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.     

航天遥感器三反同轴系统遮光罩程序自动化设计

航天遥感器三反同轴系统中不经过主镜、次镜直接由物空间经后续系统到达像面的光线是最主要的杂散光来源。利用光路追迹原理讨论抑制该类杂散光的外遮光罩和主、次镜遮光罩的设计方法,给出简化计算公式,并利用CodeV的宏语言编制了自动化设计的程序。最后,结合某遥感器给出遮光罩设计实例,最终采用的遮光罩面遮拦比约为8.3%,并通过仿真分析和外景成像试验进行验证。结果表明,给出的设计方法能够达到消除一次杂光的要求。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大视场空间相机轻型遮光罩的研制

空间相机遮光罩既能遮挡杂光进入相机镜头,又可利用遮光罩长度和遮光罩内的光栅及表面材料特性,吸收已进入遮光罩的杂散光,能够保证相机获得较高的信噪比。具有优良性能指标的碳纤维复合材料应用于空间相机中能够满足空间相机的结构设计指标,并能大大降低相机的重量。针对某空间相机进行了遮光罩的设计,通过利用有限元模拟仿真分析与试验验证相结合的方法,验证了碳纤维作为遮光罩材料的可行性和是否能够提高光学系统的信噪比。结果表明,碳纤维复合材料应用于空间相机遮光罩的设计是完全可行的。     

基于区域分解和逐级光线分裂的杂散光分析

针对蒙特卡罗法运算量大的问题,通过引入区域分解和逐级光线分裂技术,减少杂散光线与表面交点求解时所涉及的表面数及跟踪光线数,降低计算量.区域分解时,考虑子区域与表面数的匹配关系;并基于杂散光传播过程的模拟信息,逐级确定光线分裂倍数.以大衰减比抑制结构和多传感器系统为例,进行杂散光分析.结果表明,对复杂系统杂散光传播的蒙特卡罗法模拟,应用区域分解和逐级光线分裂技术,可以在保持计算精度的前提下,有效地提高计算效率.