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。     

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。     

反射式内掩日冕仪的光学设计与杂散光分析

日冕仪的工作特点决定了其对杂散光抑制要求极其严格。根据反射式日冕仪的工作特点,通过分析其光学特性以及其抑制系统杂散光的基本原理,设计了反射式内掩日冕仪系统。其中,视场0.67°、口径47mm、焦距768mm、系统总长1200mm,系统在30lp/mm处的MTF值大于0.6,弥散斑半径小于2.5um,成像质量达到衍射极限。通过分析系统杂散光特点,建立了消杂散光结构,使得系统的主要杂散光源被全部抑制。本系统可做到大约10-6-10-8B⊙的杂散光抑制水平,可以实现对日冕的清晰成像观测。     

新型折反射式连续变焦系统设计

针对长焦距、折反射式连续变焦望远系统的设计,提出了一种新的光学结构形式.该结构形式将可变光阑放置于球面主反射镜附近,避免了在变焦部分中使用浮动的可变光阑;然后利用二次成像结构和场镜减小变焦组元的径向尺寸,系统变焦部分仅包含变倍组与补偿组,无需前固定组与后固定组,同时无需使用特种光学材料校正二级光谱,极大降低了系统变焦部...     

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。     

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.     

大视场反射式施密特光学系统设计与检测

大视场、低成本、高性能天文望远镜是当前研究和开发的热点。基于像差平衡原理,在正入射施密特矫正板基础上推导出斜入射反射式施密特矫正板方程,针对焦距1 700 mm,成像视场角4°,波段为0.4 μm～0.9 μm,F数为4.25的光学系统,求解出施密特矫正板方程,并作为初始结构参数代入Zemax软件进一步优化。设计结果表明,在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率100 lp/mm处的调制传递函数MTF大于0.35,畸变小于2.5%,成像质量达到了衍射极限。优化设计后施密特矫正板与最近球面最大偏差为0.005 mm,采用特制的补偿器结合干涉仪可完成面形高精度检测。该施密特系统的设计为大视场、宽波段天文望远镜的开发提供了参考。     

光学镜头杂散光分布状态测试

围绕实际检验工作中遇到的问题,以及国家推荐标准GB/T 10899-2009光学系统杂（散）光测试方法中提出的要求,论述了对光学系统全视场杂散光系数进行测试的必要性以及测量方法,通过对现有杂散光测试装置的改造,实现了对光学系统全视场杂散光系数的测试,给出两种变焦距镜头全视场杂散光系数测试结果和分布状态曲线,得到结论:基本参数相近而型号不同的光学镜头,其杂散光系数和分布状态会存在很大的区别。光学与机械结构形式不同是造成该区别的主要原因。测试数据能对光学系统杂散光抑制能力的提高起到参考作用。     

光学透镜边缘杂散光的消除

<正> 一、光学透镜边缘杂散光在现代精密光学仪器制造工业中,要想进一步提高各种光学仪器的成象质量,就必须考虑光学系统的杂散光。然而,光学透镜边缘毛面所产生的杂散光是一个很特殊的问题。国内对此常常不够重视,国外则十分注意这一问题。大家知道,一台光学仪器在成象的光学系统中,形成物体的实象时除了成象光线外,还有非成象光线在象面上扩散,这些非成象光线(即杂散光)非常有害。其中很大一部分来自光学透镜边缘毛面,因为光学透镜边缘毛面是用磨料经机械加工形成的一个粗糙表面,当不同波长的光线经过光学仪器的透镜系统时,就会在光学透镜组的毛面发生反射、散射,形成所谓二次和高次杂散光,透镜数目越多,杂散光量也越大,致使象质变坏。如果散杂光严重到足够程度的话,将使光学仪器的鉴别率降低,以致不能有效观察,从而降低了仪器使用效能。有时在实际检验和测量透镜质量时也会     

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。     

星载多普勒差分干涉仪杂散光特性与抑制

星载多普勒差分干涉仪通过探测气辉光谱测量中高层大气风场,为降低低层大气背景辐射的影响,需要设计杂散光抑制结构。以基于500 km轨道高度的卫星平台对60～90 km高度的中层大气风场探测为例,选取典型气辉辐射强度与大气背景辐射,依据不同高度下大气背景辐射强度变化,结合光学系统参数设计遮光罩。仿真分析多普勒差分干涉仪系统内部产生杂散光的关键面,设计杂光抑制结构,并评估干涉仪非工作级次能量对成像造成的影响。点源透过率分析和像面照度仿真结果表明：水平方向和对角线方向上,视场外0.2°处点源透过率下降到10^-5以下,竖直方向上,视场外0.04°处点源透过率下降到10^-5以下;大气背景辐射和鬼像占像面总能量的1.35%。所提杂散光抑制方法满足星载多普勒差分干涉仪对杂散光抑制的技术要求。     

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。     

空间外差拉曼光谱仪的光栅多级衍射杂散光分析与抑制方法

光栅的多级衍射杂散光对空间外差拉曼光谱仪的成像质量具有重要影响。为了提高其成像质量,使光谱特征更准确,针对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行分析与抑制研究。依据光学传递理论,利用ASAP软件对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行仿真与分析,利用挡板、光阑和光学陷阱等方法设计了能够抑制-2.5°～2.5°视场范围内杂散光的结构。结果表明:光栅产生的多级衍射杂散辐射比由4.996×10~(-3)降到了1.57×10~(-8),设计的结构对空间拉曼光谱仪系统内因光栅产生的多级衍射杂散光具有良好的抑制效果,有效提高了系统的成像质量。     

卡塞格伦光学天线杂散光分析与测试

从能量传递及光学天线出瞳允许的杂散光亮度出发,推导得出了杂散光控制指标要求.提出两种消除一次杂光方案.方案一是在主、次镜上设置遮光罩,方案二是设置主镜遮光罩并在出瞳附近设置利奥光阑.理论分析表明方案一因设置次镜遮光罩而增加遮拦比,方案二因在出瞳附近设置利奥光阑而产生渐晕,由于光学天线对发射/接收效率指标要求很高,因此在设计时需兼顾能量.针对某卡塞格伦光学天线仿真分析了两种方案的接收/发射效率和杂散光抑制效果,发现方案二的发射效率和杂散光抑制能力优于方案一,只是边视场的接收效率略低.最终选用方案二作为原理样机的杂散光抑制方案,对其进行杂散光测试,测试结果为:视场外1°~20°系统实测消光比小于-40dB,满足杂散光指标要求.     

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.     

光学仪器中杂散光抑制技术的探讨

本文从零件表面性能的改善、加工工艺、仪器的结构设计和光学系统设计几方面对杂散光的抑制技术进行了分析和探讨,得出了一些有益的结论。     

空间相机光学窗口的热光学评价

光学窗口是空间相机光学系统中直接暴露在轨道热真空环境中的光学元件，所处的热环境非常复杂，要产生温度梯度，从而对空间相机的成像质量和分辨率产生影响，文中结合工程实际，以光学波像差的基本理论为基础对空间相机光学窗口的非轴地称温度场进行了热光学评价，编程计算了空间相机光学窗口在一个轨道周期内各典型位置处的均方波像差，并把计算结果与美国“天空实验室”光学窗口的相应数据进行比较，以验证本文热光学分析的合理性     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1mm.℃-1;当温度水平在(20±1)℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右;当径向温差和轴向温差会大于2℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1 mm·℃-1|当温度水平在(20±1 )℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右|当径向温差和轴向温差会大于2 ℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.