遮光罩關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刃口的微形貌進行了精確測量，并構建了完整的測量及數據處理流程。在此基礎上，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刃口的形貌。利用光學仿真軟件TracePro對不同建模方法構建的擋光環模型進行了雜散光抑制效果的仿真分析，結果表明，圓弧刃口在雜散光抑制方面優于梯形刃口，其抑制效果在不同入射角下平均提高了約69%。

關鍵詞：遮光罩；激光共聚焦顯微技術；刃口建模；光學仿真

中圖分類號：V448.25+3" " 文獻標志碼：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用的高精度空間姿態測量設備，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信息[1-2]，從而為航天器提供精確的空間方向和基準參照。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致其測量精度降低，重則甚至會造成恒星捕獲功能的失效[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用也已經相當成熟，但對遮光罩的研究大都停留在宏觀結構設計和尺寸優化上[7-8]，關于遮光罩關鍵表面微形貌對其雜光抑制性能影響的研究較少，現在已經無法滿足星敏感器的使用要求，阻礙了航天技術的進一步發展。因此，迫切需要開展遮光罩關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刃口微形貌進行測量，對測量數據進行處理后，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刃口的形貌，并對其進行光學仿真分析，以對比不同建模方法對雜光抑制效果的影響。

1" " 測量流程及數據處理

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，能夠將物體細分為多個光學斷層，并逐層進行精密掃描以形成圖像。這些光學斷層之間具備較高的縱深分辨率，確保了成像結果的清晰度與精確度。基于激光共聚焦顯微鏡的遮光罩擋光環刃口測量流程如圖1所示。

1.1" " 工件安裝及關鍵表面數據獲取

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

1.2" " 數據去噪

測量工件表面時，應測得完整的刃口數據以及刃口和兩側之間的過渡情況。但在遠離刃口的兩側區域，由于可能超出聚焦區域并受到光線反射的干擾，往往難以獲取準確的高度值，這會導致產生大量的噪聲數據。為了提高測量的精確度，對測量數據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，從而影響測量結果。為消除工件傾斜導致的同一視場內的測量表面高度數據誤差，還需對數據進行傾斜度校正，如圖4所示。

1.4" " 截取表面

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

2" " 數據建模

2.1" " 梯形擬合

采用梯形模型來近似描述刃口的幾何形態，其中刃口的寬度對應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；y為擬合點的縱坐標；a1、a2為擬合方程的線性系數，與圓心位置有關；a3為擬合方程的常數項，與圓的半徑有關。

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往往無法完全契合預設的圓方程，由此不可避免地會產生殘差[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與擬合圓上對應點的坐標之間的差異；xi（i=1，2，…，n）為第i個觀測點的橫坐標；yi（i=1，2，…，n）為第i個觀測點的縱坐標；n為觀測點的數量。

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；r為擬合圓弧的半徑。

對修剪過的數據等距選取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" " 光學仿真

利用光學仿真軟件TracePro對通過不同建模方法構建的擋光環模型進行雜散光抑制效果的仿真分析。在此過程中，將擋光環的內壁設定為涂有黑漆的表面，并設置1 000 000條的光線數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（每5°作為一個測試點，共計10個離軸角度）進行光線追跡，最后經過計算得出系統的PST值，具體結果如表1所示。

由梯形與圓弧仿真結果對比可以看出：圓弧刃口對雜散光的抑制效果要優于梯形刃口，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" " 結束語

本文通過采用激光共聚焦顯微鏡技術，實現了對遮光罩擋光環刃口微形貌的高精度測量，并構建了包含數據獲取、去噪、平滑、校準、截取及建模在內的完整測量與數據處理流程。在此基礎上，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刃口的幾何形態。通過光學仿真軟件TracePro的仿真分析，對比了基于不同建模方法構建的擋光環模型在雜散光抑制效果上的差異。仿真結果顯示，圓弧刃口在多個入射角下均展現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%。這一發現不僅揭示了遮光罩關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計與優化提供了新的思路和方法。

[參考文獻]

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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。