星载光学系统遮光罩消杂光结构优化设计方法

本文对星载光学系统遮光罩消杂光结构的优化设计做了初步探讨。提出了遮光罩和挡光环消杂光设计的基本原则．给出了一种二级遮光罩结构寸的优化设计方法和一种遮光罩内壁上挡光环位置优化设计方法，并对一级和二级遮光罩进行了初步的分析比较。     

一种新型挡光环的设计

传统形式的挡光环是将挡光环与遮光罩内壁垂直设置,文中设计的新型挡光环是将挡光环与遮光罩内壁倾斜设置,使入射杂光的反射光线和一部分散射光线在挡光环与遮光罩内壁所夹的空间内多次衰减无法出射,剩余的散射光线也大多逆向光学系统传播,大大消弱了到达探测器的杂散光。新型挡光环的倾角α要始终保持αβ(β为入射杂光与遮光罩内壁的夹角)的分布,才能避免一些照射到挡光环表面上的杂散光直接散射进入光学系统。文中以探测微弱星体的卡塞格林空间相机为例,在外遮光罩内部分别设置2种构型的挡光环,用T racepro软件进行建模与仿真,结果表明:采用新型挡光环的空间相机与采用传统型挡光环的空间相机相比,其探测的星等提高了4个等级。     

大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制

空间相机用于对空间暗弱目标的探测与监视,视场外杂散光的进入会降低像面对比度,严重时甚至会导致相机无法工作。大视场光学系统对杂散光尤为敏感。针对此问题,本文以一大视场空间相机为例,分析其杂散光的来源,通过研究杂光传输机理并总结抑制措施。为满足其轻小型的指标要求,在尺寸限制下分别设计挡光环垂直光轴和倾斜的遮光罩及光阑等消杂光结构。TracePro软件仿真结果显示:倾斜挡光环遮光罩的效果更好,该结构在杂光抑制角外的的点源透过率(PST)均达到10~(-7)量级,系统至少可以满足6. 5星等目标的探测,验证本文消杂光结构方案的有效性,为后续的系统优化提供了一定的参考。     

星载遥感器的挡光环优化设计与分析

空间光学系统的工作环境非常恶劣, 特别是在卫星本地时间的白天。太空中的太阳光、地气光以及各种热辐射构成了严重的背景噪声, 威胁着空间光学系统的成像质量, 甚至导致空间光学系统因无法成像而失去探测能力。挡光环的出现大大改善了背景噪声带来的不良影响, 可以直接阻挡视场外杂光, 从而影响着系统的杂光抑制能力。然而, 由于挡光环的尺寸较小, 当光线入射到挡光环的边缘时就会产生严重的衍射效应, 这种衍射效应对改善表面材料的散射特性起了反作用。因此, 怎样设计结构合理的挡光环成为了遮光罩设计中的重要环节。本文将机械设计中的聚焦组合创新方法应用到空间光学系统的挡光环优化设计中, 提出了新型结构的挡光环。通过与已有挡光环的结构形式做比较, 经计算机仿真, 验证了该新型结构挡光环的抑制杂散光的优越性, 为我国星载遥感器的挡光环设计提供一种新的方法。     

R-C系统外遮光罩挡光环的程序化设计及锥状内遮光罩的改进

基于几何作图法推导出R-C系统外遮光罩内挡光环顶点的坐标公式,利用C语言编程实现程序化设计挡光环.在中心遮光比确定的情况下,推导出内遮光罩的顶点坐标公式,并将通常使用的主镜一级锥状遮光罩改进为二级锥状遮光罩,以高速摄影系统的R-C型折反式主物镜为例,对其主镜和次镜内遮光罩进行设计,并给出设计结果.当轴角为70°,遮光罩为二级和一级时,到达像面的杂散光照度分别为1.082 3×10-12 W/m2和1.661 4×10-10 W/m2,相差二个数量级,证明改进的二级遮光罩优于一级遮光罩,能有效抑制杂散光.最后,设计了主、次镜间镜筒内壁上等高挡光环,进一步抑制了R-C系统的杂散光.     

折反式大口径星敏感器光学设计及杂散光分析

大口径星敏感器已成为卫星导航领域的迫切需求,根据大口径和轻量化的研究目标,采用R-C系统和球面补偿透镜组相结合的结构型式,设计了一个视场1.8°、焦距719 mm,入瞳直径164 mm,工作波段0.45~0.9μm的折反式大口径星敏感器光学系统,采用像方远心设计,降低了像面离焦对能量质心位置计算的影响,同时提高了像面照度均匀性。根据像差理论计算初始结构参数,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,设计结果表明,光学系统遮拦比0.317,光学传递函数在特征频率26 lp/mm处,大于0.81,成像点80%的能量集中在3×3像元内,垂轴色差小于2μm,最大质心偏差小于2μm。采用内遮光罩、外遮光罩、次镜遮光罩和挡光环等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,在离轴角6°~90°范围内,点源透射比在10-7~10-4量级,满足应用要求。     

偏视场用三反射系统的一次杂光问题研究

介绍了传统的二反射系统的杂光设计方法,研究了偏视场用三反射系统的杂光域与光阑位置的关系;指出了在线遮栏比较小(如1/4)和半视场角比较大(如0.77°)的情况下,设计时可不考虑用外遮光罩消一次杂光;给出了在不使用外遮光罩消一次杂光的情况下,决定主镜上内遮光筒和次镜上内遮光罩的长度的方法,此时系统线遮栏比为1/2.6;由于飞行方向与垂直方向视角不同,主镜上遮光筒和次镜上遮光罩的形状可以设计成非轴对称形状,并可使系统线遮栏比降为1/3.3;在此基础上提出了进一步减少系统遮栏比的方法,使线遮栏比降为1/3.6.     

复合光学系统杂散辐射分析及抑制

以双谱段光谱仪为例，针对前端为卡塞格林结构形式的复合光学系统，设计了一种杂散辐射抑制装置。该装置含有外遮光罩1、外遮光罩2和2个内遮光罩，其中外遮光罩2有效地阻挡了直接进入光学系统的外杂散光。该装置可抑制各谱段的杂散辐射，其中可见光支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差7~8个数量级，近红外支路杂散辐射抑制后的杂光PST与信号光PST相差5~6个数量级。该装置可提高光谱仪工作时段，性能稳定有效，且系统图像不受杂散光影响。     

星敏感器杂散光抑制设计与验证

以杂散光在探测器像面平均照度低至6等星为例，首先从理论及工程应用角度对星敏感器遮光罩进行论证、设计、仿真、测试，并提出在遮光罩设计阶段应该充分结合光学镜头、星点提取算法、技术要求特点，确定遮光罩有效通光口径、视场、外形包络尺寸、消光性能；其次，利用几何作图的方法确定遮光罩挡光环位置、刃口倒角角度、刃口倒角朝向，并建立起散射关键面；然后，根据仿真过程中一次散射与多次散射对像面照度的影响确定刃口厚度；最后，通过仿真和实验室测试方式证明所设计的遮光罩结构合理，可满足太阳光抑制低至6等星，星敏感器受杂散光影响测量精度偏差在2″以内。     

超分辨卫星载荷光学系统杂散光抑制

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力,需对系统杂散光进行抑制,以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式,分析了系统杂散光,确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析,在限制范围内,不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置,得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下,验证了该杂散光抑制方案的有效性,为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.     

微型拉曼光谱仪杂散光分析及抑制方法的改进

作为一个微弱光信号探测系统,拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。针对微型拉曼光谱仪系统,结合光学设计和三维建模优化了其光机结构,系统分辨率为0.7 nm,体积为110 mm×95 mm,属便携式微型拉曼光谱仪,并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光,然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进,改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间,且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%,杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7,在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光,将更加有利于微弱信号的探测,为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。     

多目标复合半实物仿真系统的杂散光分析

杂散光分析已经成为光学系统设计中必须考虑的关键因素之一。基于蒙特卡洛法,利用TracePro软件进行建模仿真,对多目标复合半实物仿真系统的杂散光进行了分析。仿真结果表明仿真系统的杂散光主要来自两方面:一是扩束光束经主反射镜边缘反射的未复合光束;另一个是由于仿真系统关键元件自发辐射产生的杂散光。根据杂散光系数和元件制冷温度的关系得出:当制冷温度为200 K时,仿真系统的杂散光系数小于2%。分析结果对导弹的多目标复合半实物仿真系统的设计具有重要的指导意义。     

Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software北大核心CSCD

为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。     

小型化全景系统的杂散光分析与抑制方法研究

由于全景环带光学系统的头部单元结构形式复杂，内部光路经过多次反射与折射，杂散光情况比较严重，因此全景环带光学系统设计过程中对杂散光的分析尤为重要。文中着重分析全景环带光学系统头部单元中产生杂散光的形式，对未经全景环带光学系统头部单元反射的杂散光建立消杂光数学模型，在此基础上对全景环带光学系统行了优化设计；对全景环带光学系统中头部单元胶合面反射的杂散光采用一种凸向像面的弯月胶合镜的形式进行抑制，并通过ASAP软件建模仿真。仿真结果显示，杂散光能量降低90%，证明采用的结构形式和消杂光数学模型有效地抑制了杂散光的产生。     

离轴三反射望远镜遮光罩设计与杂光分析

分析了离轴三反射望远镜的杂散光特性,给出了遮光罩设计的基本原则并进行了初步的设计.根据系统所要探测到的极限星等,通过计算得到了望远镜光学系统的点源透射比所必需满足的条件;在Tracepro杂光分析软件中建模,在方位角为0°、45°、90°、135°和180°时分别对0.1°～80°之间共15个离轴角度进行了光线追迹,通过计算得到了系统的PST曲线.结果表明,系统PST整体上是下降的且在离轴角30°以后接近指标要求,但在方位角0°和180°时,PST曲线在个别角度有突增的现象,通过光线追迹数据,得到了主要的杂光传输路径,提出了对遮光罩的修改方案并对其进行了修改.最后对改进后的系统重新进行了仿真分析.仿真结果表明,系统的杂光抑制能力达到了指标要求.     

基于LCoS拼接技术的动态星模拟器光学引擎的优化设计

为了降低基于硅基液晶拼接的动态星模拟器背景杂散光,对传统的光学引擎进行优化,提出一种多偏振分光棱镜组合方式,并对其光机结构进行设计.阐述了光学引擎照明系统的设计方案,讨论了降低视场角、增强均匀性的方法.通过Tracepro对照明光学系统进行仿真,对照明光源设计方案的可行性进行了验证.实验结果表明:优化后的动态星模拟器杂散光辐照度降低了2.93倍.优化后的光学引擎有效地抑制了背景杂散光,并且增强了两片反射式硅基液晶对比度的一致性.     

一种折反式光学系统的消杂光设计

针对一种折反式光学系统相机遇到的消杂光问题,根据杂光计算结果对相机进行了消杂光设计,通过试验对杂光计算结果进行了验证,试验结果与计算结果吻合,验证了消杂光设计的正确性。进行消杂光设计后,相机的杂光系数满足设计指标要求,有效地减小了杂光对图像质量的影响。     

三线阵测绘相机光学系统的杂光分析与计算

针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题,根据光学系统的设计结果,对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算,提出了合理的杂光抑制措施。利用ThermalDesktop软件和Light—Tools软件,对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算,得到其杂光系数均小于5％。最后进行了光学实验,并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。