R_C系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)_圖文

1、第30卷第4期應(yīng)用光學(xué)V o l. 30N o. 42009年7月Jo urnal of A pplied Optics Jul. 2009文章編號(hào):1002-2082(2009 04-0575-05R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)高郭鵬, 熊望娥, 甘玉泉, 劉陽2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京1000391, 211, 21, 2(1. 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 陜西西安710119;摘要:基于幾何作圖法推導(dǎo)出R-C 系統(tǒng)外遮光罩內(nèi)擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo)公式, 利用C 語言編程實(shí)現(xiàn)程序化設(shè)計(jì)擋光環(huán)。在中心遮光比確定的情況下, 推導(dǎo)出內(nèi)遮光罩的頂點(diǎn)坐標(biāo)公式,

2、并將通常使用的主鏡一級(jí)錐狀遮光罩改進(jìn)為二級(jí)錐狀遮光罩, 以高速攝影系統(tǒng)的R -C 型折反式主物鏡為例, 對(duì)其主鏡和次鏡內(nèi)遮光罩進(jìn)行設(shè)計(jì), 并給出設(shè)計(jì)結(jié)果。當(dāng)軸角為70°, 遮光罩為二級(jí)和一級(jí)時(shí), 到達(dá)像面的雜散光照度分別為1. 0823×10W /m 和1. 6614×10W/m , 相差二個(gè)數(shù)量級(jí), 證明改進(jìn)的二級(jí)遮光罩優(yōu)于一級(jí)遮光罩, 能有效抑制雜散光。最后, 設(shè)計(jì)了主、次鏡間鏡筒內(nèi)壁上等高擋光環(huán), 進(jìn)一步抑制了R -C 系統(tǒng)的雜散光。關(guān)鍵詞:R-C 系統(tǒng); 雜散光; 遮光罩; 擋光環(huán)中圖分類號(hào):O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A-122-102Program desi

3、gn of outer baffle vanes and improvement ofconical inner baffle in R -C systemGA O Guo-peng 1, 2, XIONG Wang -e 1, GAN Yu-quan 1, 2, LIU Yang 1, 2(1. Xi an I nstitute of O ptics and P recisio n M echanics, Chinese A cademy of Sciences, Xi an 710119, China;2. Gr aduate U niver sity o f Chinese A cade

4、my o f Sciences, Beijing 100039, China Abstract :T he vertex coordinate fo rmulas for outer baffle vanes of R -C sy stem are deduced based on g eom etro graphy , and the vanes are desig ned w ith C-languag e pr ogram. T he v ertex co ordinate fo rmulas of inner baffle are also deduced after assuring

5、 the central obscur ation r atio, and then the commo n one -g rade conical baffle is impr oved into the tw o -g rade one . T he co rrectness of baffle design is prov ed by an ex ample and its sim ulated analysis , meanwhile an effective w ay o f suppressing the stray lig ht is pro vided. Finally, th

6、e same-heig ht vanes in dr aw tube between pr im ary and secondary mirror s ar e designed for further suppressing the stray light in R -C sy stem .Key words :R-C system ; stray lig ht; baffle; vane引言光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí), 在像面上除了按正常光路成像外, 尚有一些非成像光線落在像面上, 構(gòu)成不參與成像的有害光即雜散光。R-C 光學(xué)系統(tǒng)一般是由主鏡、次鏡、主校正鏡及次校正鏡組成的折反射式系統(tǒng), 由于該系統(tǒng)具

7、有尺寸小、焦距長(zhǎng)、無色差等1收稿日期:2009-02-06; 修回日期:2009-03-05基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2009CB72405作者簡(jiǎn)介:高郭鵬(1983- , 男, 陜西渭南人, 碩士研究生, 主要從事空間光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制的研究。E-應(yīng)用光學(xué)2009, 30(4 高郭鵬, 等:R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)576優(yōu)點(diǎn), 因此在空間光學(xué)遙感系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。然而, R -C 系統(tǒng)所帶來的中心遮攔、結(jié)構(gòu)嚴(yán)格等問題, 使得其雜散光抑制難于處理。通常的做法是:設(shè)置外遮光罩阻擋視場(chǎng)外大角度光線直射主校正鏡, 設(shè)計(jì)主、次鏡內(nèi)遮光罩阻擋視場(chǎng)外小角度

8、光線直射像面2-3(5 式得到第一個(gè)擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo)值, 連FX 0并延長(zhǎng)交CD 于點(diǎn)X 0(x 0, y 0 ; 連E X 0交A B 于新點(diǎn)X 0(x 0, y 0 得到第二個(gè)擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo), 連新直線FX 0并延長(zhǎng)交CD 于新點(diǎn)X 0(x 0, y 0 , 以此類推直至x 0<0, 得到一系列擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo)X 0(x 0,。y 0 。由于此計(jì)算過程極為繁瑣, 本文將上述算法在計(jì)算機(jī)上利用C 語言編程, 能方便地得到擋光環(huán)頂點(diǎn)坐標(biāo), 這一方法已在實(shí)際設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。本文在作圖法的基礎(chǔ)上, 首先推導(dǎo)出外遮光罩內(nèi)擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo)公式, 利用C 語言編程實(shí)現(xiàn)程序化設(shè)計(jì)擋光環(huán), 并給出設(shè)

9、計(jì)實(shí)例。然后推導(dǎo)出主鏡、次鏡內(nèi)遮光罩的頂點(diǎn)坐標(biāo)公式, 將通常使用的主鏡一級(jí)錐狀遮光罩改進(jìn)為二級(jí)遮光罩; 最后給出的具體實(shí)例說明, 主鏡二級(jí)遮光罩比一級(jí)遮光罩能使像面的雜散光照度較大程度地減少, 從而為R-C 光學(xué)系統(tǒng)提供一種有效抑制雜散光的方法。最后, 設(shè)計(jì)了主、次鏡間鏡筒內(nèi)壁上等高擋光環(huán), 進(jìn)一步抑制了R-C 系統(tǒng)雜散光。圖1外遮光罩內(nèi)擋光環(huán)設(shè)計(jì)示意圖Fig . 1Design of vanes in outer baff le1外遮光罩的設(shè)計(jì)外遮光罩的設(shè)計(jì)原則是阻止光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外大角度雜散光直接射向主校正鏡, 使得到達(dá)主校正鏡第一光學(xué)表面的雜散光至少經(jīng)過一次散射衰減。另外, 在外遮罩內(nèi)壁設(shè)

10、立擋光環(huán)和高吸收涂層能使到達(dá)主校正鏡第一光學(xué)表面的雜散光經(jīng)過一次以上散射衰減。在儀器視場(chǎng)角 、入瞳直徑D 0、雜散光源(例如太陽 入射角 等已知的條件下, 就可以得到外遮光罩的長(zhǎng)度L 與直徑D 的大小。外遮光罩內(nèi)擋光環(huán)按照下面的原則設(shè)計(jì)。如圖1, 以光軸為X 軸、遮光罩外端口為Y 軸建立直角坐標(biāo)系, 設(shè)擋光環(huán)的高度相等并記為H , 則A , B , C , D , E , F 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A (0, -D /2 , B (L , -D /2 , C (0, -H , -D /2 , D (L , -H -D 0/2 , E (0, D 0/2 , F (L , D 0/2 。圖1中任意兩點(diǎn)間

11、(x 1, y 1 和(x 2, y 2 的直線方程可表達(dá)為(1 y =kx +b式中:k 為該直線的斜率; b 為該直線的縱截距, 其表達(dá)式為k =(y 2-y 1 /(x 2-x 1 b =y 1-kx 1任意兩條直線的交點(diǎn)坐標(biāo)(x 0, y 0 為x 0=(b 2-b 1 /(k 1-k 2 y 0=(k 1b 2-k 2b 1 /(k 1-k 2(4 (5 (2 (3000504下面給出一個(gè)R-C 系統(tǒng)外遮光罩及其擋光環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)例。當(dāng) =0. 375°, D 0=255mm, =40°時(shí), 外遮光罩長(zhǎng)度L =354m m, 外端口徑D 0=259mm 。該外遮光罩內(nèi)

12、擋光環(huán)頂點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示。表1外遮光罩內(nèi)擋光環(huán)頂點(diǎn)坐標(biāo)Table . 1Vertex coordinate of vanes in outer baf fle頂點(diǎn)12345678910111213x 0328. 623657303. 218933277. 785522252. 323471226. 832794201. 313431175. 765396150. 188644124. 58313098. 94882273. 28566747. 59366621. 872766y 0-127. 643379-127. 786911-127. 930595-128. 074448-128. 21

13、8460-128. 362640-128. 506973-128. 651474-128. 796143-128. 940964-129. 085953-129. 231094-129. 3764192內(nèi)遮光罩的設(shè)計(jì)2. 1內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)原則次鏡內(nèi)遮光罩尺寸和口徑設(shè)R -C 系統(tǒng)中, 主、計(jì)的基本原則是, 要求內(nèi)遮光罩能夠?qū)χ苯舆M(jìn)入視00應(yīng)用光學(xué)2009, 30(4 高郭鵬, 等:R-C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)577體要求6為:1 視場(chǎng)外的光線被主鏡上的內(nèi)遮光罩所遮擋; 2 視場(chǎng)外的光線被次鏡上的內(nèi)遮光罩所遮擋; 3 在入瞳邊緣入射的邊緣視場(chǎng)光線不被主鏡上的內(nèi)遮光罩遮

14、擋; 4 在入瞳邊緣入射的邊緣視場(chǎng)光線不被次鏡上的內(nèi)遮光罩遮擋; 5 在一定的中心遮擋下, 邊緣視場(chǎng)光線不被主鏡上的內(nèi)遮光罩遮擋; 6 在一定的中心遮擋下, 邊緣視場(chǎng)光線不被次鏡上的內(nèi)遮光罩遮擋。2. 2內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)過程根據(jù)R-C 系統(tǒng)內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)的基本原則和具體要求, 作出主、次鏡內(nèi)遮光罩示意圖如圖2所示。其中, ep 、次鏡、遠(yuǎn)方物體hr 、ij 及mn 分別為主鏡、經(jīng)主鏡所成的一次像及遠(yuǎn)方物體經(jīng)主、次鏡所成的像。光線1為主鏡外直徑?jīng)Q定的視場(chǎng)邊緣光線, 光線2是由中心遮攔比決定的內(nèi)孔徑光線, 光線3為中心視場(chǎng)光線。有關(guān)尺寸及角度如圖2所示, 其中L B 為系統(tǒng)的后截距。由此得到次鏡內(nèi)遮光罩

15、即ha 段。2. 2. 2主鏡內(nèi)遮光罩頂點(diǎn)b 及拐點(diǎn)c 坐標(biāo)為求得主鏡內(nèi)遮光罩的頂點(diǎn)及拐點(diǎn)坐標(biāo), 以下工作是必需的。光線2的方程為y =y a -tan (x -x a (9光線2與主鏡的交點(diǎn)為d (L 1, y a -tan (L 1-x a 。光線dj 的斜率為a 11a (10f 1過外遮光罩頂點(diǎn)和次鏡內(nèi)遮光罩頂點(diǎn)的光線k d j =ga 的方程為y =-x tan j +D 1其中j =tan(11a 1(12 x a主鏡內(nèi)遮光罩頂點(diǎn)為光線dj 與光線ga 的交點(diǎn)b , 其坐標(biāo)為1111djx b =(13 k dj +tan jdj 1d j 111j(14 y b =k +tan

16、j主鏡內(nèi)遮光罩的拐點(diǎn)為光線ga 和光線hm 的交點(diǎn)c , 其坐標(biāo)為x c =D 1(L 1+L B -L 2 -D 2(L 1+L B +L 2f tan(15f tan -D 2+(L 1+L B -L 2 tan j D 1(f tan -D 2 +D 2(L 1+L B +L 2f tan tan jf ta n -D 2+(L 1+L B -L 2 t an j圖2內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)示意圖Fig . 2Design of inner baf f ley c =當(dāng)外遮光罩、主鏡及次鏡結(jié)構(gòu)確定之后, 仍然使用設(shè)計(jì)外遮光罩時(shí)的坐標(biāo)系, 點(diǎn)e , g , i , j , h , m 的坐標(biāo)分別為e

17、(L 1, D 1 , g (0, D 1 , i (L 1-f 1, f 1tan , j (L 1-f 1, -f 1tan , h (L 2, D 2 , m (L 1+, 其中 為系統(tǒng)半視場(chǎng)角, f 1為主鏡的焦L B , f tan距, f 為R -C 系統(tǒng)的焦距。光線1經(jīng)主鏡反射后的光線ei , 光線1經(jīng)主鏡、次鏡依次反射后的光線hm 的方程分別為111=x -L 1f 122=x -L 2L 1+L B -L 22. 2. 1次鏡內(nèi)遮光罩頂點(diǎn)a 坐標(biāo)當(dāng)R-C 系統(tǒng)中心遮光比k 確定后, 可由光線ei (16當(dāng)外遮光罩結(jié)構(gòu)確定后, 光線1經(jīng)主、次鏡反射后的光線hm , 光線2經(jīng)主鏡

18、反射后的光線dj 與邊緣光線ga 的交點(diǎn)b 、c 及光線hm 和光線dj 的交點(diǎn)q 一般并不重合。為此, 本文將主鏡內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)成如圖2所示的折線bcp 段即二級(jí)錐狀遮光罩, 不同于通常使用的p q 段即一級(jí)錐狀遮光罩。二級(jí)錐狀遮光罩相比一級(jí)錐狀遮光罩, 都可以使得成像光線順利通過并最終進(jìn)入像面。但當(dāng)視場(chǎng)外雜散光離軸角變大時(shí), 二級(jí)遮光罩將優(yōu)于一級(jí), 前者使更多的雜散光在bcp 段和主鏡間、bc 段和次鏡內(nèi)遮光罩間、bc 段和次鏡間來回反射, 使部分雜散光得到極大地衰減; 同時(shí), 二級(jí)遮光罩使從主鏡內(nèi)遮光罩端口進(jìn)入視場(chǎng)的雜散光在到達(dá)像面前, 至少經(jīng)過2次衍射, 從而起到抑制端口衍射雜散光的作用

19、。2. 3內(nèi)遮光罩設(shè)計(jì)實(shí)例7(6 (7應(yīng)用光學(xué)2009, 30(4 高郭鵬, 等:R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)578例, 給出其主鏡和次鏡內(nèi)遮光罩的設(shè)計(jì)結(jié)果。當(dāng)視場(chǎng) =0. 375°, 主反射鏡焦距f 1=655. 15mm , R-C 系統(tǒng)焦距f =1300m m, 后截距L B =90. 61mm , 中心遮光比k =0. 46, 主、次鏡參數(shù)分別為L(zhǎng) 1=824. 5mm , D 1=127. 5mm , L 2=418. 5m m , D 2=51. 14m m 時(shí), 利用以上的設(shè)計(jì)方法可以得到主、次鏡內(nèi)遮光罩的頂點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。表2中還列出

20、了p 點(diǎn)即一級(jí)錐狀遮光罩的頂點(diǎn)坐標(biāo)。表2內(nèi)遮光罩頂點(diǎn)坐標(biāo)Table . 2Vertex coordinate of inner baf fle 頂點(diǎn)a b c dx 458. 4069607. 7325628. 2511600. 3258y 58. 650036. 218633. 136735. 5342本文在T racepr o 中建立了該R-C 系統(tǒng)的模型, 追跡了雜散光在不同離軸角度入射時(shí)到達(dá)像面的雜散光照度。如圖3所示, 繪出了主鏡內(nèi)遮光罩分別為二級(jí)和一級(jí)時(shí), 入射到像面上的雜散光照度隨雜散光離軸角變化的曲線。由于離軸角較大時(shí), 到達(dá)像面的能量將會(huì)比較小, 不便于繪圖, 因此圖3中的縱

21、坐標(biāo)實(shí)際是光照度的對(duì)數(shù)值。從圖3中可知, 當(dāng)雜散光離軸角比較小時(shí), 二級(jí)和一級(jí)遮光罩對(duì)雜散光的抑制效果大致相同; 當(dāng)離軸角達(dá)到30°以上時(shí), 二級(jí)遮光罩相比一級(jí)的抑制效果更為明顯。圖4是離軸角為70°時(shí)像面上雜散光的照度圖。從圖4中可以看出遮光罩為二級(jí)和一級(jí)時(shí), 到達(dá)像面的雜散光照度分別為1. 0823×10-12W /m 2和1. 6614×10-10W/m 2, 相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。以上模擬結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的主鏡二級(jí)遮光罩優(yōu)于一級(jí) 遮光罩的方法。圖4離軸角70°時(shí)像面上的光照度Fig . 4Illumination on image plan

22、e asof f -axis angle is 70°3主鏡、次鏡間鏡筒內(nèi)壁上擋光環(huán)的設(shè)計(jì)雜散光的抑制與分析中有2個(gè)重要的表面:一是關(guān)鍵表面, 指從探測(cè)器看到的任何表面, 包括從反射鏡和鏡頭中看到的這些表面的像; 二是光源直接照射面, 指從光源直接或通過反射或鏡面和鏡頭散射后間接接收光能的表面, 此二類表面的相關(guān)組合構(gòu)成雜散光傳輸?shù)穆窂?。?shí)際使用中, 常利用在遮光罩或鏡筒內(nèi)壁增加擋光環(huán), 減小或移除關(guān)鍵表面或光源直接照射表面, 特別是一些同時(shí)充當(dāng)此二類表面的部件。R-C 系統(tǒng)中, 主、次鏡間的鏡筒阻止外界雜散光直接入射到像面, 但鏡筒表面本身具有一定反射率, 鏡筒內(nèi)壁的部分表面實(shí)際上

23、充當(dāng)關(guān)鍵表面或光源直接照射表面或同時(shí)充當(dāng)此二類表面。因此, 當(dāng)8圖3像面上的雜散光照度隨雜光離軸角變化的曲線Fig . 3Variation of stray light illumination on 有雜散光輻射到鏡筒內(nèi)壁某些表面上時(shí), 可能反射到反射鏡面, 多次反射后到達(dá)像面形成干擾。因此,應(yīng)用光學(xué)2009, 30(4 高郭鵬, 等:R-C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設(shè)計(jì)及錐狀內(nèi)遮光罩的改進(jìn)579擋光環(huán)。為此, 本文為主、次鏡間鏡筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)了一定數(shù)量的擋光環(huán)。如圖5所示, 虛線為不加擋光環(huán)時(shí)主、次鏡間鏡筒的位置, 本文設(shè)計(jì)鏡筒內(nèi)壁擋光環(huán)為等高, 并記作H 。外界雜散光由次鏡邊緣點(diǎn)1入射,

24、 擋光環(huán)設(shè)置的目的是隔斷點(diǎn)1入射到鏡筒內(nèi)壁上的大部分雜散光到達(dá)主鏡的路徑。在加上高度為H 的鏡筒壁(實(shí)線表示 上選擇靠近主鏡的一點(diǎn)與點(diǎn)1和2連接作為鏡筒接收雜散光的最小角度路徑。在此路徑與虛線的交點(diǎn)處點(diǎn)4和3設(shè)置2個(gè)擋光環(huán)。依此類推, 由最小角度路徑與虛線的交點(diǎn)進(jìn)行了點(diǎn)1和2間的連接, 便可確定其他擋光環(huán)的位置, 直到接近外鏡筒邊緣。本文為某R-C 系統(tǒng)主、次鏡間鏡筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)了5 級(jí)擋光環(huán)。o f o pt ical system with larg e a per ture and lo ng focal length J. Jo ur nal of A pplied O pt ics, 1

25、998, 19(5 :44-47. (in Chinese w ith an English abstract 2王靈杰, 張新, 楊皓明, 等. 超緊湊型紅外折反式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J .應(yīng)用光學(xué), 2007, 28(3 :288-291. W A NG L ing -jie, ZHAN G X in, Y A NG Hao -ming , et a l.Design o f a co mpa ct infrar ed cat adio ptricsy st em J . Jour nal of A pplied O pt ics , 2007, 28(3 :288-291. (in Chines

26、e w ith an English abst ract 3袁旭滄. 光學(xué)設(shè)計(jì)M . 北京:北京理工大學(xué)出版社,1988.YU A N X u -ca ng . Chinese4光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯組. 光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè):下冊(cè)M . 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1971.Edito rial g r oup of optica l instr ument desig n manual. O ptical instr ument design manual :II M .Beijing :D efense Industr y P ress , 1971. (in Chinese 5李暉, 李英才.

27、星載光學(xué)系統(tǒng)遮光罩消雜光結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法J.光子學(xué)報(bào), 1996, 25(10 :914-918.O ptical desig n M .Beijing :Beijing Instit ute o f T echnolog y P ress, 1988. (in圖5主、次鏡間鏡筒內(nèi)壁擋光環(huán)的設(shè)計(jì)Fig . 5Design of vanes in drawtube between primaryand secondary mirrorsL I hui, L I Y ing-cai. A n o ptimum desig n method fo r t he light ha de o f spa

28、cebor ne optical sy st em J .Acta918. (in Chinese P hoto nica Sinica , 1996, 25(10 :914-w it h a n Eng lish abstr act 6宋寧, 韓心志, 李潤(rùn)順. 航天遙感器里奇-克雷蒂安系統(tǒng)遮光罩的設(shè)計(jì)和分析J .光學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 20(6 :821-826.SON G N ing, HA N Xin-zhi, L I Run-shun. Desig n and analysis o f the baffle o f the r itchey -chr etien (R-C sy stem used in space remo te sens