近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分,是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维/环氧复合材料遮光罩,并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。结果显示,各视场光学系统传递函数检测结果基本一致,均在0.2以上。表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性,能够满足空间应用要求。     

基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究

光学表面加工误差引起的散射是影响光学系统成像性能的重要因素.描述表面总散射能量的均方根粗糙度是评定光学表面粗糙度的通用指标,但因其未能体现散射能量的空间分布,在表征光学表面散射对具体光学系统杂散光性能影响时存在准确度不足的局限.本文基于全积分散射及双向散射分布函数理论,针对杂散光抑制要求提出一种光学表面粗糙度控制的新方法.首先通过分析确定光学表面纹理中影响系统杂散光的空间频率范围,然后度量该频率带限范围内的表面均方根粗糙度,作为控制光学表面粗糙度的指标.以太阳磁场望远镜(MFT)为例进行方法验证,确定主镜表面纹理有效频率范围为0—18 mm~(-1),分析了主镜表面带限均方根粗糙度对MFT杂散光性能的影响.结果表明,带限均方根粗糙度与MFT杂散光性能之间的关系稳定性能大幅提高,由此验证了采用带限均方根粗糙度描述光学表面粗糙度,能更为准确地控制其对具体光学系统杂散光性能的影响.     

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。     

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。     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.     

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.     

具有蜂窝内壁的遮光罩杂散光抑制特性分析

将具有蜂窝内壁结构的遮光罩内的杂散光传播分解为蜂窝结构的散射、内壁等效面传播两个层次的行为。通过建立蜂窝结构的等效面各向异性反射模型,采用蒙特卡罗法模拟获得内壁等效面的双向反射分布函数(BRDF)。以此为基础,再次采用蒙特卡罗法模拟遮光罩内壁等效面的杂散光传播过程,分析了该类遮光罩的杂散光抑制特性,并讨论了蜂窝高度和涂层反射率的影响。结果表明,遮光罩内壁蜂窝结构有很好的杂散光抑制作用;蜂窝高度与边长之比δ≥1时,遮光罩的抑制能力不再变化,降低涂层反射率能够有效地增强抑制效果。     

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。     

R-C系统的遮光罩设计与仿真

针对R-C系统的特点,考虑轴外渐晕的影响,推导出主、次镜内遮光罩尺寸设计的约束公式.讨论了次镜内遮光罩上挡光环的设计方法和位置计算公式,并给出外遮光罩的设计方法.对某R-C望远镜系统进行了遮光罩设计,并用光学软件进行杂散光分析,计算得到方位角分别为0°、45°、90°时的PST曲线.结果表明,当离轴角度大于太阳临界入射角时, PST值小于10－10量级,满足系统要求.     

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.     

Design of CASSEGRAIN telescope baffles with honeycomb entrance

The stray radiation suppression in Cassegrain family optical system is presented. The design method for ultra-short outer baffle with honeycomb structure is proposed. Meanwhile the constraint formulas for designing the geometries of primary baffle and secondary baffle are deduced when basing the characteristic and taking vignette into account. According to the ray trace simulated data, the point source transmit- tance values of the baffle are less than 10-^10 when incident angles are larger than the rejection angle. The honeycomb-look front baffle guarantees a comparable performance of stray light suppression with traditional tube baffle, while reducing the size greatly.     

Simulation and assessment of stray light effects in infrared cameras using non-sequential ray tracing

In this article, we have evaluated the stray light effects in infrared cameras operating in the 3–5 μm waveband having cooled focal plane array detectors. A non-sequential ray tracing method is used to model the multiple reflections from polished lens surfaces as well as diffused scattering from rough mechanical surfaces inside the camera housing. The flux signature on the detector surface due to the self-emission of in-band radiation from the lenses and camera housing is calculated. The flux signature due to sources beyond the nominal field-of-view of the camera is also calculated. Light splitting into multiple diffraction orders from diffractive lens surfaces is taken into account both in the transmission and the reflection paths. The wavelength and angle dependent reflection coefficient of the anti-reflection coatings on the polished lens surfaces is taken into account. The effect of local heating of camera mounts on the stray light signature on the detector surface is also evaluated. The results show that using the non-sequential ray tracing method, useful predictions can be made for the stray light signature in the infrared cameras. Such calculations can be used to identify areas in the camera housing which need to be temperature stabilized to reduce their detrimental stray-light signature.