射率的光学保护窗口，以减小光学保护窗口的基底光学材料对入射光线造成的折射对产品的影响，降低折射所引起的目标光斑偏移量，从而减小目标光斑质心的定位误差，极大地提高了产品的测量精度。通过光学分析，针对CMOS APS探测器的光学保护窗口以及不同入射角的太阳光线，本发明推导了光学保护窗口所用变折射率的抗辐射宝石及探测器腔内部填充的保护气体，所导致的光斑偏移误差与光线入射角度之间的关系，同时建立了相应的误差修正模型。

[0054] 本发明中的光学保护窗口所选用的抗辐射宝石基片具有径向变折射率特性，可对沿着滤光片光学工作面的表面矢径R方向上，薄膜、填充气体在APS探测器光敏面上所引起的综合畸变(折射、衍射、双折射等，以折射为主)误差进行精确补偿，保证不同角度入射太阳光线的角度测量误差均为常值偏差。最后，经过数字式太阳敏感器内部处理软件的常值修正后，得到目标入射太阳光线的真实光斑质心位置，以及精确的太阳光线入射角度。该修正模型的推导过程如下：

[0055] 如图7所示，由上到下依次为光学保护窗口3、空气(轨道环境下为真空)、微孔阵列型滤光片11、探测器光敏面9。

[0056] 空气中太阳光的折射率为n1，通过光机装调后，相应的空气层厚度为H1；

[0057] 光学保护窗口3中太阳光的折射率分布为n2，其为矢径R的函数，相应的厚度为H2；

[0058] 填充气体中太阳光的折射率为n3，相应的厚度，亦即微孔阵列型滤光片11下端面到光敏面的距离为H3。

[0059] 假设太阳光的入射角度为a1，由折射定律有：

[0060] a2＝asin(n1*sin(a1)/n2)；a3＝asin(n1*sin(a1)/n3)    (1)

[0061] 则有实际的目标太阳光斑中心，相对于光线所成理想光斑中心的偏移距离ps，亦即膜层折射导致的光斑偏移为：

[0062] ps＝(H1+H2)*tan(a1)-(H1*tan(a2)+H2*tan(a3))     (2)

[0063] 相应地，为了便于数字式太阳敏感器内部的处理软件进行精确修正，需要使得上述偏移量为一常数。则可得光学保护窗口折射率补偿模型，通过最小二乘法拟合，可得n2的表达式如下：

[0064] n2＝n2(R)          (3)

[0065] 图8为本发明适用于某型APS探测器所使用微孔阵列型滤光片的折射率分布模型，对于不同入射角度的光线，可使得滤光片所引入的目标光线，在滤光片内部折射引起的光斑质心位置偏移量维持在<3个像素的常值，极大地降低折射导致的角度测量误差。

[0066] 下面以某型APS探测器进行滤光片的改装作为例子，进行分析。

[0067] 该型APS探测器的微孔阵列型滤光片为BK7G18玻璃，内部填充氮气。

[0068] 空气折射率n1＝1.0002926；氮气折射率n3＝1.0002871；BK7G18宝石的折射率n2＝1.671。

[0069] 其中，在空间环境中，n1为真空中光折射率，n1＝1；

[0070] 光学保护窗口的实测厚度：H1＝1.035mm；

[0071] 光学保护窗口下端面到光敏面的距离为H2＝1.016mm。

[0072] 令ps＝1.1mm，则有：

[0073] (H1+H2)*tan(a1)-(H1*tan(a2)+H2*tan(a3))＝1.1       (4)

[0074] 通过matlab进行求解，可得光学保护窗口折射率补偿模型如附图7所示，相应地，得到光学保护窗口的折射率表达式为：

[0075] n2(R)＝-0.00028·R4+0.0108·R3-0.14·R2+0.74·R+0.64   (5)

[0076] 为了验证上述模型的可信度，按以下步骤进行处理及验证：

[0077] 步骤一，在BK7G18玻璃型原始滤光片的状态下，利用平行光束分别以：0°、10°，……，80°的入射角进行照射，测得光斑阵列的质心位置为(xi，yi)，i＝1，2，……，36。
其分布如表1所示，该质心位置即为原始滤光片折射影响时所测得的，对应于相应光线矢量入射方向、有较大折射误差引入的光斑位置原始值。

[0078] 表1原始滤光片对应的光斑质心分布

[0079]

[0080]

[0081]

[0082] 步骤二，将该APS探测器的原始滤光片去除，保持无滤光片的状态，重复步骤一，测得光斑阵列的质心位置分布如表2所示，该质心位置即为无滤光片的折射影响时所测得的，对应于相应光线矢量入射方向的目标光斑位置。

[0083] 表2无滤光片的光斑质心分布

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[0085]

[0086]

[0087] 步骤三，以式(5)的模型为基础，近似地加工出与材料、尺寸(厚度、口径)规格相一致的光学保护窗口。通过沿着矢径R方向的掺杂处理，使得沿着矢径方向的折射率分布为n2(R)。

[0088] 步骤四，再将的微孔阵列型滤光片安装在原始窗口的同一位置上，重复步骤二得到光学保护窗口所对应的光斑质心坐标分布如表3所示。

[0089] 表3有滤光片的光斑质心分布

[0090]

[0091]

[0092]

[0093] 由步骤一、二可知，相对于去除原始光学保护窗口后，无光学保护窗口的光斑质心位置，原始窗口所引起的质心坐标偏移为：(△xi，△yi)，i＝1，2，……，36。分布如表4所示。

[0094] 表4原始滤光片所引起的光斑质心偏移

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099] 由步骤二、四可知，相对于去除原始滤光片后，无滤光片的光斑质心位置，滤光片所引起的质心坐标偏移分布(△xi'，△yi')，i＝1，2，……，36。如表5所示。

[0100] 表5滤光片所引起的光斑质心偏移

[0101]

[0102]

[0103]

[0104] 由表4可知，序号为1～36的光斑质心位置，随着光线入射角度的不同，原始滤光片所引起的光斑板质心坐标的像素数偏移量，是非线性的不均匀分布，最大达680个像素，带来的最大测量精度误差>50°。

[0105] 由表5可知，序号为1～36的光斑质心位置，随着光线入射角度的不同，的微孔阵列型＝滤光片所引起的光斑板质心坐标的像素数偏移量均<2.2个像素，不超过3个像素，带来的测量精度误差<0.2°，且基本为恒值。

[0106] 由此可见，使用的微孔阵列型滤光片，能极大的降低光学折射带来的光斑质心偏移误差和相应的角度测量误差。

[0107] 上述使用微孔阵列型滤光片的APS探测器只是本发明的较佳实施案例，但本发明并非仅限于该案例。

[0108] 图9-11为APS探测器，包括微孔阵列型滤光片，以及相应的封装管座方案。

[0109] 图9为滤光片封装管座台阶的正面，由扇面型导流槽、轮辐型分布的承载端面及导流孔组成。

[0110] 在传统恒折射率光学保护窗口的CMOS APS探测器中，使用如图7和图8所对应的变折射率抗辐射宝石，制作的微孔阵列型滤光片11，然后再将该微孔阵列型滤光片和CMOS管芯、引线，通过高温陶瓷烧结成如图9所示的封装管座8，再按照图10的方式进行封装成型，形成如图11所示的改装APS探测器6。图9所示的封装管座8基于军用陶瓷材料，烧结成轮辐型形式的导流槽5，并从导流槽5的侧面注入具有较好流动性的光学结构胶，使得结构胶、光学保护窗口的力学粘合面，与光学保护窗口在封装管座上的陶瓷承载面，是两块完全不同的区域，在保证光学保护窗口安装基准的同时，又能为该窗口提供良好的力学稳定性。

[0111] 导流槽5用于存储滤光片和框架结构件之间进行胶合作用的光学结构胶，采用符合航天使用要求的D04硅橡胶粘合剂，该型胶在常态下为液体状态，将该框架结构件倒置在水平光学平台上，再从导流孔处注入D04硅橡胶粘合剂，让其流动并充满导流槽，实现粘合剂在导流槽中的均匀分布，最后在高温中烘干、退火。

[0112] 流动性大的D04硅橡胶粘合剂只是本发明适用的结构胶之一，并非唯一可用的粘合剂。事实上，该导流槽和导流孔中也可注入其它符合要求的光学结构胶，实现光学滤光片和APS探测器的封装管座之间高精度、高稳定性的光机装调。

[0113] 图12为所述框架结构件的正面。该正面为光学保护窗口安装台阶，由扇面型导流槽、轮辐型分布的承载端面及导流孔组成。其中使用三厢扇面型承载端面作为光学保护窗口的接触承载面，反面三厢辐射对称分布的导流孔用于注入光学结构胶。如图中所示，在铝合金框架的上方，以3×120°分布加工成扇面形式的导流槽、承载端面和逆向导流孔，从逆向导流孔注入具有较好流动性的光学结构胶，使得结构胶、滤光片的力学粘合面，与承载端面，是两块完全不同的区域，在保证滤光片安装基准的同时，又能为该滤光片提供良好的力学稳定性。

[0114] 图13为所述框架结构件的反面，该反面是安装APS探测器的承载面，由电路板安装基准面和喷涂消光材料的消光纹内框组成，所喷涂的消光材料能实现对探测器所敏感器的可见光和近红外波段内，优于96％以上的平均消光效率。

[0115] 框架结构件7的反面采用三厢辐射对称的形式分布导流孔和导流槽相结合的构型，以平面度优于0.01°的三厢辐射式端面作为光学保护窗口的承载面，框架结构件的反面三厢辐射对称分布的导流孔用于注入流动性适宜的光学结构胶，导流槽则用于储存液态的光学结构胶，并在烘箱中以合适温度使光学结构胶固化，在光学保护窗口和框架结构件之间形成强度适中、分布均匀的粘结力，以保证滤光片的安装位置精度和安装强度、韧度。

[0116] 如图13所示，在光学保护窗口下表面和APS探测器光敏面之间的空间，处于光敏面光敏区域立体视场内的所有反射面中，均加工有致密的消光纹，消光纹所在的区域中，喷涂了探测器敏感波段内平均消光率>96％的消光涂层，以便于形成弱反射率的漫反射表面，消除镜面反射，降低地反光、航天器本体反射光、发动机尾流等杂散光在APS探测器光敏面上形成错误非目标光斑(伪光斑)的概率，提高对目标太阳光线矢量的识别准确率。

[0117] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。