TMA相機(jī)中抑制雜散光的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2014-08-07 23:22王丹藝張國玉廖志波

光學(xué)儀器 2014年3期

王丹藝+張國玉+廖志波

文章編號： 10055630(2014)03027306

收稿日期： 20031204

作者簡介：王丹藝(1989),女,碩士研究生,主要從事光電測控技術(shù)與儀器方面的研究。

通訊作者：張國玉（1962），男，教授，博士,主要從事空間科學(xué)與技術(shù)、光電儀器與檢測技術(shù)等方面的研究。

摘要：針對離軸三反(TMA)結(jié)構(gòu)相機(jī)消雜光問題,提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法,即采用三種措施對關(guān)鍵表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在弱化或遮擋雜散光路的基礎(chǔ)上開展精細(xì)化仿真,降低關(guān)鍵表面的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)。結(jié)果表明:在關(guān)鍵表面添加擋光板組的方式可以獲得極佳的抑制效果,降低消光漆的使用要求,減少工藝難度。

關(guān)鍵詞： TMA系統(tǒng); 雜散光分析; 雙向反射分布函數(shù)(BRDF)

中圖分類號： V 245.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.018

Optimal designing of stray light for TMA camera

WANG Danyi1,2, ZHANG Guoyu1, LIAO Zhibo2

(1.Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China;

2.Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100076, China)

Abstract： There are serious phenomena of stray light in the offaxis threemirror (TMA) camera. In this paper, three methods of critical surface optimization areproposed. The stray light is suppressed through baffling light path and reducing bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of critical surface by simulation. The results show that there are obvious effects on suppressing stray light by baffle structure of stray light on critical surface. This method can reduce requirement of extinction paint and difficulty of processing.

Key words： offaxis threemirror optical(TMA)system; stray light analysis; bidirectional reflectance distribution function(BRDF)

引言離軸三反(TMA)系統(tǒng)具有視場范圍廣、相對孔徑大且無中心遮攔等優(yōu)點(diǎn),因此常被應(yīng)用于航天遙感器相機(jī)結(jié)構(gòu)中。遙感相機(jī)中雜散光對光學(xué)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為像面對比度降低、傳遞函數(shù)退化及信噪比降低,導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量下降。本文從雜散光抑制原理出發(fā),以某一型號TMA系統(tǒng)相機(jī)為例開展雜散光抑制優(yōu)化設(shè)計,探討雜散光路的分析方法,在同樣追跡1 000萬根光束的情況下,比較不同抑制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能力,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計將雜光系數(shù)從4.64%降低至1.33%,從而獲得理想成像效果。1TMA相機(jī)雜散光抑制原理

1.1TMA相機(jī)雜散光抑制原理光輻射能的基本能量傳輸計算在能量分布、熱交換、輻射系統(tǒng)測量等領(lǐng)域有十分重要的作用［12］。光學(xué)系統(tǒng)像面接收到的雜散能量與雜散光源輻射出的能量遵循以下能量傳輸方程［3］:dΦc=BRDF(i,θi;c,θc)dΦs(i,θi)GCFSCπ(1)其中,dΦc是探測器接收到的能量微元,dΦs是雜散光源輻射出的能量微元,其中θi和i分別為入射方向的天頂角和方向角,θc和c分別為反射方向的天頂角和方向角,BRDF是雙向反射分布函數(shù),GCFSC是探測器與雜散光源之間的幾何構(gòu)成因子。因此,雜散能量抑制的關(guān)鍵步驟之一就是確定雜散光源,減少或者弱化雜散光的傳遞路徑,降低BRDF。

光學(xué)儀器第36卷

第3期王丹藝，等：TMA相機(jī)中抑制雜散光的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

圖1TMA結(jié)構(gòu)雜散光抑制措施示意圖

Fig.1Stray light attenuation measure of

TMA optical system1.2TMA相機(jī)雜散光抑制措施TMA相機(jī)雜散光的抑制方法通常有三種［34］,分別是添加外遮光罩、建立擋光環(huán)及在結(jié)構(gòu)表面噴涂消光涂層,如圖1所示。以下對三種方法作簡要說明:(1)外遮光罩:通過添加外遮光罩并利用表面材料特性,在遮光罩內(nèi)部設(shè)置光闌從而抑制已進(jìn)入遮光罩內(nèi)的雜散光。外遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計首先需要考慮的是材料,需選擇密度低、熱導(dǎo)率高、彈性模量高和線膨脹系數(shù)低的材料;(2)擋光環(huán):在散射路徑上添加擋光環(huán)、遮光葉片等,從而減少或弱化雜散光路徑;(3)表面涂層:利用涂料的表面粗糙度和多孔性散射和吸收雜散光,消雜光涂料應(yīng)與擋光環(huán)相結(jié)合使用,使雜散光在筒壁上反射兩次以上。2TMA相機(jī)雜散光分析

2.1光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)本文中研究的相機(jī)為三反離軸系統(tǒng),雜散光系數(shù)要求在3%以內(nèi)。此光學(xué)系統(tǒng)由主鏡、次鏡、三鏡、平面反射鏡和探測器組成。光學(xué)參數(shù)如表1所示,光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

表1三反離軸相機(jī)參數(shù)表

Tab.1The parameter of TMA camera

名稱參數(shù)光譜范圍0.45~0.9 μm鏡頭焦距5 505 mm光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)12.75視場角10.2°(垂直飛行方向)×0.75°(沿飛行方向)光學(xué)結(jié)構(gòu)反射率為98%,吸收率為2%機(jī)械結(jié)構(gòu)朗伯散射,反射率為8%,吸收率為92%光源0°～80°,1 000 W

^圖2三反離軸相機(jī)光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

Fig.2The optical design of TMA camera

2.2分析流程圖目前,國內(nèi)對雜散光分析研究的主要方法是建立實(shí)體模型,給定機(jī)械結(jié)構(gòu)及光學(xué)結(jié)構(gòu)表面參數(shù),通過蒙特卡羅光線追跡法確定各個角度的雜散光傳輸路徑,從而得到最初的分析結(jié)果［5］。根據(jù)此結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,修改遮光罩或在雜散光路徑上添加遮光葉片等,最終降低雜散光對光學(xué)系統(tǒng)的影響,傳統(tǒng)的分析流程較為簡單,不夠細(xì)化。本文在總結(jié)上述分析流程原理的基礎(chǔ)上,將其更加細(xì)化,運(yùn)用Lighttools軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析仿真。對目標(biāo)物體進(jìn)行建模,確定雜散路徑,提出多種抑制措施并對比得出最為有效的一種,針對添加擋光板或消雜散光螺紋的表面做精細(xì)化仿真,設(shè)置不同的材料屬性并追跡仿真,從而確定最有效的抑制措施,使雜散光抑制能力達(dá)到更好的效果,光學(xué)分析流程如圖3圖3改進(jìn)后的分析流程圖

Fig.3Analysis flow chart所示。本課題所研究的光學(xué)相機(jī)為TMA離軸三反結(jié)構(gòu),對結(jié)構(gòu)已針對性設(shè)計外遮光罩,并在遮光罩內(nèi)部添加光闌從而抑制進(jìn)入遮光罩內(nèi)部的雜散光。在接收器通光口設(shè)計擋光環(huán),遮擋部分由系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)散射或反射而引起的雜散光。針對已添加外遮光罩及擋光環(huán)的機(jī)械結(jié)構(gòu),運(yùn)用Lighttools軟件進(jìn)行光路仿真追跡,追跡1 000萬根光束,計算得出雜散光系數(shù)為4.64%,未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求3%,即此結(jié)構(gòu)仍不滿足目標(biāo)要求,因此需要進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在減少或弱化雜散光路的基礎(chǔ)上,降低BRDF,從而使雜散光系數(shù)低于3%的目標(biāo)要求,降低雜散光對系統(tǒng)成像的影響。

2.3TMA相機(jī)雜散光路分析通常,“被照射表面”定義為從雜散輻射源所在的物空間出發(fā)能直接照射的表面,“關(guān)鍵表面”定義為從像面出發(fā)能被像面或者中間像直接看到的表面［6］。同時為“被照射表面”及 “關(guān)鍵表面”的表面是雜散光路表面,稱為“一級雜散光路”,通過“被照射表面”進(jìn)入到“關(guān)鍵表面”的雜散光路稱為“二級雜散光路”。雜散光抑制設(shè)計的目的是減少“一級雜散光路”和“二級雜散光路”。通過正追跡、逆追跡的方法,確定照明表面及關(guān)鍵表面,方法如下［7］:在Lighttools軟件中將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置為全吸收,光學(xué)圖4重要表面示意圖

Fig.4Important surface零件按真實(shí)值設(shè)置,從光學(xué)遙感器入瞳處開展非順序列光路追跡,形成“照明表面”列表;將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置為全吸收,光學(xué)零件按真實(shí)值設(shè)置,從光學(xué)遙感器像面端開展非順序光路追跡,形成“關(guān)鍵表面”列表;“照明表面”和“關(guān)鍵表面”列表重疊表面為重要表面,重要表面為系統(tǒng)中的次雜散輻射的主要來源,通過減少重要面的數(shù)量抑制雜散光的產(chǎn)生。運(yùn)用以上方法對系統(tǒng)進(jìn)行正逆追跡,重要表面如圖4所示,重要表面對應(yīng)結(jié)構(gòu)如表2所示。以1 000萬根光線計算雜散光能量比以提高效率。追跡1 000萬根光束時的雜散光能量分布比率如表3所示。

表2重要表面對應(yīng)結(jié)構(gòu)

Tab.2The structure of important surface

機(jī)械表面對應(yīng)結(jié)構(gòu)重要面1通光口入口上板重要面2機(jī)械結(jié)構(gòu)上板重要面36支撐桿等

表3追跡1 000萬根光束時的雜散光能量分布比率

Tab.3The energy of stray light when tracing ten million light beam

機(jī)械表面該表面產(chǎn)生雜散光能量值占總雜散光能量比例/%重要面150.50重要面20.46重要面361.85

2.4TMA相機(jī)雜散光結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從計算雜散光比率的結(jié)果得出重要面1產(chǎn)生的雜散光比重較大,因此以其為重點(diǎn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,減少該位置產(chǎn)生的雜散光［8］。在此以三種方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,分別為涂層發(fā)黑、添加擋光板及設(shè)計消雜散光螺紋。(1)涂層發(fā)黑表4消光漆參數(shù)列表

Tab.4Specification of paint

涂層名稱反射率/%吸收率/%消光漆A1486消光漆B1288消光漆C892消光漆D496

圖5擋光板高度計算示意圖

Fig.5The design of vane highly

光機(jī)結(jié)構(gòu)表面采用的消光涂層是利用涂料表面粗糙度、多孔性吸收和散射雜散光,這是消除雜散光的有效途徑［9］。當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)的涂料散射尺寸接近于光波波長時,其具有最佳吸收效果,所以要了解系統(tǒng)的工作波段從而選擇合適的涂料,消雜光涂料應(yīng)與擋光環(huán)結(jié)合,確保雜散光在鏡筒上反射多次,使雜散光抑制能力到更好的效果。對機(jī)械結(jié)構(gòu)表面噴以四種不同涂層,計算追跡1 000萬根光束時的能量值。在此,我們噴涂四種反射率和吸收率不同的消光漆,以對比出消光漆對結(jié)構(gòu)消除雜散光的效果,消光漆如表4所示。(2)添加擋光板擋光板高度的設(shè)計示意圖如圖5所示,圖中AA′、BB′為擋光板高度,AA′C和BB′C均為直角三角形,AC、BC、A′C、B′C均可在機(jī)械軟件中測量出高度。通過直角三角形邊長計算公式可以得出擋板AA′和BB′的高度值,計算公式為:AA′2=A′C2－AC2(2)

BB′2=B′C2－BC2(3)在GJ1位置設(shè)置擋光板,以消減該位置產(chǎn)生的雜散光,提高成像能量。首先,該系統(tǒng)光束為會聚光束成像,因此擋光板的設(shè)計為不等高設(shè)計。用非順序光束以光源表面四個端點(diǎn)及中心點(diǎn)發(fā)射光束,得出成像光束所分布的上下極限。將通光口上表面頂點(diǎn)A與接收器下頂點(diǎn)B連線交邊緣成像光線于C點(diǎn),過C點(diǎn)作垂直于通光口上板的垂線交于C′點(diǎn),將C′點(diǎn)與B點(diǎn)連接,由于交點(diǎn)D在通光口外,所以不予考慮,在入口處A點(diǎn)及出口處E點(diǎn)做垂線AA′和EE′,垂線長度以不遮擋邊緣成像光線為基準(zhǔn)。同理,在通光口下板處做擋光板,以對應(yīng)上板擋光環(huán)且不遮擋邊緣成像光線為基準(zhǔn)高度,如圖6所示。在通光口上下表面對應(yīng)添加6個擋光環(huán),擋光板位置如圖7所示。

圖6擋光板位置設(shè)定方法示意圖

Fig.6The design of vane location圖7擋光板設(shè)定位置示意圖

Fig.7The vane design

(3)設(shè)置消雜散光螺紋在通光口上下表面添加消雜散光螺紋,此螺紋是邊長為6 mm的等邊三角形,如圖8所示。將設(shè)置消雜散光螺紋后的機(jī)械結(jié)構(gòu)噴涂四種不同的消光漆,計算追跡1 000萬根光束時的能量值。

2.5優(yōu)化結(jié)果對比分析總結(jié)噴涂四種消光漆情況下的原始結(jié)構(gòu)(即已添加外遮光罩及擋光環(huán)的機(jī)械結(jié)構(gòu))、添加擋光板結(jié)構(gòu)以及設(shè)置消雜散光螺紋結(jié)構(gòu)的雜散光系數(shù),如表5所示,并繪制在噴涂不同消光漆情況下不同結(jié)構(gòu)的雜散光系數(shù)曲線圖,如圖9所示。圖8添加消光螺紋示意圖

Fig.8The extinction of thread design

表5優(yōu)化結(jié)構(gòu)后雜散光系數(shù)表格

Tab.5Stray light attenuation capacity of optimize structure

消光漆名稱結(jié)構(gòu)雜散光系數(shù)/%消光漆A原始7.15擋光板1.44消光螺紋1.99消光漆B原始5.93擋光板1.38消光螺紋1.96消光漆C原始4.64擋光板1.33消光螺紋1.79消光漆D原始3.69擋光板1.11消光螺紋1.75

圖9雜光系數(shù)曲線圖

Fig.9The stray light coefficient curve通過以上表格及雜散光系數(shù)曲線圖可以得到以下結(jié)論:(1)三種抑制雜散光措施相比較可以看出,對結(jié)構(gòu)添加擋光板后,抑制雜散光的能力更好,性能更為穩(wěn)定;(2)雜散光的抑制能力與消光漆的吸收率成正比,與消光漆的反射率成反比,即消光漆的吸收率越高則結(jié)構(gòu)的雜散光抑制能力越好,雜散光能量越小,雜散光系數(shù)越小;(3)對重要面1添加擋光板或消雜散光螺紋后僅對由此表面產(chǎn)生的雜散光能量影響較大,對其它產(chǎn)生雜散光的表面影響很小。此課題中重要面1產(chǎn)生的雜散光能量占總雜散光能量的比例最大,而其它表面所產(chǎn)生的雜散光非常少,所以在此僅對重要面1做結(jié)構(gòu)優(yōu)化,如果其它表面產(chǎn)生雜散光能量比例也很大,則也需要做結(jié)構(gòu)優(yōu)化;(4)噴涂反射率為14%吸收率為86%、反射率為12%吸收率為88%、反射率為8%吸收率為92%、反射率為4%吸收率為96%的四種消光漆對添加擋光板或設(shè)置消雜散光螺紋后的光機(jī)結(jié)構(gòu)的雜散光抑制能力并無較大影響;(5)根據(jù)以上分析和結(jié)論,最終采用擋光板結(jié)構(gòu)并噴涂反射率為8%,吸收率為92%的黑漆,已獲得最佳性價比。對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真追跡,計算優(yōu)化機(jī)構(gòu)后的雜散光系數(shù)為1.33%。結(jié)果表明雜散光系數(shù)從原有的4.64%降低為1.33%,雜散光系數(shù)降低至3%以下,符合標(biāo)準(zhǔn)。3結(jié)論TMA相機(jī)中從通光口反射到達(dá)像面的雜散光將嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量,通過在通光口徑上下板面添加擋光板有效地抑制此類雜散光。本文給出了三反離軸遙感相機(jī)通光口徑擋光板及消雜散光螺紋的設(shè)計方法及能量計算公式。結(jié)果表明:本文討論的添加擋光板及消光螺紋措施能夠有效地抑制雜散光的產(chǎn)生,降低雜散光能量,此外通過比較計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)添加擋光板能夠更好地抑制系統(tǒng)雜散光,使原結(jié)構(gòu)雜散光系數(shù)從4.64%降低至1.33%,符合目標(biāo)要求。參考文獻(xiàn)：

［1］鐘興,張雷,金光.反射光學(xué)系統(tǒng)雜散光的消除［J］.紅外與激光工程,2008,37(2):316318.

［2］岑兆豐,何志平,李曉彤,等.光學(xué)系統(tǒng)中雜光分析［J］.光學(xué)儀器,2003,25(2):1215.

［3］張穎茹,李恩普,任駒,等.不同粗糙度表面雙向反射分布函數(shù)的實(shí)驗研究［J］.激光技術(shù),2010,34(5):717720.

［4］黃強(qiáng).空間光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析［J］.紅外,2006,27(1):2633.

［5］高郭鵬,熊望娥,甘玉泉,等.RC系統(tǒng)消雜散光設(shè)計與效果評估［J］.光學(xué)儀器,2009,31(5):3641.

［6］張科科,阮寧娟,傅丹鷹.國外空間用三反離軸相機(jī)發(fā)展分析與思考［J］.航天返回與遙感,2008,29(3):6370.

［7］廖志波,焦文春,付瑞敏.透射式光學(xué)系統(tǒng)雜散光系數(shù)計算方法［J］.光子學(xué)報,2011,40(3):424427.

［8］張國玉,曹維國,高玉軍,等.光學(xué)系統(tǒng)雜散光的計算與分析方法［J］.長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報,1995,18(4):2124.

［9］留浩飛,李曉彤,岑兆豐,等.衍射光學(xué)元件雜散光分析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及鬼像分析［J］.光學(xué)儀器,2005,27(4):6064.

［10］POMPEA S M,PFISTERER R N,MORGAN J S.A stray light analysis of the apache point observatory 3.5meter telescope system［J］.SPIE,2003,4842:128138.