摘要:利用LightTools杂散光分析软件,建立一个空间光学系统光学机械结构模型。计算这个系统内部各机械表面辐射能量到达像面的辐射能量的大小,判断出关键表面;通过比较在四种不同的发射率情况下,像面接收到各个表面杂散辐射量的变化规律,得到有用的分析结果来对这个系统提出了初步 的措施抑制,并且可以指导其他类似系统的分析和设计。 关键词:LightTools;光学系统;热辐射;杂散光抑制 引言 空间光学系统的杂散光是指扩散于探测器表面 (成像表面)的来自非目标物体的辐射或光线。杂散 光的来源主要有以下几个方面:1)光学系统外部的 光线进入系统,比如太阳光、地表、云层的反射光线 进入系统,到达像面;2)光学系统内部具有一定温 度的构件的热辐射经过光学表面的反射、散射等进入光路,到达像面;3)光学系统成像光束通过非成像 光路到达像面。随着现代应用光学技术和微电子技术 的发展,在中高分辨率空间光学系统中,内部热辐射 已经成为影响系统成像质量的重要因素。杂光使像面 上的辐照度不均匀,像面上物体和背景的对比度和信 噪比降级,使探测距离下降。因此有必要采取适当的 研究手段研究像面接收内部热辐射的量级大小,保证 光学系统机械结构的合理性,以得到符合一定成像质 量的目标图像。 文章采用的是LightTools分析软件进行空间光学 系统内部杂散辐射的分析。LightTools是基于蒙特卡 洛法的一种杂光追迹软件,它的杂散光计算的基本思 想是把杂散辐射能看作是由大量相互独立的能束光 线组成。光线的发射位置和方向,到达反射面的吸收或反射,进入半透明部件后的吸收、折射或透射,以及衍射等一系列传递过程均由相应的概率模型确定。 跟踪一束光线,直到它被吸收或逸出系统。然后再跟踪下一束光线;跟踪一定数量的光束后可得到较为稳 定的统计结果[1]。 1.光学系统及机械模型 折反射光学系统参数如下所示: 入瞳口径 D=300 mm,焦距 f=-500 mm,出瞳 距 EXPP=-30 mm,后截距 BFL=45 mm,使用波长 范围 8.5 µm~10.5 µm,入射角度为±1.1°。这是一个 二次成像的折反射系统,由 2 片反射镜和 4 片折射透 镜组成。入瞳在主反射镜上,出瞳在系统像前面,中间像面处加视场光阑,冷光阑位置与出瞳重合。反射 式两镜系统加一片透镜成像到中间像面处,然后经过 三片透镜组校正像差得到最终像面,在中间像面处加 视场光阑可以减小衍射杂散光到达像面的量级。 1.光学系统结构图 LightTools 中建立的光机结构图如下图 2 所示。 其中冷光阑后的光学机械部分都放在冷箱中,通过冷 却降温来减小热辐射的大小。 2.分析系统的光学机械结构简图 2.分析原理和过程 辐射出射度(简称辐出度)是指在单位时间内从 物体表面单位面积上发射出的各种波长的电磁波能 量的总和,表示为 M(T)。 由普朗克定律可知,在一定的温度与波长下,黑 体的辐出度与波长、温度的关系为[1]:
式中:c1、c2是常量,T是温度, λ是波长。 于是,某发射面在单位时间内,单位面积发射的 λ1- λ2波段的辐射能为:
式中: ε是指表面的发射率,发射率是指表面所辐射 的热量与黑体在同一温度下所辐射的热量之比。 在常温 T=300K下,发射率ε设定为1,取波长范围8.5µm~10µm,通过分布计算累计求和的方法, 可以计算出各个辐射表面的辐射功率。计算的辐射功 率结果如下表1所示(表面编号如图 2 所示)。(其中 各个辐射表面的面积通过在LightTools中建立的机械 模型中的尺寸确定。)如公式 2所示,当发射率ε发生 变化时,则表中各个表面的辐射功率也要相应的乘以一个因子ε。 表1.光学系统内部各主要表面的辐射功率(T=300K, ε=1) 在分析光学系统内部机械元件的热辐射的时候, 首先可以从像面向物面逆向追迹光线。一个关键物体 是从像面或者中间像面看到的任何的物体或者表面, 包括从反射镜和镜头中看到的表面。如果像面不能看 到一个物体或者表面,那么没有杂散光直接从这个物 体到达探测器。然后应该从物空间出发找出被其照射 的表面,称之为“被照射表面”。要尽量减小被照射 表面的面积,或者把照射表面从光路中移出。如果被 照射的表面同时也是关键表面,则存在一次杂散路 径,只要经过一次反射或者散射,杂散辐射就可以到 达像面。这些表面的杂散辐射是像面杂散辐射的主要 来源,应该尽量抑制这部分的辐射。如果从被照射的表面中的某个表面,可以看到某个关键表面,则存在 一个二级杂散路径。经过的反射或者散射次数越多, 即杂散路径越复杂,到达像面的杂散能量也越少[3,4]。 所以在这个折反射二次成像系统中,从像面向物 面追迹,可以看到主镜、次镜、折射镜头组都是关键 表面,主镜筒内表面1、支撑杆表面2、次镜筒端面5、 视场光阑前表面15、透镜筒左端面16发射的辐射能 通过光学系统的主镜或者次镜的反射和散射进入系 统,到达像面。次镜筒的内表面4、透镜组镜筒表面6这些表面发射辐射,通过透射镜头组到达像面。利用 LightTools的追迹过程图如图3所示。 图3.从像面逆向追迹光线图 ...... |