引 言

离轴三反(TMA)系统具有视场范围广、相对孔径大且无中心遮拦等优点,因此常被应用于航天遥感器相机结构中。遥感相机中杂散光对光学系统的影响表现为像面对比度降低、传递函数退化及信噪比降低,导致光学系统成像质量下降。本文从杂散光抑制原理出发,以某一型号TMA系统相机为例开展杂散光抑制优化设计,探讨杂散光路的分析方法,在同样追迹1 000万根光束的情况下,比较不同抑制结构的优化能力,通过结构优化设计将杂光系数从4.64%降低至1.33%,从而获得理想成像效果。

1 TMA相机杂散光抑制原理 1.1 TMA相机杂散光抑制原理

光辐射能的基本能量传输计算在能量分布、热交换、辐射系统测量等领域有十分重要的作用^{[ 1,2 ]}。光学系统像面接收到的杂散能量与杂散光源辐射出的能量遵循以下能量传输方程^{[ 3 ]}:

1.2 TMA相机杂散光抑制措施

TMA相机杂散光的抑制方法通常有三种^{[ 3,4 ]},分别是添加外遮光罩、建立挡光环及在结构表面喷涂消光涂层,如图 1所示。以下对三种方法作简要说明:

图 1

Fig. 1

图 1 TMA结构杂散光抑制措施示意图 Fig. 1 Stray light attenuation measure of TMA optical system

(1)外遮光罩:通过添加外遮光罩并利用表面材料特性,在遮光罩内部设置光阑从而抑制已进入遮光罩内的杂散光。外遮光罩结构设计首先需要考虑的是材料,需选择密度低、热导率高、弹性模量高和线膨胀系数低的材料;

(2)挡光环:在散射路径上添加挡光环、遮光叶片等,从而减少或弱化杂散光路径;

(3)表面涂层:利用涂料的表面粗糙度和多孔性散射和吸收杂散光,消杂光涂料应与挡光环相结合使用,使杂散光在筒壁上反射两次以上。

2 TMA相机杂散光分析 2.1 光学系统参数

本文中研究的相机为三反离轴系统,杂散光系数要求在3%以内。此光学系统由主镜、次镜、三镜、平面反射镜和探测器组成。光学参数如表 1所示,光学结构设计图如图 2所示。

表 1(Table 1)

三反离轴相机参数表 Tab. 1 The parameter of TMA camera 名称 参数 光谱范围 0.45~0.9 μm 镜头焦距 5 505 mm 光学系统F数 12.75 视场角 10.2°(垂直飞行方向)×0.75°(沿飞行方向) 光学结构 反射率为98%,吸收率为2% 机械结构 朗伯散射,反射率为8%,吸收率为92% 光源 0°～80°,1 000 W

表 1 三反离轴相机参数表 Tab. 1 The parameter of TMA camera

图 2

Fig. 2

图 2 三反离轴相机光学结构设计图 Fig. 2 The optical design of TMA camera

2.2 分析流程图

目前,国内对杂散光分析研究的主要方法是建立实体模型,给定机械结构及光学结构表面参数,通过蒙特卡罗光线追迹法确定各个角度的杂散光传输路径,从而得到最初的分析结果^{[ 5 ]}。根据此结果对结构进行优化设计,修改遮光罩或在杂散光路径上添加遮光叶片等,最终降低杂散光对光学系统的影响,传统的分析流程较为简单,不够细化。

本文在总结上述分析流程原理的基础上,将其更加细化,运用Lighttools软件对结构进行分析仿真。对目标物体进行建模,确定杂散路径,提出多种抑制措施并对比得出最为有效的一种,针对添加挡光板或消杂散光螺纹的表面做精细化仿真,设置不同的材料属性并追迹仿真,从而确定最有效的抑制措施,使杂散光抑制能力达到更好的效果,光学分析流程如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 改进后的分析流程图 Fig. 3 Analysis flow chart

本课题所研究的光学相机为TMA离轴三反结构,对结构已针对性设计外遮光罩,并在遮光罩内部添加光阑从而抑制进入遮光罩内部的杂散光。在接收器通光口设计挡光环,遮挡部分由系统内部机械结构散射或反射而引起的杂散光。针对已添加外遮光罩及挡光环的机械结构,运用Lighttools软件进行光路仿真追迹,追迹1 000万根光束,计算得出杂散光系数为4.64%,未达到标准要求3%,即此结构仍不满足目标要求,因此需要进一步优化结构。在减少或弱化杂散光路的基础上,降低BRDF,从而使杂散光系数低于3%的目标要求,降低杂散光对系统成像的影响。

通常,“被照射表面”定义为从杂散辐射源所在的物空间出发能直接照射的表面,“关键表面”定义为从像面出发能被像面或者中间像直接看到的表面^{[ 6 ]}。同时为“被照射表面”及 “关键表面”的表面是杂散光路表面,称为“一级杂散光路”,通过“被照射表面”进入到“关键表面”的杂散光路称为“二级杂散光路”。杂散光抑制设计的目的是减少“一级杂散光路”和“二级杂散光路”。

通过正追迹、逆追迹的方法,确定照明表面及关键表面,方法如下^{[ 7 ]}:在Lighttools软件中将机械结构设置为全吸收,光学零件按真实值设置,从光学遥感器入瞳处开展非顺序列光路追迹,形成“照明表面”列表;将机械结构设置为全吸收,光学零件按真实值设置,从光学遥感器像面端开展非顺序光路追迹,形成“关键表面”列表;“照明表面”和“关键表面”列表重叠表面为重要表面,重要表面为系统中的次杂散辐射的主要来源,通过减少重要面的数量抑制杂散光的产生。运用以上方法对系统进行正逆追迹,重要表面如图 4所示,重要表面对应结构如表 2所示。以1 000万根光线计算杂散光能量比以提高效率。追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率如表 3所示。

图 4

Fig. 4

图 4 重要表面示意图 Fig. 4 Important surface

表 2(Table 2)

表 2 重要表面对应结构 Tab. 2 The structure of important surface 机械表面 对应结构 重要面1 通光口入口上板 重要面2 机械结构上板 重要面3-6 支撑杆等

表 2 重要表面对应结构 Tab. 2 The structure of important surface

表 3(Table 3)

表 3 追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率 Tab. 3 The energy of stray light when tracing ten million light beam 机械表面 该表面产生杂散光能量值占总杂散光能量比例/% 重要面1 50.50 重要面2 0.46 重要面3-6 1.85

表 3 追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率 Tab. 3 The energy of stray light when tracing ten million light beam

2.4 TMA相机杂散光结构优化设计

从计算杂散光比率的结果得出重要面1产生的杂散光比重较大,因此以其为重点对机械结构进行优化设计,减少该位置产生的杂散光^{[ 8 ]}。在此以三种方法进行优化设计,分别为涂层发黑、添加挡光板及设计消杂散光螺纹。

(1)涂层发黑

光机结构表面采用的消光涂层是利用涂料表面粗糙度、多孔性吸收和散射杂散光,这是消除杂散光 的有效途径^{[ 9 ]}。当微观结构的涂料散射尺寸接近于光波波长时,其具有最佳吸收效果,所以要了解系统 的工作波段从而选择合适的涂料,消杂光涂料应与挡光环结合,确保杂散光在镜筒上反射多次,使杂散光抑制能力到更好的效果。对机械结构表面喷以四种不同涂层,计算追迹1 000万根光束时的能量值。在此,我们喷涂四种反射率和吸收率不同的消光漆,以对比出消光漆对结构消除杂散光的效果,消光漆如表 4所示。

表 4(Table 4)

表 4 消光漆参数列表 Tab. 4 Specification of paint 涂层名称 反射率/% 吸收率/% 消光漆A 14 86 消光漆B 12 88 消光漆C 8 92 消光漆D 4 96

表 4 消光漆参数列表 Tab. 4 Specification of paint

(2)添加挡光板

挡光板高度的设计示意图如图 5所示,图中AA′、BB′为挡光板高度,AA′C和BB′C均为直角三角形,AC、BC、A′C、B′C均可在机械软件中测量出高度。通过直角三角形边长计算公式可以得出挡板AA′和BB′的高度值,计算公式为:

图 5

Fig. 5

图 5 挡光板高度计算示意图 Fig. 5 The design of vane highly

在GJ1位置设置挡光板,以消减该位置产生的杂散光,提高成像能量。首先,该系统光束为会聚光束成像,因此挡光板的设计为不等高设计。用非顺序光束以光源表面四个端点及中心点发射光束,得出成像光束所分布的上下极限。将通光口上表面顶点A与接收器下顶点B连线交边缘成像光线于C点,过C点作垂直于通光口上板的垂线交于C′点,将C′点与B点连接,由于交点D在通光口外,所以不予考虑,在入口处A点及出口处E点做垂线AA′和EE′,垂线长度以不遮挡边缘成像光线为基准。同理,在通光口下板处做挡光板,以对应上板挡光环且不遮挡边缘成像光线为基准高度,如图 6所示。在通光口上下表面对应添加6个挡光环,挡光板位置如图 7所示。

图 6

Fig. 6

图 6 挡光板位置设定方法示意图 Fig. 6 The design of vane location

图 7

Fig. 7

图 7 挡光板设定位置示意图 Fig. 7 The vane design

(3)设置消杂散光螺纹

在通光口上下表面添加消杂散光螺纹,此螺纹是边长为6 mm的等边三角形,如图 8所示。将设置消杂散光螺纹后的机械结构喷涂四种不同的消光漆,计算追迹1 000万根光束时的能量值。

图 8

Fig. 8

图 8 添加消光螺纹示意图 Fig. 8 The extinction of thread design

2.5 优化结果对比分析

总结喷涂四种消光漆情况下的原始结构(即已添加外遮光罩及挡光环的机械结构)、添加挡光板结构以及设置消杂散光螺纹结构的杂散光系数,如表 5所示,并绘制在喷涂不同消光漆情况下不同结构的杂散光系数曲线图,如图 9所示。

图 9

Fig. 9

图 9 杂光系数曲线图 Fig. 9 The stray light coefficient curve

表 5(Table 5)

表 5 优化结构后杂散光系数表格 Tab. 5 Stray light attenuation capacity of optimize structure 消光漆名称 结构 杂散光系数/% 消光漆A 原始 7.15 挡光板 1.44 消光螺纹 1.99 消光漆B 原始 5.93 挡光板 1.38 消光螺纹 1.96 消光漆C 原始 4.64 挡光板 1.33 消光螺纹 1.79 消光漆D 原始 3.69 挡光板 1.11 消光螺纹 1.75

表 5 优化结构后杂散光系数表格 Tab. 5 Stray light attenuation capacity of optimize structure

通过以上表格及杂散光系数曲线图可以得到以下结论:

(1)三种抑制杂散光措施相比较可以看出,对结构添加挡光板后,抑制杂散光的能力更好,性能更为稳定;

(2)杂散光的抑制能力与消光漆的吸收率成正比,与消光漆的反射率成反比,即消光漆的吸收率越高则结构的杂散光抑制能力越好,杂散光能量越小,杂散光系数越小;

(3)对重要面1添加挡光板或消杂散光螺纹后仅对由此表面产生的杂散光能量影响较大,对其它产生杂散光的表面影响很小。此课题中重要面1产生的杂散光能量占总杂散光能量的比例最大,而其它表面所产生的杂散光非常少,所以在此仅对重要面1做结构优化,如果其它表面产生杂散光能量比例也很大,则也需要做结构优化;

(4)喷涂反射率为14%吸收率为86%、反射率为12%吸收率为88%、反射率为8%吸收率为92%、反射率为4%吸收率为96%的四种消光漆对添加挡光板或设置消杂散光螺纹后的光机结构的杂散光抑制能力并无较大影响;

(5)根据以上分析和结论,最终采用挡光板结构并喷涂反射率为8%,吸收率为92%的黑漆,已获得最佳性价比。对此结构进行仿真追迹,计算优化机构后的杂散光系数为1.33%。结果表明杂散光系数从原有的4.64%降低为1.33%,杂散光系数降低至3%以下,符合标准。

3 结 论

TMA相机中从通光口反射到达像面的杂散光将严重影响图像质量,通过在通光口径上下板面添加挡光板有效地抑制此类杂散光。本文给出了三反离轴遥感相机通光口径挡光板及消杂散光螺纹的设计方法及能量计算公式。结果表明:本文讨论的添加挡光板及消光螺纹措施能够有效地抑制杂散光的产生,降低杂散光能量,此外通过比较计算结果,发现添加挡光板能够更好地抑制系统杂散光,使原结构杂散光系数从4.64%降低至1.33%,符合目标要求。