超短型內(nèi)嵌式遮光罩設(shè)計

李 洋，廖志波，穆生博，郭 悅，王海超

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

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超短型內(nèi)嵌式遮光罩設(shè)計

李 洋*，廖志波，穆生博，郭 悅，王海超

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

為了在不影響雜散光抑制效果的同時減少空間遙感器的結(jié)構(gòu)尺寸，方便其姿態(tài)控制，提出了一種超短型內(nèi)嵌式遮光罩。介紹了超短型內(nèi)嵌式遮光罩的基本結(jié)構(gòu)形式及其優(yōu)化設(shè)計方法。重新設(shè)計了遮光罩的形狀，采用超短型多層遮光筒結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)設(shè)計中過長的外遮光罩。改變了遮光罩與主體結(jié)構(gòu)的安裝方式，將遮光罩嵌入式安裝于空間遙感器的主體結(jié)構(gòu)，最大限度地壓縮了結(jié)構(gòu)尺寸。以某航空相機(jī)光學(xué)載荷為例，分析了該種遮光罩的可行性和消雜散光效果。采用Light-tools軟件優(yōu)化設(shè)計了雙層同心圓柱筒結(jié)構(gòu)的遮光罩，并對該遮光罩的雜散光抑制效果進(jìn)行了評估。模擬計算結(jié)果表明，外遮光罩采用超短型內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)后，遮光罩總長度和重量均減小為傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的1/3。系統(tǒng)的點(diǎn)源透過率(PST)曲線顯示其整體呈下降趨勢，且在離軸角大于25°后，光學(xué)系統(tǒng)的PST降低到10-7以下。另外，設(shè)計的遮光罩能夠有效抑制視場外雜散光，其雜散光抑制能力與其他離軸、同軸系統(tǒng)大體相當(dāng)，滿足使用需求。

空間遙感器；遮光罩；超短型內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)；點(diǎn)源透過率(PST)；雜散光

1 引 言

太陽、月亮等強(qiáng)輻射源引起的雜散光是影響空間遙感器成像質(zhì)量的重要因素[1]。為了盡量減少視場外直接進(jìn)入空間遙感器的雜散光，通常情況下，遙感器的外遮光罩要滿足一定的長度，至少能夠限制以雜散光抑制角入射的太陽光直接入射到主鏡上。此外，不同的對地觀測遙感器對軸外雜散光的抑制要求也不同，通常要求軸外強(qiáng)光源的消光比在106以上，因此，國內(nèi)外較為常見的空間遙感器的外遮光罩往往具有較長的結(jié)構(gòu)尺寸或較寬的口徑[2-6]。較長的外遮光罩會增大光機(jī)系統(tǒng)的尺寸、重量和慣性。然而，空間遙感器的外遮光罩尺寸受限于火箭整流罩的空間包絡(luò)、衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)、航空相機(jī)搭載平臺等結(jié)構(gòu)尺寸。國外主要采用可展開式緊湊型遮光罩的設(shè)計。為了避開發(fā)射過程中火箭整流罩對遮光罩的空間約束，美國Aerospace and Bonded Structures(ABS)公司與QinetiQ North America(QNA)聯(lián)合為NASA研制了一款通用的可展開遮光罩[7]，但其缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、穩(wěn)定性差、質(zhì)量大，不利于遙感器的姿態(tài)控制。本文提出了一種超短型內(nèi)嵌式外遮光罩設(shè)計，該遮光罩具有質(zhì)量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，利于空間遙感器的尺寸和姿態(tài)控制。以某航空飛機(jī)搭載的離軸反射式光學(xué)載荷為例，利用Light-tools軟件建立了雜散光分析模型，對超短型內(nèi)嵌式遮光罩的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。最后，通過仿真計算系統(tǒng)的雜散光系數(shù)和點(diǎn)源透過率(Point Source Transmission，PST)，綜合評估了該遮光罩的雜散光抑制能力。

2 遮光罩基本結(jié)構(gòu)模型

遮光罩的基本原則是在不遮擋視場內(nèi)光線的前提下，盡可能地阻攔視場外的雜散光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)[8]。本文提出一種超短型內(nèi)嵌式外遮光罩結(jié)構(gòu)，采用兩層或多層遮光筒結(jié)構(gòu)阻擋不同視場外的強(qiáng)雜散光源進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際的雜散光路徑，遮光筒可以設(shè)計成圓柱筒、方筒、錐狀或其他形狀。為避免遮光筒遮擋成像光線，本文采用非對稱的結(jié)構(gòu)形式。由連接桿將多層遮光筒固定在連接法蘭周側(cè)，連接法蘭前端面開有螺紋孔，將超短型內(nèi)嵌式遮光罩固定在空間遙感器的入口，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 超短型內(nèi)嵌式遮光罩基本結(jié)構(gòu)

3 遮光罩設(shè)計實(shí)例

本文以某航空相機(jī)搭載的光學(xué)載荷為例，該載荷的光路如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)是由主、次、三鏡組成的離軸反射式結(jié)構(gòu)，后續(xù)透鏡組由多片透鏡組成。為了減小結(jié)構(gòu)尺寸，次鏡和三鏡間增加了折轉(zhuǎn)鏡，通過光路的折轉(zhuǎn)使結(jié)構(gòu)緊湊。遮光罩的設(shè)計指標(biāo)要求如表1所示。

圖2 光機(jī)系統(tǒng)的簡化模型圖

設(shè)計指標(biāo)值雜散光抑制角/(°)40視場角/(°)1．5×1．5通光口徑/mm120PST指標(biāo)要求9．1×10-6尺寸/mm≤80

3.1 傳統(tǒng)設(shè)計

一般來說，外遮光罩主要用于抑制大角度入射的光線，其長度受到光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的約束，但至少能夠限制以雜散光抑制角入射的太陽光直接入射到主鏡上。目前，不同結(jié)構(gòu)類型的外遮光罩結(jié)構(gòu)尺寸的計算方法及公式有很多，較常用的計算方法為[9-12]：

L=d/(tanω-tanθ)，

(1)

D=d+2×L×tanθ，

(2)

其中：θ為半視場角；ω為雜散光抑制角；d為通光口徑；L為遮光罩長度；D為遮光罩最外端的開口直徑。

根據(jù)式(1)和式(2)計算出雜散光抑制角為40°時，圖2所示的離軸三反系統(tǒng)所需的外遮光罩長度L=145.3 mm，遮光罩最外端的開口直徑D=123.8 mm。

3.2 超短型內(nèi)嵌式遮光罩設(shè)計

根據(jù)圖1所示的超短型內(nèi)嵌式遮光罩的結(jié)構(gòu)形式，利用Light-tools軟件對光機(jī)系統(tǒng)建模。然后基于蒙特卡羅法，通過光線追跡定位軸外大角度入射光線進(jìn)入系統(tǒng)的路徑，并根據(jù)此路徑確定超短型內(nèi)嵌式遮光罩遮光筒的數(shù)量和結(jié)構(gòu)形式。Light-tools軟件進(jìn)行仿真分析前，首先設(shè)置光機(jī)系統(tǒng)各元件表面的雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)屬性。鏡框、鏡筒等機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面涂覆有消雜光黑漆，該模型的總散射率設(shè)置為15%，吸收率設(shè)置為85%；鏡面等光學(xué)元件模型的總散射率設(shè)置為3%，反射率設(shè)置為97%，透鏡的透過率設(shè)置為99%，反射率設(shè)置為1%。Light-tools對光機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡，確定軸外大角度入射光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的主要雜散光路徑有以下兩種：

(1)視場外大角度入射光線未經(jīng)過次鏡反射直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)像面的一次雜散光，如圖3(a)所示；

(2)視場外大角度入射光線未經(jīng)過主鏡和次鏡的反射到達(dá)像面產(chǎn)生的一次雜散光，如圖3(b)所示。

(a)路徑1

(b)路徑2

根據(jù)雜散光的主要路徑，優(yōu)化第2節(jié)超短型內(nèi)嵌式遮光罩的基本結(jié)構(gòu)。為了避免遮光罩遮擋視場內(nèi)成像光線，本文設(shè)計的遮光罩采用非對稱雙層同心圓柱筒結(jié)構(gòu)，如圖4所示，遮光罩總長度L=46 mm。由設(shè)計結(jié)果可知，超短型內(nèi)嵌式遮光罩的總長僅為傳統(tǒng)設(shè)計所需長度的1/3，大大縮小了遮光罩的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4 優(yōu)化的超短型內(nèi)嵌式遮光罩結(jié)構(gòu)

3.3 雜散光分析結(jié)果

本文通過計算光學(xué)系統(tǒng)的軸外視場PST，結(jié)合雜散光系數(shù)，綜合評估光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制能力。軸外視場PST定義為視場角為θ的點(diǎn)源目標(biāo)輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，在像面產(chǎn)生的輻射照度Ed(θ)與輸入的輻射照度Ei(θ)的比值[13-15]，即：

PST(θ)=Ed(θ)/Ei(θ).

(3)

采用Light-tools軟件對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，算得該系統(tǒng)的雜散光系數(shù)為1.4%。同時，本文對光學(xué)系統(tǒng)為2～40°離軸角的雜散光進(jìn)行詳細(xì)分析，計算得到的PST如圖5和表2所示。角度的確定主要考慮視場角附近的入射光線及雜散光抑制角內(nèi)的入射光線對成像的影響，由于遮光罩能夠阻擋角度大于40°的入射光線，因此離軸角大于40°的入射光線不予考慮。

圖5 各離軸角下光學(xué)系統(tǒng)的PST曲線

入射角/(°)PST22．24×10-532．12×10-551．44×10-561．35×10-5106．13×10-6154．09×10-6201．81×10-6258．47×10-7307．13×10-7354．38×10-7403．19×10-7

由分析結(jié)果可知，隨著離軸角的增大，光學(xué)系統(tǒng)的PST一直在下降。當(dāng)離軸角為2°時，系統(tǒng)PST為10-5；當(dāng)離軸角為25°時，光學(xué)系統(tǒng)PST降低至10-7以下，說明該系統(tǒng)能夠有效抑制各種離軸角度入射光線產(chǎn)生的一次散射雜散光。對于軸外小角度入射光線產(chǎn)生的散射，其他幾種離軸、同軸反射式系統(tǒng)也無法消除，本文所設(shè)計的超短型內(nèi)嵌式遮光罩的雜散光抑制能力與其他離軸、同軸系統(tǒng)大體相當(dāng)[8，16-18]。

4 結(jié) 論

本文提出了一種超短型內(nèi)嵌式遮光罩設(shè)計方案。以某航空相機(jī)搭載的光學(xué)遙感器為例，采用Light-tools軟件優(yōu)化設(shè)計了雙層同心圓柱筒結(jié)構(gòu)的遮光罩，并對該遮光罩的雜散光抑制效果進(jìn)行評估。模擬計算結(jié)果表明，外遮光罩采用超短型內(nèi)嵌式的結(jié)構(gòu)后，遮光罩總長度、質(zhì)量均減小為傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果所需長度的1/3。由系統(tǒng)的PST曲線可知，PST曲線整體呈下降趨勢，且在離軸角大于25°后，光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)PST降低到10-7以下，本文所述遮光罩能夠有效抑制視場外的雜散光，其雜散光抑制能力與其他離軸、同軸系統(tǒng)大體相當(dāng)，能夠滿足使用需求。此類型遮光罩的基本結(jié)構(gòu)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)還適用于其他結(jié)構(gòu)尺寸要求嚴(yán)格的光學(xué)系統(tǒng)，具有一定的通用性和實(shí)用性。

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李 洋(1985-)，女，吉林省吉林人，碩士，工程師，2007年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于中科院南京天文光學(xué)與技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)設(shè)計與仿真方面的研究。E-mail：lyshelly@sina.cn

廖志波(1981-)，男，湖南長沙人，碩士，高級工程師，2004年、2006年于北京理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)檢測技術(shù)及光學(xué)仿真方面的研究。E-mail：bitliaozb@126.com

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Design of ultra-short embedded baffle

LI Yang*， LIAO Zhi-bo， MU Sheng-bo， GUO Yue， WANG Hai-chao

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity， Beijing 100094，China)

An ultra-short embedded baffle was put forward to reduce the size of an aerial satellite and to control its attitude meanwhile maintaining the result of stray light suppressing. The basic structure of the ultra-short embedded baffle was introduce， and its optimized design method was given. The shape of the baffle was redesigned， and an ultra-short multilayer shading tube was designed to replace the quite long baffle designed by existing methods. The installation mode between the baffle and the main structure was changed. The designed baffle was installed into the main structure of an air sensor by an embedding manner， by which the size of the baffle was reduced in the greatest extent. Finally， a concrete aerial camera was taken for an example， and the feasibility of this baffle and its effect on the stray light suppressing were analyzed. A baffle with two-layer concentric cylindrical tube was optimizing by Light-tools software and its stray light suppressing was evaluated. The simulation results show that after the ultra-short embedded structured was used in the baffle， its whole length and weight are just one third of that of the traditional one. The Point Source Transmission(PST) shows a declining curve， and the PST value of the optical system is less than 10-7when the off-axis angle is wider than 25°. Furthermore， the designed baffle suppresses the undesired stray-light flux at the focal plane， the suppressed effectiveness is the same as that of the off-axis and coaxial systems， and meets the requirements of the applications.

space remote sensor； baffle； ultra-short embedded structure； Point Source Transmission(PST)； stray light

2016-07-25；

2016-09-13.

總裝備部預(yù)研基金資助項(xiàng)目(No.9140A21010114HT05063)

1004-924X(2016)11-2683-06

V414.19；V443.5

A

10.3788/OPE.20162411.2683

*Correspondingauthor，E-mail：lyshelly@sina.cn