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。     

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。     

离轴反射式空间天文望远系统设计及其杂散光抑制研究

为满足天文望远系统大F数、长焦距、轻小型化、高成像质量、高消杂光比等要求,采用库克离轴三反消像散(TMA)光学结构形式,设计了参数为焦距f′=24m,F数16,视场1.6°×1°的离轴望远系统。设计了系统的外遮光罩及其挡光环,并对系统内部的杂光陷阱结构进行优化。利用杂光分析软件对系统的点源透射率(PST)进行仿真计算,结合正向追迹和反向追迹两种方法寻找关键面与关键路径,反复迭代优化改进相应光机结构。设计及仿真结果表明,系统各视场光学传递函数均接近衍射极限,视场外规避角40°时,PST小于10-11,满足空间天文望远系统对成像质量和杂光抑制的要求。     

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。     

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.     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.     

逐级优化制定离轴三反射光学系统加工装调公差

逐级优化法是根据离轴三反射光学系统结构参数的像差灵敏度系数大小来确定主镜、次镜和第三反射镜的加工次序的。其方法是逐级优化确定各光学零件的加工公差,加工完成后测量光学元件结构参数,代入光学设计软件进行优化,进而确定光学系统的装调公差。采用该方法制定三反射系统的加工装调公差时将加工和设计过程有机的结合起来,在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到最大程度地放松。     

离轴三反望远镜轴向与横向失调量像差耦合特性

为了保证离轴三反空间望远镜地面装调阶段及在轨调整阶段的成像质量,本文基于矢量像差理论从内在机理层面揭示了轴向失调与横向失调对像差影响的耦合特性,重点分析了两类失调耦合特性产生的补偿关系：（1）针对轴向失调补偿横向失调,揭示了装调过程中系统像质可能处于局部极值的一类工况;（2）针对横向失调补偿轴向失调,提出利用在轨横向失调引入的像散、彗差补偿轴向失调引入的像散、彗差的补偿策略（离焦不能补偿）。本文以实验室现有的一套离轴三反系统为例,充分验证了解析关系的准确性。仿真和实验证明：当系统同时存在轴向失调和横向失调时,系统成像质量也可能达到衍射极限（1/14λ）,但系统像质处于局部极小值;望远镜在轨处于失调状态且离焦较小时,可以优先通过校正横向失调以完成系统像质校正,RMS波前误差改变量小于0.02λ。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

月基光学天文望远镜（LOT）的杂散光分析

杂散光分析是保证月基光学天文望远镜（LOT）成像质量的关键技术之一．本文对月基光学天文望远镜进行了详细的杂散光分析，确定了系统的一次、二次散射路径．根据重要杂散光路径提出对主、次镜内遮光罩的改进方案，对改进后系统重新分析，计算了杂散光评价指标PST．和改进前相比，PST值降低了1～2个量级，离轴角为30°以后，PST值均达到10^-10量级．     

一种新型离轴三反式光学系统的设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论的基础上,设计了一个焦距f=1000 mm,相对孔径D/f=1/4,视场角2w=3°的离轴非球面三镜反射系统,讨论了优化方法和各参量对系统结构和像差的影响.     

发光二极管光谱测量中的杂散光与带宽校正

光谱仪的杂散光和带宽是LED光谱测量中比较重要的两个误差影响因素,为了得到更精确的测量结果,必须对杂散光和带宽影响进行校正.用He-Ne激光测出光谱仪的线扩展函数,在假设光谱仪是线性波长不变系统的前提下,构建杂散光分布函数矩阵,转化为杂散光校正矩阵,从而对所测信号进行杂散光校正;在三个波段内分别由光谱仪带宽函数计算带宽校正系数,将被测波长点及其邻近带宽波长点上的测量结果进行加权平均,从而得到带宽校正结果.将两种校正方法应用在一台多通道快速光谱仪上,测量各种颜色的LED,实验结果表明能有效地校正杂散光和带宽影响,色品坐标最大校正了(-0.003,0.007).且该方法降低了应用成本,在保证精度的情况下简化了计算量,使得校正更易于实施.     

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.     

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。     

大型离轴三反空间相机前框架优化设计与试验

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度,针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点,设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构,并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机,并对整机进行有限元分析.结果表明,光轴呈水平状态,次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″,次镜相对于主镜的偏心为0.021mm,均在光学系统公差要求范围内.此外,对前框架结构进行自由模态分析与试验,结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷,能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.     

侧面遮拦式日晕光度计的杂散光理论分析

提出了一种侧面遮拦结构的日晕光度计,在镜筒内通过设置多层挡板结构逐层抑制处于内视场的挡板边缘衍射光,同时采用倾斜布置的上挡板结构抑制处于外视场的入射窗口边缘衍射光和侧壁散射光.建立数学模型对这些杂散光抑制挡板进行了仿真计算,结果表明,优化各挡板的几何参数后,日晕光度计的设计视场可达3.5～10个太阳半径,视场内的杂散光水平均可低于10-8平均太阳亮度.相对于高山天文台的日晕光度计在4～8个太阳半径的视场内总杂散光达到10-2平均太阳亮度,该日晕光度计扩展了可观测视场,并使杂散光抑制提高了一个量级.     

傅里叶变换光谱仪多次反射杂光对调制度的影响分析

为满足遥感探测领域对高光谱干涉探测仪的高信噪比和高光谱分辨率的要求,针对我国目前在研高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪,详细分析了采用分束器及补偿器分光方案的迈克尔逊干涉仪中,增透面上多次反射杂光对光谱仪调制度的影响。分析表明增透面透过率越低,光谱仪调制度越低。理论分析发现,引入分束器和补偿器的楔角和倾斜角可以实现正常光斑与多次反射光斑分离,从而减弱甚至消除多次反射杂光的影响。通过理论计算给出了二次反射杂光与正常光路夹角与楔角和倾斜角的关系式,并依据光斑分离要求确定了楔角和倾斜角优化方法。由于干涉仪结构参数的相互关联特性,在优化楔角和倾斜角后,需要对入射角进行调整,使得反射光路与透射光路关于分束面对称,以消除其对光谱分辨率的影响;需要对补偿器厚度进行调整匹配,消除由于角度调整引入的正常光路光程差改变导致的调制度下降。按此步骤进行设计优化,在保持原有高精度设计指标的前提下,可消除干涉仪多次反射杂光的影响,该干涉仪优化设计步骤及结构参数调整方法适用于采用分束器补偿器分光方案的傅里叶变换光谱仪。