星敏感器光学系统设计及杂散光抑制技术研究

在星敏感器实际应用中,光学系统杂散光的存在会引起星点模糊或者被遮挡。文中根据星敏感器对口径、视场、光谱范围和探测能力的要求,采用Code V软件完成了星敏感器光学系统的设计,最终设计参数为口径15 mm、视场18°、光谱范围400~750 nm、探测能力5等星,并利用CAD画图软件设计了锥形结构遮光罩,遮光罩叶片视场边界为19°,共9片挡光环,最前端面距离窗口玻璃190.76 mm,最前端面口径108.76 mm,太阳规避角25°,同时利用ASAP软件分析了光学系统对杂散光的抑制能力,根据杂散光评价指标点源透射比(PST),在25°太阳规避角时,系统满足5等星探测能力需求,验证了杂散光分析方法、分析模型的正确性。     

空间红外探测系统外部杂散光分析与抑制

为降低视场外太阳辐射对空间红外探测系统的影响,对系统的遮光罩和挡光环进行了设计与优化。在ZEMAX软件下,建立了光机结构分析模型,采用非序列模式下的光线追迹方法,计算了视场外太阳辐射经镜筒表面及透镜表面的多次散射或反射到达探测器表面的杂散光辐照度。根据计算结果对遮光罩和挡光环的参数进行了优化,使得杂散光抑制水平满足系统要求。     

同轴两反光学系统杂散光分析及内遮光罩优化设计

针对某同轴两反光学系统的空间布局特点设计了内遮光罩,并对内遮光罩不同的高度和直径参数进行了系统的杂散光分析,绘制了系统东西方向和南北方向的点源透射率(PST)曲线并得到系统像面处的辐照度,从而为内遮光罩的杂散光抑制能力提供了量化的对比结果,便于内遮光罩进行优化设计。通过杂散光分析,并对内遮光罩的结构强度等参数进行有限元分析(FEA)校核,确定了该口径为320mm的同轴两反光学系统的内遮光罩高度为100mm,直径为44.8mm,使得该遮光罩结构在满足空间遥感器力学性能的要求下达到杂散光抑制的最佳效果,实现了杂散光分析及基于结构FEA的优化设计。     

星敏感器遮光罩的设计与杂散光分析

杂散光抑制是提高星敏感器精度的重要手段,遮光罩的设计是抑制杂散光的主要途径.对星敏感器遮光罩进行设计,通过SolidWorks软件建模,绘制出遮光罩结构,将得到的结构导入TracePro软件中进行杂散光分析.设定材料表面的双向散射分布函数与光线追迹数目,在不同方位角度对1°～75°之间共16个离轴角度进行了光线追迹,得到系统的PST曲线.结果表明,和改进前的结构相比,PST值降低了一个数量级,且系统的杂散光抑制能力在离轴角30°时达到10-9量级.遮光罩内设计竖直挡光环结构有很好的杂散光抑制作用,使系统杂散光抑制水平得到较大的提高.     

高光谱成像仪的杂散光分析

杂光分析是保证高光谱成像仪成像质量的关键技术之一。详细分析了高光谱成像仪光学系统的杂散光,设计了R-C前置镜的遮光罩和挡光环,并用Tracepro软件对高光谱成像仪光学系统进行了光机建模,分析了系统的一次、二次散射面,根据重要杂散光路径设置重点采用,计算出0.5°~40°不同离轴角度下的点源透射比值,从而得到地球表面反射光在像面产生的照度为5.5×10-3W/m2,小于中心视场光线在像面照度的3.5%,满足系统抑制杂散光的要求。     

R-C光学系统设计及杂散光分析

将光学系统设计与杂散光分析相结合,介绍了一种焦距2000 mm、F/#=10、2ω=1.66°的空间用R-C光学系统,系统像质优良,结构紧凑.同时,针对R-C系统的特点,考虑轴外渐晕的影响,计算了主、次镜内遮光罩的尺寸,给出外遮光罩的设计方法,对该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,计算得到方位角为0°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10-8量级,满足要求.     

空间太阳望远镜主光学望远镜内遮光罩热效应

空间太阳望远镜（Space Solar Telescope，SST）主光学望远镜（Main Optical Telescope，MOT）口径达1 m，以2.81.5有效视场对日成像，将获得0.1～0.15的图像。SST MOT对日观测时所接收到的热量超过千瓦，成为影响望远镜成像质量的主要热源和杂散光源。为此，文中首先探讨了大口径太阳望远镜热设计与消杂光设计的特殊关联。然后，针对主镜筒内消杂散光的内遮光罩结构提出了热兼容设计，确定了内遮光罩结构热-杂散光效应集成设计的目标与评价体系。借助热分析软件获取SST MOT因内遮光罩结构参数变化引起的系统温度的变化趋势，从热控角度对内遮光罩结构的设计提出了建议:内遮光罩结构的垂直高度不宜超过400 mm。探索的内遮光罩结构热-杂散光效应集成分析方法也可为其他太阳望远镜的综合优化提供参考。     

城市夜光遥感成像系统设计与杂散光分析

根据城市夜光遥感相机研制要求,采用COOK TMA离轴三反光学结构形式,设计了一个视场为5°×2°,焦距为500mm,F数为3.8,工作波段为0.4~0.8μm的全反射式夜光遥感相机光学系统,采用主镜、次镜、三镜共光轴设计,提高了光学装调的可行性。选择合适的初始结构参数,利用CODE V软件进行光线追迹和优化设计,结果表明:光斑的方均根直径为2.305μm,小于1/8像元,在25lp/mm奈奎斯特频率处的光学调制传递函数大于0.92,接近衍射极限。采用外遮光罩、挡光环、光阑及消光漆等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统进行杂散光的仿真分析,结果表明:轴外视场为1°~80°时,点源透过率在10-11~10-3量级;太阳抑制角为65.96°~80°时,点源透过率小于1×10^-9,满足应用要求。     

月基望远镜杂散光PST研究与测试

针对月基望远镜（LOT）杂散光抑制能力的验证,在地面采用点源透过率法对其遮光罩视场外杂散光抑制比进行了测试,并利用光学系统视场外不同离轴角的点源透过率（PST）来评价其杂散光抑制比。该PST测试方法突破了以往的杂散光测试方法,采用高精度星模拟器与EMCCD结合的思路,保证了探测器在其线性区域内具有大动态范围探测能力的特性,其动态探测范围可达1012,可满足指标PST（在22离轴角）测试值10-7的要求。该方法能更客观、更直接地反应遮光罩的杂散光抑制能力,其PST（在22离轴角）测试不确定度可优于60%,远远高于以往杂散光抑制比的测试精度。另外,讨论了该测试方法需改进的几点措施,PST测试预期目标可达10-12。最后通过试验对LOT相机遮光罩的杂散光抑制比进行测试,验证了LOT相机杂散光抑制比满足设计要求。     

星光半物理实验平台遮光罩设计新方法

详细论述了星光半物理实验平台用遮光罩抑制实验环境杂光的一种新的设计思想,用以最大程度地还原星光模拟器产生的模拟星光与周围暗背景的对比度,从而大大提高了实验检测精度。根据实验系统原理推导出一整套设计公式,并提出利用程序递推计算遮光罩内部挡光环位置和尺寸的新方法。在TracePro杂光分析软件中建立遮光罩实验模型,对遮光罩径向成1°～85°之间的18个偏角的平行光源进行杂光抑制情况模拟,通过计算得到不同偏角遮光罩杂光抑制能力曲线。仿真结果表明,杂光偏角为25°以上时,光通量抑制比下降到10-3量级。加工出实物在半物理仿真平台上进行检验,实际拍摄结果显示,以该方法设计的遮光罩能够有效抑制环境中的杂散光,还原星光模拟器的对比度,使CCD相机能够准确观测到6等以上的星,保证了实验系统的可靠性。     

反射光学系统杂散光的消除

成像光学系统中的杂散光会引起像质模糊和对比度下降,在对像质要求较高,或被探测的光能量微弱的情况下,必须对杂散光进行消除。R-C (Ritchey-Chretien)系统是卡塞格林系统的一种形式,在地面光电探测和空间对地观测等方面都有广泛应用。以焦距为2 m,相对孔径为1/4的R-C系统为例,介绍了利用计算机仿真技术进行消杂散光设计和评价的原理,结合CAD建模进行了主镜内遮光罩、外遮光筒、次镜百叶窗式遮光罩的设计。使用光线模拟追迹软件TRACEPRO建立的测试系统进行仿真测试,得到R-C系统的杂光系数为6.4%,证明了设计的可行性,为应用和进一步的优化设计提供了依据。     

多角度偏振成像仪杂散光仿真分析

杂散光仿真分析是保证多角度偏振成像仪获取高精度偏振辐射数据的关键手段之一。根据仪器光学系统的自身特点,分析了杂散光的主要来源。针对采用点源透过率法难以适用于大视场光学系统杂散光分析的问题,介绍了基于黑斑法原理进行杂散光仿真分析的方法。借助杂散光分析软件LightTools,建立仪器的三维几何模型及光学属性,采用选定视场点反向光线追迹的方法仿真分析得到光机系统的视场外和视场内杂散光系数。分析结果表明,杂散光主要来源于成像视场范围内,且中心视场受到的杂散光影响最大,杂散光系数为3.27%,达到了设计指标要求。此外,采用近轴光线和实际光线正向追迹,模拟得到局部杂光和全局杂光的能量分布,为后期的图像杂散光校正研究提供了理论依据与指导。     

星载大气主要温室气体监测仪杂光模拟分析

杂散光分析是提高信噪比,保证测量精度的关键手段之一。依据星载大气主要温室气体监测仪光学系统结构及其工作特点,设计了仪器的外遮光罩和前置望远系统的遮光筒。建立仪器的三维实体模型,利用Tracepro软件对仪器氧气通道(758~768 nm)的杂散光进行了分析,给出系统杂散光点源透射比(PST,Point Source Transmittance)曲线, PST在30离轴角小于510-7。依据PST拟合曲线,通过积分计算得到杂散光系数小于4%。结果表明:杂散光抑制措施效果明显,杂散光水平达到了设计指标要求。     

空间可见光相机的杂散光分析与抑制

当空间可见光相机对地物目标进行成像时,视场内外的辐射会引起像面上产生杂散辐射,从而降低相机的成像质量,严重时可能会造成相机无法正常工作。为了提高相机的成像性能,介绍了可见光系统中杂散光的产生机理及其抑制措施,建立了相机的光机模型,分析了系统的杂散光,改进了遮光系统的设计。利用建立的杂光系数测量装置测量了相机镜头的杂光系数,并验证了建模分析结果。     

不同结构地基光电探测系统的杂散光抑制

分析了不同结构形式的地基折反式光电探测系统的杂散光特性,讨论了相应的杂散光抑制方法.针对有无中间像面的光学系统,分别给出了两种不同的杂散光抑制方案,并对其中的长波红外系统进行了自身辐射分析.结果表明:对于无中间像面的折反系统,外遮光罩可以更好地抑制大离轴角度的杂散光;对于有中间像面的折反系统,采取光阑组合和设置主镜内遮光罩的方式就可以很好地抑制外部杂散光,在满足自身辐射要求的前提下,有效减少因设置外遮光罩而增加的长度和质量,有利于小型化和轻量化.     

手机镜头的光学系统设计及杂散光模拟

为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5106像素的手机镜头。同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析。结果表明,该镜头的F数为2.6,全视场角为72.9,系统总长为3.1mm。最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光。     

杂光对三线阵相机光学系统成像的影响

针对高成像质量三线阵测绘相机杂光导致相机成像质量下降的问题,文章根据光学系统的设计结果,对相机的杂光系数进行分析与计算,提出合理的杂光抑制措施;利用ZEMAX软件和LightTools软件,分析了杂光对三线阵立体测绘相机成像的影响,通过模拟计算得到杂光系数小于5%的理论结果;实验检测了相机实际杂光系数,得到最大杂光系数小于6%的实测结果,模拟了杂光影响下的光学系统图像,证明了杂光抑制措施的有效性和杂光影响下成像分析的合理性。     

中红外平面光栅光谱仪系统杂散光分析

为了抑制杂散光对中红外平面光栅光谱仪系统成像质量的影响,首先探讨了系统杂散光的来源,设计了遮光罩、挡光环和里奥光阑;然后针对用挡光板消除光栅衍射杂散光能力有限的问题,提出利用百叶挡光板和杂散光收集器组合来抑制杂散光的影响,并结合三维建模软件Solidworks和杂散光分析软件Tracrpro对系统进行了建模、分析和对比;最后针对某一型号红外热电堆阵列探测器并运用黑体辐射理论对其进行计算和分析,最终结果表明:光谱仪系统地气杂光抑制水平PST可以达到10-11,内部杂散辐射抑制能力有效发射率为1.3%,满足中红外平面光栅光谱仪系统杂散辐射的抑制要求.