R_C系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進_圖文

1、第30卷第4期應用光學V o l. 30N o. 42009年7月Jo urnal of A pplied Optics Jul. 2009文章編號:1002-2082(2009 04-0575-05R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進高郭鵬, 熊望娥, 甘玉泉, 劉陽2. 中國科學院研究生院, 北京1000391, 211, 21, 2(1. 中國科學院西安光學精密機械研究所, 陜西西安710119;摘要:基于幾何作圖法推導出R-C 系統(tǒng)外遮光罩內擋光環(huán)頂點的坐標公式, 利用C 語言編程實現程序化設計擋光環(huán)。在中心遮光比確定的情況下, 推導出內遮光罩的頂點坐標公式,

2、并將通常使用的主鏡一級錐狀遮光罩改進為二級錐狀遮光罩, 以高速攝影系統(tǒng)的R -C 型折反式主物鏡為例, 對其主鏡和次鏡內遮光罩進行設計, 并給出設計結果。當軸角為70°, 遮光罩為二級和一級時, 到達像面的雜散光照度分別為1. 0823×10W /m 和1. 6614×10W/m , 相差二個數量級, 證明改進的二級遮光罩優(yōu)于一級遮光罩, 能有效抑制雜散光。最后, 設計了主、次鏡間鏡筒內壁上等高擋光環(huán), 進一步抑制了R -C 系統(tǒng)的雜散光。關鍵詞:R-C 系統(tǒng); 雜散光; 遮光罩; 擋光環(huán)中圖分類號:O 439文獻標志碼: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引言光學系統(tǒng)成像時, 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, 構成不參與成像的有害光即雜散光。R-C 光學系統(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、無色差等1收稿日期:2009-02-06; 修回日期:2009-03-05基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2009CB72405作者簡介:高郭鵬(1983- , 男, 陜西渭南人, 碩士研究生, 主要從事空間光學系統(tǒng)的雜散光抑制的研究。E-應用光學2009, 30(4 高郭鵬, 等:R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進576優(yōu)點, 因此在空間光學遙感系統(tǒng)中得到廣泛應用。然而, R -C 系統(tǒng)所帶來的中心遮攔、結構嚴格等問題, 使得其雜散光抑制難于處理。通常的做法是:設置外遮光罩阻擋視場外大角度光線直射主校正鏡, 設計主、次鏡內遮光罩阻擋視場外小角度

8、光線直射像面2-3(5 式得到第一個擋光環(huán)頂點的坐標值, 連FX 0并延長交CD 于點X 0(x 0, y 0 ; 連E X 0交A B 于新點X 0(x 0, y 0 得到第二個擋光環(huán)頂點的坐標, 連新直線FX 0并延長交CD 于新點X 0(x 0, y 0 , 以此類推直至x 0<0, 得到一系列擋光環(huán)頂點的坐標X 0(x 0,。y 0 。由于此計算過程極為繁瑣, 本文將上述算法在計算機上利用C 語言編程, 能方便地得到擋光環(huán)頂點坐標, 這一方法已在實際設計中得到應用。本文在作圖法的基礎上, 首先推導出外遮光罩內擋光環(huán)頂點的坐標公式, 利用C 語言編程實現程序化設計擋光環(huán), 并給出設

9、計實例。然后推導出主鏡、次鏡內遮光罩的頂點坐標公式, 將通常使用的主鏡一級錐狀遮光罩改進為二級遮光罩; 最后給出的具體實例說明, 主鏡二級遮光罩比一級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 光學系統(tǒng)提供一種有效抑制雜散光的方法。最后, 設計了主、次鏡間鏡筒內壁上等高擋光環(huán), 進一步抑制了R-C 系統(tǒng)雜散光。圖1外遮光罩內擋光環(huán)設計示意圖Fig . 1Design of vanes in outer baff le1外遮光罩的設計外遮光罩的設計原則是阻止光學系統(tǒng)視場外大角度雜散光直接射向主校正鏡, 使得到達主校正鏡第一光學表面的雜散光至少經過一次散射衰減。另外, 在外遮罩內壁設

10、立擋光環(huán)和高吸收涂層能使到達主校正鏡第一光學表面的雜散光經過一次以上散射衰減。在儀器視場角 、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度L 與直徑D 的大小。外遮光罩內擋光環(huán)按照下面的原則設計。如圖1, 以光軸為X 軸、遮光罩外端口為Y 軸建立直角坐標系, 設擋光環(huán)的高度相等并記為H , 則A , B , C , D , E , F 點的坐標分別為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中任意兩點間

11、(x 1, y 1 和(x 2, y 2 的直線方程可表達為(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坐標(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R-C 系統(tǒng)外遮光罩及其擋光環(huán)的設計實例。當 =0. 375°, D 0=255mm, =40°時, 外遮光罩長度L =354m m, 外端口徑D 0=259mm 。該外遮光罩內

12、擋光環(huán)頂點的坐標如表1所示。表1外遮光罩內擋光環(huán)頂點坐標Table . 1Vertex coordinate of vanes in outer baf fle頂點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內遮光罩的設計2. 1內遮光罩設計原則次鏡內遮光罩尺寸和口徑設R -C 系統(tǒng)中, 主、計的基本原則是, 要求內遮光罩能夠對直接進入視00應用光學2009, 30(4 高郭鵬, 等:R-C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進577體要求6為:1 視場外的光線被主鏡上的內遮光罩所遮擋; 2 視場外的光線被次鏡上的內遮光罩所遮擋; 3 在入瞳邊緣入射的邊緣視場光線不被主鏡上的內遮光罩遮

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

15、即ha 段。2. 2. 2主鏡內遮光罩頂點b 及拐點c 坐標為求得主鏡內遮光罩的頂點及拐點坐標, 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過外遮光罩頂點和次鏡內遮光罩頂點的光線k d j =ga 的方程為y =-x tan j +D 1其中j =tan(11a 1(12 x a主鏡內遮光罩頂點為光線dj 與光線ga 的交點b , 其坐標為1111djx b =(13 k dj +tan jdj 1d j 111j(14 y b =k +tan

16、j主鏡內遮光罩的拐點為光線ga 和光線hm 的交點c , 其坐標為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內遮光罩設計示意圖Fig . 2Design of inner baf f ley c =當外遮光罩、主鏡及次鏡結構確定之后, 仍然使用設計外遮光罩時的坐標系, 點e , g , i , j , h , m 的坐標分別為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經主鏡反射后的光線ei , 光線1經主鏡、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次鏡內遮光罩頂點a 坐標當R-C 系統(tǒng)中心遮光比k 確定后, 可由光線ei (16當外遮光罩結構確定后, 光線1經主、次鏡反射后的光線hm , 光線2經主鏡

18、反射后的光線dj 與邊緣光線ga 的交點b 、c 及光線hm 和光線dj 的交點q 一般并不重合。為此, 本文將主鏡內遮光罩設計成如圖2所示的折線bcp 段即二級錐狀遮光罩, 不同于通常使用的p q 段即一級錐狀遮光罩。二級錐狀遮光罩相比一級錐狀遮光罩, 都可以使得成像光線順利通過并最終進入像面。但當視場外雜散光離軸角變大時, 二級遮光罩將優(yōu)于一級, 前者使更多的雜散光在bcp 段和主鏡間、bc 段和次鏡內遮光罩間、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, 二級遮光罩使從主鏡內遮光罩端口進入視場的雜散光在到達像面前, 至少經過2次衍射, 從而起到抑制端口衍射雜散光的作用

19、。2. 3內遮光罩設計實例7(6 (7應用光學2009, 30(4 高郭鵬, 等:R -C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進578例, 給出其主鏡和次鏡內遮光罩的設計結果。當視場 =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、次鏡參數分別為L 1=824. 5mm , D 1=127. 5mm , L 2=418. 5m m , D 2=51. 14m m 時, 利用以上的設計方法可以得到主、次鏡內遮光罩的頂點坐標如表2所示。表2中還列出

20、了p 點即一級錐狀遮光罩的頂點坐標。表2內遮光罩頂點坐標Table . 2Vertex coordinate of inner baf fle 頂點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到達像面的雜散光照度。如圖3所示, 繪出了主鏡內遮光罩分別為二級和一級時, 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, 到達像面的能量將會比較小, 不便于繪圖, 因此圖3中的縱

21、坐標實際是光照度的對數值。從圖3中可知, 當雜散光離軸角比較小時, 二級和一級遮光罩對雜散光的抑制效果大致相同; 當離軸角達到30°以上時, 二級遮光罩相比一級的抑制效果更為明顯。圖4是離軸角為70°時像面上雜散光的照度圖。從圖4中可以看出遮光罩為二級和一級時, 到達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個數量級。以上模擬結果驗證了本文提出的主鏡二級遮光罩優(yōu)于一級 遮光罩的方法。圖4離軸角70°時像面上的光照度Fig . 4Illumination on image plan

22、e asof f -axis angle is 70°3主鏡、次鏡間鏡筒內壁上擋光環(huán)的設計雜散光的抑制與分析中有2個重要的表面:一是關鍵表面, 指從探測器看到的任何表面, 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, 此二類表面的相關組合構成雜散光傳輸的路徑。實際使用中, 常利用在遮光罩或鏡筒內壁增加擋光環(huán), 減小或移除關鍵表面或光源直接照射表面, 特別是一些同時充當此二類表面的部件。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, 鏡筒內壁的部分表面實際上

23、充當關鍵表面或光源直接照射表面或同時充當此二類表面。因此, 當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壁某些表面上時, 可能反射到反射鏡面, 多次反射后到達像面形成干擾。因此,應用光學2009, 30(4 高郭鵬, 等:R-C 系統(tǒng)外遮光罩擋光環(huán)的程序化設計及錐狀內遮光罩的改進579擋光環(huán)。為此, 本文為主、次鏡間鏡筒內壁設計了一定數量的擋光環(huán)。如圖5所示, 虛線為不加擋光環(huán)時主、次鏡間鏡筒的位置, 本文設計鏡筒內壁擋光環(huán)為等高, 并記作H 。外界雜散光由次鏡邊緣點1入射,

24、 擋光環(huán)設置的目的是隔斷點1入射到鏡筒內壁上的大部分雜散光到達主鏡的路徑。在加上高度為H 的鏡筒壁(實線表示 上選擇靠近主鏡的一點與點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處點4和3設置2個擋光環(huán)。依此類推, 由最小角度路徑與虛線的交點進行了點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、次鏡間鏡筒內壁設計了5 級擋光環(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系統(tǒng)設計J .應用光學, 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

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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, 李潤順. 航天遙感器里奇-克雷蒂安系統(tǒng)遮光罩的設計和分析J .光學學報, 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