激光准直系统中的杂散光分析与抑制

针对不同光学系统中存在的杂散光所造成的假信号或信号饱和影响,本文结合像面照度分析和消光环抑制的方法,对准直系统进行分析,找到产生杂散光的主要原因,设计了3种不同结构的消光环以消除杂散光。仿真实验结果确定了最优形式的消光环结构,边缘杂散光抑制最大下限值为0.38%,平均抑制值5.68×10~(-4)%;以此模型为基础,进行了杂散光抑制实验。实验结果表明,带有消光环结构的准直系统可以有效抑制杂散光,保证了后续光学系统的功能实现,对其他杂散光抑制系统具有借鉴作用。     

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。     

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。     

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10-3～10-6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。     

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。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

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。     

基于LitghtTools的激光四象限探测系统仿真

激光四象限探测系统是激光制导武器的重要组成部分,在设计阶段对其性能的准确评估有利于设计方案的迭代和优化。采用LitghtTools软件对四象限探测系统进行了仿真建模。通过建立目标模型、光学系统模型和四象限探测器模型,可以有效地对系统进行仿真,并结合四象限探测系统原理,得到角度偏差的和差比幅值;建立的模型可以对系统的杂散光进行仿真,评估杂散光对系统的影响;另外,还可以模拟激光散斑效应,分析散斑特性对探测系统输出和差比幅值的影响,通过LitghtTools软件建模和仿真为设计优化提供了准确的依据。最后,通过实验对仿真模型进行验证,在±15°范围内仿真得到的和差比幅值和实验结果基本一致。     

基于散射模型设计外遮光罩

通过对粗糙表面散射情况的分析发现,普通金属材料的表面散射能量主要集中在10°散射角内。针对这种现象,提出了基于该散射特性的光学系统外遮光罩设计方法,该遮光罩的杂散光抑制角比基于反射理论计算的大5°,具有良好的散射杂散光的抑制作用。最后以Ritchey-Chirtien(R-C)光学系统为例,为其设计了合适的遮光罩,并在TracePro软件中对比性地建模、分析。结果证明了该模型的正确性,且该遮光罩对抑制杂散光起到了很好的效果,点源透射比(PST)相对较低。     

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%。     

300～1100nm多波段成像光学系统设计及杂光分析

设计了一套300～1100nm多波段光学系统,该系统能对目标的近紫外、可见光和近红外3个波段同时成像,可满足目标多波段信息探测的要求。由于在光学系统中镜筒内壁反射和棱镜表面反射会产生杂光和鬼像,因此,利用Light—Tools软件对此系统的杂光和鬼像进行了模拟分析。模拟结果表明,视场之外11．7—18．3°和-11．7～-18．3°的入射光线被胶合棱镜上下表面反射后,会聚焦到3个探测器靶面范围内,形成鬼像;6．2°-9．8°和一6．2°--9．8°的入射光线被镜筒反射后会在3个探测器上形成杂光。利用设计的多波段光学系统进行了相关实验,结果证明了模拟分析的正确性,表明此分析能用于指导多波段光学系统的设计和研制。提出了减少杂光和鬼像的相应措施,实验结果验证了提出的措施能够减少杂光及消除鬼像,提高系统成像质量。     

风云二号辐射计百叶窗式遮光罩杂散光抑制研究

风云二号卫星扫描辐射计为视场分光方式的R-C光学系统,视场外的杂光掠过次镜穿过主镜孔直接混入信号光路照射在焦面上,形成直射杂光。为了消除该直射杂光,使用TracePro软件对辐射计模型进行正追和倒追,都追到了直射杂光的存在,利用Zemax软件仿真找出了该直射杂光的形成机理,并计算出该直射杂光域。根据仿真和计算,设计了可以透信号光阻挡杂散光的叶片状次镜遮光罩。软件仿真表明:百叶窗式遮光罩可以彻底抑制该区域可见直射杂光,积分球实验也验证了该百叶窗式遮光罩可以降低辐射计95.2%的可见杂光。     

折/衍混合LWIR凝视成像系统的杂散光分析

本文对一折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析,在此LWIR系统中,含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)。本文中,对DOE的不同衍射级次、光学表面的多次反射、镜筒内壁的反射等主要杂散光源利用LightTools软件进行了分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01W/mm2的辐照度;对于反射率为10％的镜筒内壁,带来的像面辐照为0.01W/mm2。并利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制。     

共形光学系统瞬时视场外杂散光的分析及处理

针对空间成像光学系统的像质容易受到瞬时视场外杂散辐射的影响,利用杂散光分析软件建立一个共形光学系统光学机械结构模型,并对其进行反向光线追迹,从而确定出该系统中对瞬时视场外杂散辐射光的聚集贡献较大的关键表面及视场外杂散辐射光的主要传递路径.采用在系统中加入多级挡光环辅助结构的方式获得了100%的瞬时视场外杂散光屏蔽效果.该设计方案具有简单易行的特点.     

用于眼轴长度测量的弱光信号检测系统设计

在眼内入射光安全的前提下，由于眼轴长度测量时角膜表面与视网膜色素上皮层2个反射面的反射率相差较大，反射的光信号强度属于微弱信号范畴。为了能够去除噪声，快速提取该信号的峰值用于眼轴长度起止点计算，采用PIN光电二极管接收微弱光信号并配合I-V转换电路、自动增益控制电路及后级处理电路搭建了一套弱光信号检测系统。实验采用ZIESS模拟眼进行测试，结果表明设计的检测系统最小能探测到0.77 nW左右的微弱光信号，最大光电转换能力可达4.5×108 V/W，信噪比达到9 dB以上，测得眼轴长度结果与实际值最大存在0.05%的误差。系统具有低噪声、高增益、大动态范围等优点，为实现眼轴长度精准测量提供了一种有效方案。     

红外光学系统的污染镜面杂散辐射分析

以卡塞格伦结构为例,利用ASAP光学分析软件,建立了红外光学系统的三维仿真模型,在光学元件表面存在均匀分布和非均匀分布的微粒污染情况下,对红外光学系统的杂散辐射特性进行了仿真和比较分析,对影响系统杂散辐射特性的主要因素进行了讨论,并对系统中机械元件的杂散辐射路径进行了分析。在此基础上,采用有效发射率对系统的杂散辐射性能进行了评价,讨论了镜面污染程度对红外光学系统杂散辐射性能的影响。