遮光罩關(guān)鍵表面微形貌建模及仿真

摘 要：針對星敏感器在軌運行時面臨的雜散光干擾問題，采用激光共聚焦顯微鏡對遮光罩擋光環(huán)刃口的微形貌進行了精確測量，并構(gòu)建了完整的測量及數(shù)據(jù)處理流程。在此基礎(chǔ)上，采用了基于梯形擬合和圓弧擬合的兩種建模方法表征遮光罩擋光環(huán)刃口的形貌。利用光學(xué)仿真軟件TracePro對不同建模方法構(gòu)建的擋光環(huán)模型進行了雜散光抑制效果的仿真分析，結(jié)果表明，圓弧刃口在雜散光抑制方面優(yōu)于梯形刃口，其抑制效果在不同入射角下平均提高了約69%。

關(guān)鍵詞：遮光罩；激光共聚焦顯微技術(shù)；刃口建模；光學(xué)仿真

中圖分類號：V448.25+3" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0085-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.021

0" " 引言

星敏感器是一種在空間飛行器中廣泛應(yīng)用的高精度空間姿態(tài)測量設(shè)備，其工作原理是基于探測天體中不同位置的恒星來獲取運載體的姿態(tài)信息[1-2]，從而為航天器提供精確的空間方向和基準(zhǔn)參照。然而，在星敏感器的在軌運行過程中，它會面臨來自太陽光、地氣光、月光以及衛(wèi)星本體等多種輻射源的雜散光干擾。鑒于星敏感器需要探測的是極其微弱的恒星星光，這些雜散光干擾輕則導(dǎo)致其測量精度降低，重則甚至?xí)斐珊阈遣东@功能的失效[3-6]。因此，對于星敏感器而言，抑制雜散光的需求顯得尤為重要。

遮光罩是星敏感器抑制雜散光的最有效措施，目前對于普通遮光罩的研究和應(yīng)用也已經(jīng)相當(dāng)成熟，但對遮光罩的研究大都停留在宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸優(yōu)化上[7-8]，關(guān)于遮光罩關(guān)鍵表面微形貌對其雜光抑制性能影響的研究較少，現(xiàn)在已經(jīng)無法滿足星敏感器的使用要求，阻礙了航天技術(shù)的進一步發(fā)展。因此，迫切需要開展遮光罩關(guān)鍵表面微形貌對其雜光抑制性能影響的研究。

本文使用激光共聚焦顯微鏡對遮光罩擋光環(huán)刃口微形貌進行測量，對測量數(shù)據(jù)進行處理后，采用基于梯形擬合和圓弧擬合的建模方法表征遮光罩擋光環(huán)刃口的形貌，并對其進行光學(xué)仿真分析，以對比不同建模方法對雜光抑制效果的影響。

1" " 測量流程及數(shù)據(jù)處理

本實驗選用LEXT OLS5100激光共聚焦顯微鏡，該顯微鏡運用了先進的共軛焦點成像技術(shù)，能夠?qū)⑽矬w細分為多個光學(xué)斷層，并逐層進行精密掃描以形成圖像。這些光學(xué)斷層之間具備較高的縱深分辨率，確保了成像結(jié)果的清晰度與精確度?；诩す夤簿劢癸@微鏡的遮光罩擋光環(huán)刃口測量流程如圖1所示。

1.1" " 工件安裝及關(guān)鍵表面數(shù)據(jù)獲取

在安裝工件時，需確保待測表面準(zhǔn)確置于測量視場的中心位置。與此同時，需對顯微鏡的轉(zhuǎn)盤及工作臺的水平位置進行精細調(diào)整，以使工件精確地位于物鏡的正下方，如圖2所示。隨后，調(diào)節(jié)焦距并設(shè)定好測量范圍，啟動掃描程序，從而精確獲取工件表面的高度數(shù)據(jù)。

1.2" " 數(shù)據(jù)去噪

測量工件表面時，應(yīng)測得完整的刃口數(shù)據(jù)以及刃口和兩側(cè)之間的過渡情況。但在遠離刃口的兩側(cè)區(qū)域，由于可能超出聚焦區(qū)域并受到光線反射的干擾，往往難以獲取準(zhǔn)確的高度值，這會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的噪聲數(shù)據(jù)。為了提高測量的精確度，對測量數(shù)據(jù)進行去噪處理顯得尤為必要。去噪前后的對比圖如圖3所示。

1.3" " 傾斜度校正

受夾具精度及使用磨損的影響，工件在夾具上安裝后可能會存在一定的傾斜，從而影響測量結(jié)果。為消除工件傾斜導(dǎo)致的同一視場內(nèi)的測量表面高度數(shù)據(jù)誤差，還需對數(shù)據(jù)進行傾斜度校正，如圖4所示。

1.4" " 截取表面

由于所獲取的數(shù)據(jù)為包含刃口附近形貌特征的曲面點云數(shù)據(jù)，為確保后續(xù)分析的精確性，需首先對這些數(shù)據(jù)進行修剪處理，如圖5所示。此修剪過程旨在去除冗余的信息，以便更為準(zhǔn)確地聚焦于刃口區(qū)域的關(guān)鍵特征。隨后，經(jīng)修剪的數(shù)據(jù)需通過合適的方法轉(zhuǎn)化為三維實體模型，以滿足后續(xù)建模和分析的需求。

2" " 數(shù)據(jù)建模

2.1" " 梯形擬合

采用梯形模型來近似描述刃口的幾何形態(tài)，其中刃口的寬度對應(yīng)于梯形模型的上底長度。通過測量可以得到刃口寬度為15.253 μm，梯形建模得到的刃口形貌如圖6所示。

2.2" " 圓弧擬合

刃口擬合圓的一般方程為：

式中：x為擬合點的橫坐標(biāo)；y為擬合點的縱坐標(biāo)；a1、a2為擬合方程的線性系數(shù)，與圓心位置有關(guān)；a3為擬合方程的常數(shù)項，與圓的半徑有關(guān)。

在處理圓曲線的擬合問題時，若面對的是包含多余觀測值的情境，那么觀測點的實際坐標(biāo)往往無法完全契合預(yù)設(shè)的圓方程，由此不可避免地會產(chǎn)生殘差[9]，擬合的殘差方程為：

式中：vi（i=1，2，…，n）為第i個觀測點的實際坐標(biāo)與擬合圓上對應(yīng)點的坐標(biāo)之間的差異；xi（i=1，2，…，n）為第i個觀測點的橫坐標(biāo)；yi（i=1，2，…，n）為第i個觀測點的縱坐標(biāo)；n為觀測點的數(shù)量。

利用其法方程（3）得到該方程最小二乘解：

式中：（xc，yc）為擬合圓弧的圓心坐標(biāo)；r為擬合圓弧的半徑。

對修剪過的數(shù)據(jù)等距選取10個截面，對其進行最小二乘擬合，圓弧平均半徑為5.993 μm，圓弧擬合得到的刃口形貌如圖7所示。

3" " 光學(xué)仿真

利用光學(xué)仿真軟件TracePro對通過不同建模方法構(gòu)建的擋光環(huán)模型進行雜散光抑制效果的仿真分析。在此過程中，將擋光環(huán)的內(nèi)壁設(shè)定為涂有黑漆的表面，并設(shè)置1 000 000條的光線數(shù)量以確保仿真的精確性。為了全面評估模型的性能，對光源入射角5°～50°范圍內(nèi)（每5°作為一個測試點，共計10個離軸角度）進行光線追跡，最后經(jīng)過計算得出系統(tǒng)的PST值，具體結(jié)果如表1所示。

由梯形與圓弧仿真結(jié)果對比可以看出：圓弧刃口對雜散光的抑制效果要優(yōu)于梯形刃口，分別在5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°的光照射下，抑制效果優(yōu)于梯形刃口53.321%、68.694%、73.615%、73.990%、75.243%、74.279%、67.845%、70.550%、69.947%、67.121%，平均提升了約69%。

4" " 結(jié)束語

本文通過采用激光共聚焦顯微鏡技術(shù)，實現(xiàn)了對遮光罩擋光環(huán)刃口微形貌的高精度測量，并構(gòu)建了包含數(shù)據(jù)獲取、去噪、平滑、校準(zhǔn)、截取及建模在內(nèi)的完整測量與數(shù)據(jù)處理流程。在此基礎(chǔ)上，引入了梯形擬合與圓弧擬合兩種建模方法描繪遮光罩擋光環(huán)刃口的幾何形態(tài)。通過光學(xué)仿真軟件TracePro的仿真分析，對比了基于不同建模方法構(gòu)建的擋光環(huán)模型在雜散光抑制效果上的差異。仿真結(jié)果顯示，圓弧刃口在多個入射角下均展現(xiàn)出了更顯著的雜光抑制性能，相較于梯形刃口，其抑制效果平均提升了約69%。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了遮光罩關(guān)鍵表面微形貌對其雜光抑制性能的重要影響，同時也為遮光罩的設(shè)計與優(yōu)化提供了新的思路和方法。

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收稿日期：2024-11-12

作者簡介：陳昂（1999—），男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：遮光罩微形貌。