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。     

根据环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射

内部杂散辐射抑制水平是评价红外成像系统的一项重要指标。由于内部杂散辐射与环境温度有关,其测量过程必须在多个环境温度下进行,存在成本高、时间长且实验设备要求高等缺点。针对上述问题,通过建立多积分时间定标模型,研究环境温度对内部杂散辐射的影响,提出一种采用环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射的方法。该方法通过对制冷型红外探测器定标,获取探测器内部因素对系统输出的影响,结合系统在某一环境温度下的定标结果解算系统内部杂散辐射与环境温度的定量关系,进而计算系统在任意环境温度和积分时间下的内部杂散辐射。通过辐射定标实验验证该方法的有效性,实验结果表明该方法可以实现对制冷型红外成像系统内部杂散辐射的高精度测量。     

制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

利用蒙特卡洛法分析红外光学系统的杂散辐射

介绍了杂散辐射的概念及其对光学系统成像质量的影响。以一透视式红外系统为例,通过对系统的光机结构的合理简化,利用杂散辐射分析软件Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,对已建立的红外系统光机结构的三维模型进行光线追迹分析,得到了系统像面的照度分布结果。同时,基于辐射度学相关理论对该系统中各结构表面的热辐射进行了定量计算,分析了结构中不同组成部分对系统像面的杂散辐射影响,提出本文系统中前镜框内表面为主要杂散辐射源。针对分析结果,探讨了红外系统的杂散辐射抑制方法,提出的方法可为后续设计提供参考。     

大气校正仪短波红外通道内部杂散辐射测量方法

成像区域大气校正仪内部杂散辐射抑制水平是光学设计以及性能评估的一项重要指标,尤其针对红外波段的光学系统,其内部的杂散辐射不可忽略。提出了一种基于辐射定标的方法,用于测量仪器内部的杂散辐射。通过控制变量得到仪器输入与输出之间的线性关系,建立辐射定标的模型,用实验的方法测量了仪器在不同环境温度下的本底信号值,并与理论计算的内部杂散辐射相比较,最大偏差为4.45%,验证了该方法的有效性。利用该方法可以计算大气校正仪在不同环境温度以及不同增益下的杂散辐射,不仅简化了实验过程,也可以对大气校正仪内部杂散辐射指标进行评估。     

制冷型红外光学系统温栏杂散辐射分析及消除方法

在致冷型红外光学系统中加入温栏会引入杂散辐射。杂散辐射包括温栏自身的辐射及对外部热光的反射。这两种辐射进入探测器后,会降低系统的信噪比和动态范围,影响成像质量。基于辐射及传热理论,提出温栏杂散辐射所引起噪声等效温差的计算模型,并研究了消除温栏杂散辐射的方法。用LIGHT TOOLS进行了光线追迹,对比分析了传统平面环状温栏和球面反射镜型温栏的杂散辐射,验证了理论推导的正确性和消除方法的可行性。结果表明,采用半径为30.3 mm的高反射率球型温栏代替原设计中的粗糙平面型温栏,控制其曲率半径和位置,可使由温栏引入的杂散辐射降低99%以上。     

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.     

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.     

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.     

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.     

Calculation techniques with the Monte Carlo method in stray radiation evaluation

Some calculation techniques with the Monte Carlo method in stray radiation evaluation such as imaginary covers, domain decomposition, coordinate conversion, principle of weight-equivalent sampling, randomness of radiant characteristic of heat insulating coat are described. Employing these techniques, the stray radiation calculation for a large optical system can be achieved in a personal computer. Taking a satellite-borne optical system, for example, the stray radiation flux and stray radiation environment of the system is obtained. The calculation results present a reference for the design of the optical system.     

星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

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。     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

反射式莱曼阿尔法日冕仪杂光分析

作为色球层光谱的主要成分,莱曼阿尔法辐射在太阳物理学和日冕物理学中具有非常重要的地位。通过观测莱曼阿尔法光谱,可以分析出太阳色球层的主要结构和动态。采用内部遮挡结构,从光学要求出发设计了口径40mm、焦距590mm的反射式日冕仪,用以观测太阳在1.1R⊙～2.5R⊙(R⊙为太阳半径)范围内莱曼阿尔法波段日冕的辐射。该结构应用两片非球面反射镜和一片球面反射镜成像,一片平面反射镜对光路进行偏折。该系统的光学传递函数接近衍射极限,杂散光水平为太阳光球辐射的10-6倍,满足莱曼阿尔法波段日冕的测量要求。     

三线阵测绘相机光学系统的杂光分析与计算

针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题,根据光学系统的设计结果,对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算,提出了合理的杂光抑制措施。利用ThermalDesktop软件和Light—Tools软件,对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算,得到其杂光系数均小于5％。最后进行了光学实验,并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。