白光日冕仪光学系统杂散光抑制

“夸父计划”是由“L1+极轨”的三颗卫星组成的一个空间观测系统，夸父A星中一个重要的仪器是白光日冕仪(2.5 R⊙ -15 R⊙ )，并且在我国是首次研制。日冕仪的工作特点决定了其对杂散光抑制要求及其严格。本文通过分析系统工作特点，设计了白光日冕仪，系统视场4度、角分辨率14角秒、口径30mm、焦距200mm、系统总长1080mm、其中光学系统370mm，37pl/mm的MTF值大于0.5；根据其杂散光抑制的结构特点，利用多个光阑互相共轭的空间位置关系，系统的四个主要杂散光光源从结构上被全部抑制，从而达到了良好的杂光抑制水平。     

Lymanα与可见光双波段内掩式日冕仪

太阳是地球能量的主要来源,太阳活动和变化对地球影响极大。为了满足天文学家对太阳观测和研究的需求,设计一种新型Lymanα和可见光双波段内掩式日冕仪(SCI日冕仪),能够在121.6 nm和700 nm两个波段同时对日冕进行高分辨率成像观测。根据太阳在121.6 nm和700 nm日面与日冕的辐射特性确定仪器的参数,给出了日冕仪的初始结构,建立评价函数对初始结构进行优化。分析了日冕仪光学系统的成像性能和各个光学元件产生杂散光对成像性能的影响,确定影响系统杂散光抑制水平的主要光学元件和机械结构,提出了对光学元件表面粗糙度的要求,给出了里奥光阑的位置和通光口径。还设计了日冕仪光学反射镜和光学分色镜的膜系结构,实现了对内日冕在121.6 nm和700 nm两个波段的同时成像。实验结果表明:SCI日冕仪视场覆盖1.1~2.5个太阳半径(Rs,取1 Rs=0.267°),空间分辨率优于4.8″,杂散光抑制水平在1.1Rs处优于10-6量级,在2.5Rs处优于10-8量级,满足观测需求。     

锯齿型外掩体设计和衍射光强检测

针对太阳极轨望远镜计划对大视场日冕仪杂散光抑制的要求,设计了一个衍射抑制程度更高的锯齿型外掩体用于该日冕仪。应用半无限矩形法模拟了锯齿型外掩体衍射光强分布,得到了最低衍射强度的锯齿形状。通过实验检测了此最优锯齿形状外掩体的衍射光抑制水平,并与圆形外掩体衍射光强进行了对比,证实了锯齿型外掩体相对于圆形外掩体在抑制衍射光上的优势。实验观测结果显示,优化设计后的锯齿型外掩体的衍射光强抑制水平可以达到10-7量级,高于目前国际上实验观测到的外掩体衍射光强抑制水平10-6量级,可以满足大视场日冕仪的对杂散光抑制的要求。     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪杂散光抑制

考虑杂散光对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量精度的影响,设计了遮光罩和其他消杂光结构来抑制杂散光,并对杂散光进行了分析。利用TracePro软件分析了系统紫外通道1(240～315nm)的杂散光水平,确定了杂散光传输的一次、二次散射路径。根据杂散光传输路径,计算了杂散光评价指标点源透射比(PST)曲线,结果显示杂散光抑制措施效果明显,PST小于3×10-5,中心视场杂散光照度水平为5.472×10-4,最终杂散光水平达到了设计指标要求。采用截止滤光片法测量了系统的杂散光水平,结果表明:中心视场杂散光比值为8.167×10-4,和仿真结果接近,验证了仿真过程的准确性,说明设计的消杂光机构能够满足抑制系统杂散光的要求。     

CO2探测仪光学系统设计

设计并架构了CO2探测仪的光学系统。通过对比国外典型大气温室气体探测仪采用的光学系统,总结了光栅与傅里叶变换两种分光方法的优缺点,确定设计的CO2探测仪采用大面积光栅色散光谱仪系统,该光学系统包括前置光学系统和三通道光栅光谱仪系统两部分。前置光学系统由无焦双离轴抛物面系统、2个分束器和3个聚焦透镜组组成,采用了多种消杂光措施,有效抑制了杂散光。光栅光谱仪的3个通道采用相同的结构,工作在相同的偏离角下;根据光栅方程推导了固定偏离角下光栅参数的计算方程,确定了3个通道的光栅参数;透镜采用低膨胀熔石英材料;大面积光栅工作在大入射角、大衍射角状态,工作波段内的光栅衍射效率可达90%以上。对光学系统的分析测试显示:通过在光谱仪系统放置0级光陷阱等消杂光措施,可将杂散光控制在10-5以下,空间方向的MTF大于0.9,光谱分辨率达到0.035nm(@760nm),实现了20点同步观测。由于相对孔径较大(F1.8),提高了集光能力。结果表明,设计的光学系统满足温室气体探测的技术指标要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

超短型内嵌式遮光罩设计

为了在不影响杂散光抑制效果的同时减少空间遥感器的结构尺寸,方便其姿态控制,提出了一种超短型内嵌式遮光罩。介绍了超短型内嵌式遮光罩的基本结构形式及其优化设计方法。重新设计了遮光罩的形状,采用超短型多层遮光筒结构代替了传统设计中过长的外遮光罩。改变了遮光罩与主体结构的安装方式,将遮光罩嵌入式安装于空间遥感器的主体结构,最大限度地压缩了结构尺寸。以某航空相机光学载荷为例,分析了该种遮光罩的可行性和消杂散光效果。采用Light-tools软件优化设计了双层同心圆柱筒结构的遮光罩,并对该遮光罩的杂散光抑制效果进行了评估。模拟计算结果表明,外遮光罩采用超短型内嵌式结构后,遮光罩总长度和重量均减小为传统设计结果的1/3。系统的点源透过率(PST)曲线显示其整体呈下降趋势,且在离轴角大于25°后,光学系统的PST降低到10~(-7)以下。另外,设计的遮光罩能够有效抑制视场外杂散光,其杂散光抑制能力与其他离轴、同轴系统大体相当,满足使用需求。     

衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析

当光学系统中存在衍射元件时,特别是高功率激光光学系统中,由于多级衍射和多次反射的存在,因此系统中将会产生危害性的杂散光和鬼像。提出了一种用于衍射光学元件杂散光分析的树形数据结构,树的每一个结点描述了系统中两个表面之间传输的光束参数,并且根据光路计算结果,动态地开辟内存空间存放杂散光和鬼像的位置、能量等数据。对含1个衍射面和7个常规面的光学系统作了实例计算,表明用这种数据结构可以全面分析系统中的杂散光,给出鬼像位置和估计鬼像能量。当取最高反射次数为4次,衍射级为0到±5级时,运行时间在1s以内,成功地分析了该红外光学系统的鬼像。     

R-C系统消杂散光设计与效果评估

研究R-C系统的消杂散光以提高其成像质量。从杂散光的能量传输方程出发,分析总结了杂散光消除的基本途径。按照R-C系统杂散光消除的具体要求,结合作图法,推导出初始中心遮光比确定时的内遮光罩顶点坐标公式;为了减小初始中心遮光比,将次镜锥状遮光罩改进为百叶窗式结构。设计了杂散光源抑制角已知时的外遮光罩。最后,给出在Tracepro中利用仿真模拟测定杂光系数的方法及R-C系统遮光罩的应用实例。     

兴隆1m光学望远镜消杂散光系统

为优化兴隆1m光学望远镜的杂散光效应,研制了附加在该望远镜F/8焦面后的"一倍放大率消杂散光镜头",对消杂散光镜头的效果进行了仿真计算和观测验证。在Tracepro软件中对"圆顶-1m望远镜"和"圆顶-1m望远镜-消杂散光镜头"组合系统的"点源辐照度透过率(PSNIT)"进行了计算分析并在大月夜进行了天文观测。计算结果表明,在视场外无限远点源方位与望远镜指向间夹角5°≤|θ|≤30°使用消杂散光镜头后,该望远镜PSNIT全部降低到10-10以下。2008年5月26日对偏月22°和25°天区观测结果表明,使用消杂散光镜头后,该望远镜所观测的星像信噪比约为原来的1.4倍。仿真计算和观测结果表明:该方法对Ritchey-Chrétien(R-C)望远镜的杂散光抑制是有效的,可以提高望远镜的测光精度和观测极限星等。     

基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统

针对基于硅基液晶(LCOS)拼接技术的动态星模拟器对比度低,无法在星图识别过程中为星敏感器提供全部有效目标的问题,提出通过抑制光学系统杂散光来提高LCOS拼接动态星模拟器对比度的方法,讨论了偏振度对于杂散光的影响,并推导出入射角与偏振度的函数关系。设计了抑制杂散光的光学系统,该系统包括利用复合抛物面聚光器(CPC)结合望远系统组成照明光源,配合多棱镜的1/4波片和视场角不小于11°的准直光学系统。在截止频率为60lp/mm,视场角小于±5°的情况下,该准直系统的调制传递函数(MTF)大于0.7。实验显示:该高对比度LCOS拼接动态星模拟器的星间角距误差小于18″,相对于传统型的星模拟器杂散光降低了2.38倍,其在保证精度的条件下,降低了动态星模拟器的背景噪声,提高了动态星图的可识别率,基本可以满足星敏感器在多星等条件下的对精度和动态特性的需求。     

基于模板的FY-2一级杂散光模拟

对FY-2扫描辐射计的光机结构进行了简化,确定出在其南北步进中对杂散光模板变化产生影响的仅仅是折镜边缘,据此结论对产生一级杂散光的相关机械边框建立空间坐标,通过投影方法得出在任意步进位置的杂散光进入区域,并通过对杂散光区域的像元数计数和制作视频文件的方式检查其变化的连续性。从信号光分布最小的世界时19时图像出发,使用快速卷积的方法,进行了点光源、月牙状亮边和地球全图的模拟杂散光形成的计算,得出的结果与实际杂散光的现象较为接近,成为进一步以图像处理方式消除杂散光的基础。     

离轴三反空间光学望远系统的杂散光抑制

以点源透过率(PST)为评价标准,对一个离轴三反空间望远系统的杂散光进行了分析,并给出了分析结果。通过建立系统的实体模型,确定了一次、二次散射路径,采用改进的蒙特卡洛法,对20°之间各离轴角分别进行光线追迹。对模型的分析结果表明,系统产生杂散光的主要原因为一次散射,与光学系统结构密切相关。离轴角为±0.1°时,PST分别等于3.56和4.02,离轴角为±20°时,PST分别为6.63×10-5和4.58×10-5。实验表明,通过加入遮光罩及减小镜面散射率可减少杂散光。与离轴两反望远系统相比,三反系统的杂散光水平在大离轴角时偏大1到2个数量级,但可满足使用要求。     

宽视场绝对辐射计杂散光特性研究

摘要：卫星太阳辐射监测仪在轨飞行中采用太阳扫过宽视场绝对辐射计视场期间动态测量太阳辐照度的方法，测量过程中进入辐射计接收腔的杂散光对测量精度带来影响，本文通过模型软件分析、风云辐射计外场标定测量和神舟三号辐射计在轨数据修正三个方面对宽视场辐射计的杂散光随角度变化分布进行了分析， 1）随光线入射角增大，杂散光影响基本呈线性增大；2）太阳辐射监测仪宽视场绝对辐射计无遮拦视场角18.4，对0～7视场进行了模拟分析,在7入射角时，杂光影响为0.63％，地面通过标定方法测量得到的结果为0.79％；3）神舟三号飞船上的辐射计视场角为10.4，视场角小，消光光栏多，杂散光的影响相对较小。以模型仿真结果对星上获得数据进行了修正，结果表明，通过杂光修正降低了系统误差。