全天時(shí)星敏感器視場選通成像系統(tǒng)的微開關(guān)陣列設(shè)計(jì)

方亮，汪為民，王強(qiáng)，程欣，范真節(jié)，張輝，趙汝進(jìn)，劉恩海

（1 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209）

（2 中國科學(xué)院光電精密測量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209）

（3 微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209）

（4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（5 重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引言

星敏感器是一種以恒星作為參考源的姿態(tài)測量敏感器，具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、可不依賴其他設(shè)備進(jìn)行全自主姿態(tài)確定的優(yōu)點(diǎn)，已在衛(wèi)星平臺上得到廣泛應(yīng)用［1］。將星敏感器由大氣層外太空環(huán)境擴(kuò)展到近地空間環(huán)境使用，可使艦船、飛機(jī)、高空氣球等近地空間平臺擺脫對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，具有廣泛的應(yīng)用前景［2-4］。

相比于天基星敏感器，近地空間星敏感器面臨著強(qiáng)烈天空背景光的干擾，為了能夠在強(qiáng)天光背景條件下實(shí)現(xiàn)對暗弱恒星目標(biāo)的探測，需要采用一定的方法抑制天空背景光，提高系統(tǒng)的探測信噪比。目前，常用的天空背景光抑制方法是通過紅外光譜濾波，同時(shí)減小探測器單像素立體角來實(shí)現(xiàn)的［5-7］。2006年8月，美國Northrop 公司研制的LN-120G 天文/慣導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)在RC-135 電子偵察機(jī)上完成了首次飛行試驗(yàn)。該系統(tǒng)采用小視場設(shè)計(jì)，視場內(nèi)只探測單顆恒星目標(biāo)，使用機(jī)械轉(zhuǎn)臺等伺服機(jī)構(gòu)對視場內(nèi)的單顆恒星進(jìn)行跟蹤，無法利用傳統(tǒng)多星匹配的方式實(shí)現(xiàn)自主定姿［8］。2008年美國Trex Enterprises 公司申請專利提出了一種自動天文導(dǎo)航系統(tǒng)［9］。該系統(tǒng)通過觀測來自多顆恒星的K 波段或H 波段的近紅外光來進(jìn)行晝夜導(dǎo)航。采用三個(gè)相對大口徑望遠(yuǎn)鏡剛性地安裝在載體平臺上，采用三個(gè)短波紅外相機(jī)實(shí)現(xiàn)同步測量。該方案雖然未采用機(jī)械轉(zhuǎn)臺等伺服機(jī)構(gòu)，但由于采用多套小視場望遠(yuǎn)鏡組合的方案，因此其體積重量較大，難以滿足機(jī)載等平臺的應(yīng)用需求。

近年來，國內(nèi)多家科研院所和高校也開展了全天時(shí)星敏感器技術(shù)相關(guān)研究工作［10-15］，但仍主要采用了大口徑、小視場的光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)需要安裝在二維轉(zhuǎn)動/掃描平臺上或采用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)同步測量。因此，這種傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)龐大、可靠性差以及自主性差等缺點(diǎn)，在小型化平臺應(yīng)用場合存在諸多局限。

基于視場選通技術(shù)的光學(xué)成像系統(tǒng)［16］采用大視場望遠(yuǎn)鏡收集多顆恒星，利用微透鏡與微開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)視場的快速選通，可同時(shí)獲得較大視場和較強(qiáng)的天空背景光抑制能力，有望在白天亮背景下實(shí)現(xiàn)多星探測和星圖匹配，具有體積小、重量輕、精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合近地空間全天時(shí)星敏感器的應(yīng)用。然而，視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)需要使用微開關(guān)陣列對選通視場進(jìn)行快速切換，要求微開關(guān)陣列具有大單元尺寸、高占空比以及較高響應(yīng)速度（響應(yīng)時(shí)間為毫秒或幾十毫秒量級）等特征。

目前，國內(nèi)外僅有詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope， JWST）近紅外光譜儀研究團(tuán)隊(duì)對類似功能的微開關(guān)陣列開展了深入研究，并研制了基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical Systems， MEMS）靜電驅(qū)動的微開關(guān)陣列。該微開關(guān)陣列的單元尺寸為100 μm×200 μm，開口尺寸為87 μm×186 μm，單元開關(guān)數(shù)目可達(dá)365×171 個(gè)［17］。相比較而言，視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)中所需微開關(guān)的數(shù)目相對較少，但要求微開關(guān)單元的開口尺寸達(dá)到毫米量級。顯然JWST 近紅外光譜儀中的微開關(guān)陣列無法滿足視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)的需要。為實(shí)現(xiàn)視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)對瞬時(shí)小視場的快速切換功能，需要對微開關(guān)陣列這一關(guān)鍵核心器件開展深入研究。

1 微開關(guān)陣列的設(shè)計(jì)要求

圖1 為基于視場選通技術(shù)的全天時(shí)星敏感器成像系統(tǒng)光路示意。無窮遠(yuǎn)的恒星信號光由前端像方遠(yuǎn)心望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)成像于一次像面；由微透鏡陣列和微開關(guān)陣列對一次像面的視場進(jìn)行細(xì)分和選通；再由后端共焦面成像系統(tǒng)對一次像面上被選通視場內(nèi)的恒星像進(jìn)行放大成像；最后由探測器接收被選通視場內(nèi)經(jīng)放大成像后的恒星像。通過微開關(guān)的快速切換，可以實(shí)現(xiàn)對全視場范圍內(nèi)恒星像的快速選通。由于系統(tǒng)每次觀測時(shí)僅選通一個(gè)很小的瞬時(shí)視場，使得探測器單像素對應(yīng)立體角較小，因此，具有較強(qiáng)的天光背景抑制能力。另一方面，由于前端望遠(yuǎn)鏡可以提供一個(gè)較大的視場，因此，通過微開關(guān)陣列的快速切換，該系統(tǒng)同時(shí)具備大視場和強(qiáng)天空背景光抑制能力，有望在白天亮背景條件下實(shí)現(xiàn)多星探測和星圖匹配，為實(shí)現(xiàn)匹配式全天時(shí)星敏感器的高精度定姿定位提供一種有效的技術(shù)途徑。

圖1 基于視場選通技術(shù)的全天時(shí)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of all-day star sensor optical system based on field of view gating

為驗(yàn)證基于視場選通技術(shù)的全天時(shí)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的視場選通成像功能，綜合考慮天空背景輻射、極限探測星等、探測概率等多種因素，初步設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在短波紅外波段的視場選通成像系統(tǒng)，其光路如圖2。該系統(tǒng)的工作波段為1.3～1.7 μm，有效口徑為100 mm，視場為Ф5°，系統(tǒng)的總焦距為1.5 m，瞬時(shí)選通視場大小為Ф0.4°，探測器像素尺寸為20 μm×20 μm，對應(yīng)單像素視場為2.8″，有效像素?cái)?shù)目為512×512。考慮到前端望遠(yuǎn)鏡視場較大，同軸反射式光學(xué)系統(tǒng)難以獲得較好的像質(zhì)，同時(shí)為了使光學(xué)系統(tǒng)更加緊湊，前端望遠(yuǎn)鏡采用了折反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)；在一次像面后為兩組平凸微透鏡陣列和一組微開關(guān)陣列，用于對一次像面進(jìn)行細(xì)分和選通，微透鏡和微開關(guān)單元的尺寸均為4 mm，單元數(shù)均為7×7；后端共焦面成像系統(tǒng)為復(fù)雜化的petzval 結(jié)構(gòu)，將配合各組微透鏡單元將選通視場內(nèi)的恒星成像至同一個(gè)探測器上。值得注意的是，視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)中微透鏡和微開關(guān)陣列的單元數(shù)將決定視場選通成像通道的數(shù)目，通道數(shù)越多，則能夠觀測的恒星數(shù)越多。通常來講，星敏感器對至少3 顆星的觀測即可實(shí)現(xiàn)星圖匹配。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的報(bào)道，口徑100 mm、單像素視場為3.3″的光學(xué)成像系統(tǒng)配備低噪聲相機(jī)，在海拔6 km 高度處可以觀測到H 波段4 等星，全天區(qū)H 波段4 等星的數(shù)目約16 500 顆。考慮到全天區(qū)約有41 253 平方度，當(dāng)選通視場大小為Ф0.4°、成像通道數(shù)為7×7 時(shí)，系統(tǒng)的有效視場約為7×7×π×0.22平方度=6.15 平方度，則能觀測到恒星的平均數(shù)約為6.15/41 253×16 500 顆=2.5 顆恒星。若將系統(tǒng)應(yīng)用于海拔10 km 的機(jī)載平臺，天空背景輻射將更小。同時(shí)，由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的單像素視場更小，更有利于對天空背景的抑制，因此，系統(tǒng)將觀測到更暗的星等，有能力在有效視場內(nèi)平均觀測到3 顆以上的恒星。此外，增加前端望遠(yuǎn)鏡的視場還可以增加系統(tǒng)的成像通道數(shù)，提高系統(tǒng)對多顆恒星的探測概率，滿足全天時(shí)星敏感器的需要。

圖2 視場選通成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)光路圖Fig.2 The designed optical path diagram of FOV gated optical imaging system

采用點(diǎn)列圖對不同選通視場的成像質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。圖3（a）、（b）分別為系統(tǒng)中心選通視場（?0.2°～0.2°）和邊緣選通視場（2.1°～2.5°）內(nèi)的點(diǎn)列圖分布。從圖3（a）中可以看出，中心選通視場內(nèi)各子視場的點(diǎn)列圖均方根直徑最大值為27.55 μm，恒星像大部分光線落在艾里斑內(nèi)，像斑質(zhì)量較好。從圖3（b）中可以看出，邊緣選通視場內(nèi)各子視場的點(diǎn)列斑均方根直徑最大值為36.55 μm，恒星像大部分光線也落在艾里斑內(nèi)，滿足光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求。

圖3 系統(tǒng)中心選通視場和邊緣選通視場內(nèi)的點(diǎn)列斑分布Fig.3 Distribution of spots in the center gated FOV and the edge gated FOV of the system

微開關(guān)陣列置于微透鏡陣列組后面，其中的微開關(guān)單元與微透鏡單元的位置一一對應(yīng)。每個(gè)微開關(guān)單元相當(dāng)于一個(gè)孔徑光闌，其單元尺寸為4 mm。每個(gè)微開關(guān)單元為獲得更大的有效孔徑，其開口尺寸應(yīng)該盡量大，按面積占空比為90%計(jì)算，開口尺寸應(yīng)不小于3.8 mm×3.8 mm。另外，考慮到一次像面的大小以及微開關(guān)陣列實(shí)際應(yīng)用中對其響應(yīng)時(shí)間限制的要求，微開關(guān)陣列的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1。

表1 微開關(guān)陣列主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求Table 1 Design requirements of microshutter array

2 微開關(guān)陣列的設(shè)計(jì)

針對微開關(guān)陣列大單元尺寸、高占空比和較高響應(yīng)速度等要求，擬采用基于靜電驅(qū)動的工作原理和基于體硅加工工藝的微開關(guān)單元設(shè)計(jì)。圖4 是微開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)及工作原理示意，考慮到微開關(guān)單元口徑較大，設(shè)計(jì)中采用了兩塊矩形薄板作為擋光層，通過支撐梁與襯底相連，且與襯底之間還有一層絕緣層。值得注意的是，矩形薄板同時(shí)還作為上電極，可與襯底側(cè)面的下電極配合形成靜電場。在不加載電壓的狀態(tài)下，兩塊矩形薄板并攏，即為器件的關(guān)態(tài)，阻止光通過。當(dāng)給矩形薄板和襯底施加直流電壓，則電極之間的電勢差將會使得矩形板向襯底傾斜90°，打開兩塊板之間的光通路，即為器件的開態(tài)。一旦撤去電壓，則矩形板在支撐梁的彈性回復(fù)力作用下回復(fù)到初始位置，恢復(fù)器件的關(guān)態(tài)。通過加載和撤去驅(qū)動電壓可以實(shí)現(xiàn)器件開態(tài)和關(guān)態(tài)的切換。

圖4 微開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)及工作原理示意Fig.4 The structure and principle of a microshutter element

將開關(guān)單元在二維平面內(nèi)組成陣列，通過單獨(dú)控制陣列中各單元的電壓，就可實(shí)現(xiàn)對某一通道的阻斷和開通。圖5 是7×7 單元微開關(guān)陣列的三維示意。

圖5 微開關(guān)陣列的三維示意Fig.5 Three-dimensional schematic of the microshutter array

考慮到微開關(guān)陣列基于MEMS 體硅SOI 工藝加工，因此微開關(guān)材料選用單晶硅，相應(yīng)的材料參數(shù)為：楊氏模量160 GPa、泊松比0.226、許用應(yīng)力1 GPa、密度2.33×103kg/m3。以此參數(shù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對微開關(guān)單元的電極長度、支撐梁的寬度、厚度、長度及數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析。

從圖4 可以看出，微開關(guān)單元的電極包括上電極和下電極。上電極的寬度為矩形薄板的寬度，即2 mm；而下電極寬度即為晶圓襯底的厚度，一般為400 μm。電極的有效寬度由上下電極中較短的尺寸決定，因此微開關(guān)單元的電極寬度確定為400 μm。支撐梁的設(shè)計(jì)會對性能指標(biāo)如電壓、應(yīng)力、開關(guān)時(shí)間、抗沖擊性能等產(chǎn)生影響。由于抗沖擊性能需要考慮x、y、z三個(gè)軸的總體效果，因此可知梁的寬度和厚度相等是最優(yōu)的?？紤]到成本的因素，顯然厚度越薄越好，而梁的最小寬度是由光刻工藝精度決定的，目前常規(guī)MEMS 工藝光刻最小寬度為2 μm，因此，選取梁的寬度和厚度均為2 μm。由于支撐梁的厚度與矩形薄板的厚度一致，所以矩形薄板的厚度也為2 μm。

基于對稱性原理，梁的個(gè)數(shù)需取偶數(shù)，接下來分析當(dāng)梁的個(gè)數(shù)分別為2、4、6 時(shí)，不同梁長對驅(qū)動電壓和響應(yīng)時(shí)間的影響。

在所述微開關(guān)單元結(jié)構(gòu)中，支撐梁的驅(qū)動電壓可以表示為［18］

式中，ε0和εr分別為真空介電常數(shù)以及空氣的相對介電常數(shù)，θ為轉(zhuǎn)動的角度，l是電極的長度，這里等于矩形薄板的長度，即3.8 mm。設(shè)計(jì)中，電極最近端距扭轉(zhuǎn)軸的距離d1取10 μm，由于電極寬度為400 μm，因此遠(yuǎn)端距扭轉(zhuǎn)軸的距離為d2=410 μm。k為支撐梁的扭轉(zhuǎn)彈性常數(shù)，表示為

式中，n為支撐梁的數(shù)目，L為支撐梁的長度，G為剪切彈性模量，其表達(dá)式為

式中，E為楊氏模量，μ為泊松比。Ip為抗扭剛度常數(shù)，表示為

式中，w和t分別為支撐梁的寬度和厚度。

根據(jù)式（1）～（4）和上述參數(shù)的取值，可得到當(dāng)梁的個(gè)數(shù)分別為2、4、6 時(shí)，驅(qū)動電壓與梁長度的關(guān)系如圖6。

圖6 當(dāng)梁的個(gè)數(shù)分別為2、4、6 時(shí)，驅(qū)動電壓與梁長度的變化關(guān)系曲線Fig.6 The variation curve of driving voltage with cantilever beam length when the number of cantilever beams is 2， 4， and 6， respectively

由圖6 可以看出，驅(qū)動電壓隨支撐梁的個(gè)數(shù)增加而增加，隨支撐梁的長度增加而減小。為保證較小的驅(qū)動電壓，支撐梁的數(shù)目應(yīng)該取2 個(gè)，且當(dāng)梁的長度分別為200 μm、300 μm 和400 μm 時(shí)，所需的驅(qū)動電壓分別為114 V、91 V 和82 V。當(dāng)梁的長度繼續(xù)增加時(shí)，驅(qū)動電壓將繼續(xù)減小，但當(dāng)梁的長度增加至1 mm 以后，驅(qū)動電壓將降至50 V 左右，且不再明顯減小。

另一方面，微開關(guān)單元的響應(yīng)時(shí)間由式（5）決定，即

式中，V為驅(qū)動電壓，J是微開關(guān)單元繞扭轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動慣量，且有

式中，ρ為微開關(guān)的材料密度，D為微開關(guān)扇面的寬度，d是扭轉(zhuǎn)軸到微開關(guān)近端的距離。

空氣阻尼c表示為

式中，Q是品質(zhì)因子，其大小反映空氣阻尼的大小，Q越小則空氣阻尼越大，在微米尺度下Q的保守取值約為10。f是微開關(guān)的扭轉(zhuǎn)諧振頻率，表示為

通過求解微分方程式（5）可得到梁的轉(zhuǎn)動角度與時(shí)間的關(guān)系，微開關(guān)單元的響應(yīng)時(shí)間即為梁的轉(zhuǎn)動角度θ從0°轉(zhuǎn)到90°所需的時(shí)間。根據(jù)式（5）計(jì)算了支撐梁長分別為200 μm、300 μm 和400 μm 時(shí)微開關(guān)單元響應(yīng)時(shí)間，如圖7。

圖7 支撐梁長分別為200 μm、300 μm 和400 μm 時(shí)微開關(guān)單元的響應(yīng)時(shí)間Fig.7 Response time of a microshutter element when the length of cantilever beam is 200 μm， 300 μm and 400 μm， respectively

從圖7 可以看出，支撐梁越長，則響應(yīng)時(shí)間越長，為滿足25 ms 的響應(yīng)時(shí)間要求，支撐梁的梁長取200 μm。

綜合上述分析過程，微開關(guān)單元的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 微開關(guān)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Design results of microshutter element parameters

3 微開關(guān)陣列的仿真分析

3.1 微開關(guān)單元驅(qū)動的仿真模擬

首先使用Ansoft Maxwell 電磁場仿真軟件對所設(shè)計(jì)的微開關(guān)矩形薄片在扭轉(zhuǎn)過程中不同角度下的靜電力矩進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真中利用微開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立二維模型，進(jìn)行二維靜電場仿真，并將靜電力對扭轉(zhuǎn)軸的力矩求和，獲得微開關(guān)擋光板的靜電力矩，如表3。

表3 微開關(guān)擋光板所受的靜電力矩仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of electrostatic torque on microshutter

扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)用來描述微開關(guān)擋光板的彈性扭轉(zhuǎn)性能，它由微開關(guān)的材料彈性參數(shù)（主要包括楊氏模量和泊松比）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要包括梁的形狀、數(shù)量、長度、寬度和厚度等）共同決定的，只在幾種非常簡單的梁結(jié)構(gòu)下有解析解，在絕大多數(shù)情況下沒有解析式。本文利用Comsol Multiphysics 有限元分析軟件仿真得到所設(shè)計(jì)支撐梁的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)為1.494×10?9N·m。

最后，根據(jù)靜電力矩和彈性回復(fù)力矩的平衡，聯(lián)合Comsol Multiphysics 和Ansoft Maxwell 軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了不同電壓下微開關(guān)的扭轉(zhuǎn)角度，如圖8。從圖8 中可以看出，當(dāng)驅(qū)動電壓達(dá)到106.4 V 時(shí)開關(guān)將扭轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開態(tài)。該仿真結(jié)果與圖6 中梁的個(gè)數(shù)為2、梁的長度為200 μm 時(shí)所需驅(qū)動電壓的理論計(jì)算結(jié)果114 V 基本一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性和方案的可行性。

圖8 仿真計(jì)算的不同驅(qū)動電壓下微開關(guān)單元的扭轉(zhuǎn)角度Fig.8 The torsional angle of microshutter element under different drive voltages

3.2 微開關(guān)陣列雜光分析的仿真模擬

由于微開關(guān)陣列工作時(shí)僅開啟一個(gè)開關(guān)單元，入射至其他開關(guān)單元的光將會被反射或吸收，其中反射的光線將在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)形成雜散光，進(jìn)而影響探測器像面上天空背景光的分布。因此，根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)布局，利用高級雜散光分析軟件（Advanced Systems Analysis Program， ASAP）對微開關(guān)陣列表面反射率對系統(tǒng)雜散光的影響進(jìn)行仿真分析。圖9 為建立的含有微開關(guān)陣列的視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)雜光分析光機(jī)模型。其中，光學(xué)件表面粗糙度為2 nm，光學(xué)元件鏡面殘余反射率為0.3%，散射采用哈維模型，光學(xué)系統(tǒng)染黑結(jié)構(gòu)件總積分散射值（Total Integrated Scattering， TIS）為0.13，徑向分量為0.01，考慮光線散射兩次。

圖9 視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)雜光分析光機(jī)模型Fig.9 Opto-mechanical model of miscellaneous light analysis for FOV gated optical imaging system

在仿真中將天空背景光設(shè)置為面光源，距離光學(xué)系統(tǒng)最前端鏡片前表面頂點(diǎn)10 mm，面光源的半徑設(shè)置為65 mm，在整個(gè)2π 空間服從朗伯分布。通過Modtran 軟件對10 km 海拔1.3～1.7 μm 譜段內(nèi)天空背景光進(jìn)行估算，設(shè)置光源典型的輻亮度大小為0.036 W/m2·sr，微開關(guān)陣列表面反射率分別為3%、50%和80%，通過對1 000 萬條光線進(jìn)行追跡，得到視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)雜散光分析光路圖，如圖10。

圖10 視場選通光學(xué)成像系統(tǒng)雜散光分析光路圖Fig.10 Optical pathway diagram of miscellaneous light analysis for FOV gated optical imaging system

圖11 是仿真計(jì)算的當(dāng)微開關(guān)表面反射率不同時(shí)天空背景光在探測器像面照度的平均值。從圖中可以看出，隨著微開關(guān)陣列表面反射率從3%增大到80%，天空背景光在探測器像面照度平均值逐漸由1.242×10?10W/mm2增大到1.259×10?10W/mm2，增幅僅1.6%，這表明天空背景光引起的光子噪聲起伏沒有發(fā)生明顯變化。因此，由微開關(guān)表面反射引起的系統(tǒng)內(nèi)噪聲對白天亮背景條件下恒星探測的影響幾乎可以忽略不計(jì)。初步分析，這是因?yàn)楸M管未開啟的微開關(guān)單元反射的天空背景光在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)形成雜散光，但開啟的微開關(guān)單元并未向選通的成像通道內(nèi)反射天空背景光，其他視場內(nèi)的雜散光對被選通視場的雜散光分布影響較小。因此，在微開關(guān)陣列設(shè)計(jì)和加工過程中，無需對其表面反射率作特殊要求。

圖11 仿真計(jì)算的微開關(guān)陣列表面反射率分別為3%、50%和80%時(shí)探測器像面照度的平均值Fig.11 Average illumination at imaging plane when the surface reflectivity of microshutter array is 3%， 50% and 80%， respectively

4 結(jié)論

根據(jù)全天時(shí)星敏感器視場選通成像系統(tǒng)的成像原理和成像特點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)了一個(gè)成像通道為7×7 的視場選通成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的瞬時(shí)選通視場為0.4°，各選通視場的成像通道均能實(shí)現(xiàn)近衍射極限成像。針對該成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于靜電驅(qū)動的單元尺寸為4 mm、開口面積占空比為90%、響應(yīng)時(shí)間為25 ms、單元數(shù)為7×7 的微開關(guān)陣列。考慮到微開關(guān)單元口徑較大，設(shè)計(jì)中采用了兩塊矩形薄板作為擋光層，這兩塊擋光層同時(shí)還作為上電極，配合襯底側(cè)面的下電極，通過加載和撤去驅(qū)動電壓實(shí)現(xiàn)微開關(guān)單元開態(tài)和關(guān)態(tài)的切換。從體硅加工工藝的材料特性出發(fā)，首先確定了微開關(guān)單元電極寬度、支撐梁寬度和支撐梁厚度等參數(shù)，再根據(jù)微開關(guān)單元結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型對支撐梁數(shù)目及長度進(jìn)行了理論分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了微開關(guān)陣列主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用Comsol Multiphysics 和Ansoft Maxwell 仿真分析軟件對微開關(guān)單元的驅(qū)動特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，仿真計(jì)算的微開關(guān)單元驅(qū)動電壓為106.4 V 時(shí)可以開啟微開關(guān)單元，與理論計(jì)算結(jié)果114 V基本吻合，驗(yàn)證了微開關(guān)陣列設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性。同時(shí)，利用ASAP 雜光分析軟件仿真計(jì)算了表面反射率分別為3%、50%和80%的微開關(guān)陣列對引入系統(tǒng)內(nèi)雜散光分布的影響，結(jié)果表明，微開關(guān)單元的表面反射率對系統(tǒng)雜散光的影響較小，對白天亮背景條件下恒星探測的影響幾乎可以忽略不計(jì)。因此，在微開關(guān)陣列設(shè)計(jì)和加工過程中，無需對其表面反射率作特殊要求。本研究為視場選通成像系統(tǒng)的微開關(guān)陣列提供了一種有效的設(shè)計(jì)方案，為視場選通成像系統(tǒng)中微開關(guān)陣列的實(shí)際加工提供了理論依據(jù)。