TMA相机中抑制杂散光的结构优化分析

王丹艺+张国玉+廖志波

文章编号： 10055630(2014)03027306

收稿日期： 20031204

作者简介： 王丹艺(1989),女,硕士研究生,主要从事光电测控技术与仪器方面的研究。

通讯作者： 张国玉（1962），男，教授，博士,主要从事空间科学与技术、光电仪器与检测技术等方面的研究。

摘要： 针对离轴三反(TMA)结构相机消杂光问题,提出结构优化设计方法,即采用三种措施对关键表面结构进行优化设计,在弱化或遮挡杂散光路的基础上开展精细化仿真,降低关键表面的双向反射分布函数(BRDF)。结果表明:在关键表面添加挡光板组的方式可以获得极佳的抑制效果,降低消光漆的使用要求,减少工艺难度。

关键词： TMA系统; 杂散光分析; 双向反射分布函数(BRDF)

中图分类号： V 245.6文献标志码： 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)

引言离轴三反(TMA)系统具有视场范围广、相对孔径大且无中心遮拦等优点,因此常被应用于航天遥感器相机结构中。遥感相机中杂散光对光学系统的影响表现为像面对比度降低、传递函数退化及信噪比降低,导致光学系统成像质量下降。本文从杂散光抑制原理出发,以某一型号TMA系统相机为例开展杂散光抑制优化设计,探讨杂散光路的分析方法,在同样追迹1 000万根光束的情况下,比较不同抑制结构的优化能力,通过结构优化设计将杂光系数从4.64%降低至1.33%,从而获得理想成像效果。1TMA相机杂散光抑制原理

1.1TMA相机杂散光抑制原理光辐射能的基本能量传输计算在能量分布、热交换、辐射系统测量等领域有十分重要的作用［12］。光学系统像面接收到的杂散能量与杂散光源辐射出的能量遵循以下能量传输方程［3］:dΦc=BRDF(i,θi;c,θc)dΦs(i,θi)GCFSCπ(1)其中,dΦc是探测器接收到的能量微元,dΦs是杂散光源辐射出的能量微元,其中θi和i分别为入射方向的天顶角和方向角,θc和c分别为反射方向的天顶角和方向角,BRDF是双向反射分布函数,GCFSC是探测器与杂散光源之间的几何构成因子。因此,杂散能量抑制的关键步骤之一就是确定杂散光源,减少或者弱化杂散光的传递路径,降低BRDF。

光学仪器第36卷

第3期王丹艺，等：TMA相机中抑制杂散光的结构优化分析

图1TMA结构杂散光抑制措施示意图

Fig.1Stray light attenuation measure of

TMA optical system1.2TMA相机杂散光抑制措施TMA相机杂散光的抑制方法通常有三种［34］,分别是添加外遮光罩、建立挡光环及在结构表面喷涂消光涂层,如图1所示。以下对三种方法作简要说明:(1)外遮光罩:通过添加外遮光罩并利用表面材料特性,在遮光罩内部设置光阑从而抑制已进入遮光罩内的杂散光。外遮光罩结构设计首先需要考虑的是材料,需选择密度低、热导率高、弹性模量高和线膨胀系数低的材料;(2)挡光环:在散射路径上添加挡光环、遮光叶片等,从而减少或弱化杂散光路径;(3)表面涂层:利用涂料的表面粗糙度和多孔性散射和吸收杂散光,消杂光涂料应与挡光环相结合使用,使杂散光在筒壁上反射两次以上。2TMA相机杂散光分析

2.1光学系统参数本文中研究的相机为三反离轴系统,杂散光系数要求在3%以内。此光学系统由主镜、次镜、三镜、平面反射镜和探测器组成。光学参数如表1所示,光学结构设计图如图2所示。

表1三反离轴相机参数表

Tab.1The parameter of TMA camera

名称参数光谱范围0.45~0.9 μm镜头焦距5 505 mm光学系统F数12.75视场角10.2°(垂直飞行方向)×0.75°(沿飞行方向)光学结构反射率为98%,吸收率为2%机械结构朗伯散射,反射率为8%,吸收率为92%光源0°～80°,1 000 W

^图2三反离轴相机光学结构设计图

Fig.2The optical design of TMA camera

2.2分析流程图目前,国内对杂散光分析研究的主要方法是建立实体模型,给定机械结构及光学结构表面参数,通过蒙特卡罗光线追迹法确定各个角度的杂散光传输路径,从而得到最初的分析结果［5］。根据此结果对结构进行优化设计,修改遮光罩或在杂散光路径上添加遮光叶片等,最终降低杂散光对光学系统的影响,传统的分析流程较为简单,不够细化。本文在总结上述分析流程原理的基础上,将其更加细化,运用Lighttools软件对结构进行分析仿真。对目标物体进行建模,确定杂散路径,提出多种抑制措施并对比得出最为有效的一种,针对添加挡光板或消杂散光螺纹的表面做精细化仿真,设置不同的材料属性并追迹仿真,从而确定最有效的抑制措施,使杂散光抑制能力达到更好的效果,光学分析流程如图3图3改进后的分析流程图

Fig.3Analysis flow chart所示。本课题所研究的光学相机为TMA离轴三反结构,对结构已针对性设计外遮光罩,并在遮光罩内部添加光阑从而抑制进入遮光罩内部的杂散光。在接收器通光口设计挡光环,遮挡部分由系统内部机械结构散射或反射而引起的杂散光。针对已添加外遮光罩及挡光环的机械结构,运用Lighttools软件进行光路仿真追迹,追迹1 000万根光束,计算得出杂散光系数为4.64%,未达到标准要求3%,即此结构仍不满足目标要求,因此需要进一步优化结构。在减少或弱化杂散光路的基础上,降低BRDF,从而使杂散光系数低于3%的目标要求,降低杂散光对系统成像的影响。

2.3TMA相机杂散光路分析通常,“被照射表面”定义为从杂散辐射源所在的物空间出发能直接照射的表面,“关键表面”定义为从像面出发能被像面或者中间像直接看到的表面［6］。同时为“被照射表面”及 “关键表面”的表面是杂散光路表面,称为“一级杂散光路”,通过“被照射表面”进入到“关键表面”的杂散光路称为“二级杂散光路”。杂散光抑制设计的目的是减少“一级杂散光路”和“二级杂散光路”。通过正追迹、逆追迹的方法,确定照明表面及关键表面,方法如下［7］:在Lighttools软件中将机械结构设置为全吸收,光学图4重要表面示意图

Fig.4Important surface零件按真实值设置,从光学遥感器入瞳处开展非顺序列光路追迹,形成“照明表面”列表;将机械结构设置为全吸收,光学零件按真实值设置,从光学遥感器像面端开展非顺序光路追迹,形成“关键表面”列表;“照明表面”和“关键表面”列表重叠表面为重要表面,重要表面为系统中的次杂散辐射的主要来源,通过减少重要面的数量抑制杂散光的产生。运用以上方法对系统进行正逆追迹,重要表面如图4所示,重要表面对应结构如表2所示。以1 000万根光线计算杂散光能量比以提高效率。追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率如表3所示。

表2重要表面对应结构

Tab.2The structure of important surface

机械表面对应结构重要面1通光口入口上板重要面2机械结构上板重要面36支撑杆等

表3追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率

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

机械表面该表面产生杂散光能量值占总杂散光能量比例/%重要面150.50重要面20.46重要面361.85

2.4TMA相机杂散光结构优化设计从计算杂散光比率的结果得出重要面1产生的杂散光比重较大,因此以其为重点对机械结构进行优化设计,减少该位置产生的杂散光［8］。在此以三种方法进行优化设计,分别为涂层发黑、添加挡光板及设计消杂散光螺纹。(1)涂层发黑表4消光漆参数列表

Tab.4Specification of paint

涂层名称反射率/%吸收率/%消光漆A1486消光漆B1288消光漆C892消光漆D496

图5挡光板高度计算示意图

Fig.5The design of vane highly

光机结构表面采用的消光涂层是利用涂料表面粗糙度、多孔性吸收和散射杂散光,这是消除杂散光的有效途径［9］。当微观结构的涂料散射尺寸接近于光波波长时,其具有最佳吸收效果,所以要了解系统的工作波段从而选择合适的涂料,消杂光涂料应与挡光环结合,确保杂散光在镜筒上反射多次,使杂散光抑制能力到更好的效果。对机械结构表面喷以四种不同涂层,计算追迹1 000万根光束时的能量值。在此,我们喷涂四种反射率和吸收率不同的消光漆,以对比出消光漆对结构消除杂散光的效果,消光漆如表4所示。(2)添加挡光板挡光板高度的设计示意图如图5所示,图中AA′、BB′为挡光板高度,AA′C和BB′C均为直角三角形,AC、BC、A′C、B′C均可在机械软件中测量出高度。通过直角三角形边长计算公式可以得出挡板AA′和BB′的高度值,计算公式为:AA′2=A′C2－AC2(2)

BB′2=B′C2－BC2(3)在GJ1位置设置挡光板,以消减该位置产生的杂散光,提高成像能量。首先,该系统光束为会聚光束成像,因此挡光板的设计为不等高设计。用非顺序光束以光源表面四个端点及中心点发射光束,得出成像光束所分布的上下极限。将通光口上表面顶点A与接收器下顶点B连线交边缘成像光线于C点,过C点作垂直于通光口上板的垂线交于C′点,将C′点与B点连接,由于交点D在通光口外,所以不予考虑,在入口处A点及出口处E点做垂线AA′和EE′,垂线长度以不遮挡边缘成像光线为基准。同理,在通光口下板处做挡光板,以对应上板挡光环且不遮挡边缘成像光线为基准高度,如图6所示。在通光口上下表面对应添加6个挡光环,挡光板位置如图7所示。

图6挡光板位置设定方法示意图

Fig.6The design of vane location图7挡光板设定位置示意图

Fig.7The vane design

(3)设置消杂散光螺纹在通光口上下表面添加消杂散光螺纹,此螺纹是边长为6 mm的等边三角形,如图8所示。将设置消杂散光螺纹后的机械结构喷涂四种不同的消光漆,计算追迹1 000万根光束时的能量值。

2.5优化结果对比分析总结喷涂四种消光漆情况下的原始结构(即已添加外遮光罩及挡光环的机械结构)、添加挡光板结构以及设置消杂散光螺纹结构的杂散光系数,如表5所示,并绘制在喷涂不同消光漆情况下不同结构的杂散光系数曲线图,如图9所示。图8添加消光螺纹示意图

Fig.8The extinction of thread design

表5优化结构后杂散光系数表格

Tab.5Stray light attenuation capacity of optimize structure

消光漆名称结构杂散光系数/%消光漆A原始7.15挡光板1.44消光螺纹1.99消光漆B原始5.93挡光板1.38消光螺纹1.96消光漆C原始4.64挡光板1.33消光螺纹1.79消光漆D原始3.69挡光板1.11消光螺纹1.75

图9杂光系数曲线图

Fig.9The stray light coefficient curve通过以上表格及杂散光系数曲线图可以得到以下结论:(1)三种抑制杂散光措施相比较可以看出,对结构添加挡光板后,抑制杂散光的能力更好,性能更为稳定;(2)杂散光的抑制能力与消光漆的吸收率成正比,与消光漆的反射率成反比,即消光漆的吸收率越高则结构的杂散光抑制能力越好,杂散光能量越小,杂散光系数越小;(3)对重要面1添加挡光板或消杂散光螺纹后仅对由此表面产生的杂散光能量影响较大,对其它产生杂散光的表面影响很小。此课题中重要面1产生的杂散光能量占总杂散光能量的比例最大,而其它表面所产生的杂散光非常少,所以在此仅对重要面1做结构优化,如果其它表面产生杂散光能量比例也很大,则也需要做结构优化;(4)喷涂反射率为14%吸收率为86%、反射率为12%吸收率为88%、反射率为8%吸收率为92%、反射率为4%吸收率为96%的四种消光漆对添加挡光板或设置消杂散光螺纹后的光机结构的杂散光抑制能力并无较大影响;(5)根据以上分析和结论,最终采用挡光板结构并喷涂反射率为8%,吸收率为92%的黑漆,已获得最佳性价比。对此结构进行仿真追迹,计算优化机构后的杂散光系数为1.33%。结果表明杂散光系数从原有的4.64%降低为1.33%,杂散光系数降低至3%以下,符合标准。3结论TMA相机中从通光口反射到达像面的杂散光将严重影响图像质量,通过在通光口径上下板面添加挡光板有效地抑制此类杂散光。本文给出了三反离轴遥感相机通光口径挡光板及消杂散光螺纹的设计方法及能量计算公式。结果表明:本文讨论的添加挡光板及消光螺纹措施能够有效地抑制杂散光的产生,降低杂散光能量,此外通过比较计算结果,发现添加挡光板能够更好地抑制系统杂散光,使原结构杂散光系数从4.64%降低至1.33%,符合目标要求。参考文献：

［1］钟兴,张雷,金光.反射光学系统杂散光的消除［J］.红外与激光工程,2008,37(2):316318.

［2］岑兆丰,何志平,李晓彤,等.光学系统中杂光分析［J］.光学仪器,2003,25(2):1215.

［3］张颖茹,李恩普,任驹,等.不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究［J］.激光技术,2010,34(5):717720.

［4］黄强.空间光学系统的杂散光分析［J］.红外,2006,27(1):2633.

［5］高郭鹏,熊望娥,甘玉泉,等.RC系统消杂散光设计与效果评估［J］.光学仪器,2009,31(5):3641.

［6］张科科,阮宁娟,傅丹鹰.国外空间用三反离轴相机发展分析与思考［J］.航天返回与遥感,2008,29(3):6370.

［7］廖志波,焦文春,付瑞敏.透射式光学系统杂散光系数计算方法［J］.光子学报,2011,40(3):424427.

［8］张国玉,曹维国,高玉军,等.光学系统杂散光的计算与分析方法［J］.长春光学精密机械学院学报,1995,18(4):2124.

［9］留浩飞,李晓彤,岑兆丰,等.衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析［J］.光学仪器,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.

2.3TMA相机杂散光路分析通常,“被照射表面”定义为从杂散辐射源所在的物空间出发能直接照射的表面,“关键表面”定义为从像面出发能被像面或者中间像直接看到的表面［6］。同时为“被照射表面”及 “关键表面”的表面是杂散光路表面,称为“一级杂散光路”,通过“被照射表面”进入到“关键表面”的杂散光路称为“二级杂散光路”。杂散光抑制设计的目的是减少“一级杂散光路”和“二级杂散光路”。通过正追迹、逆追迹的方法,确定照明表面及关键表面,方法如下［7］:在Lighttools软件中将机械结构设置为全吸收,光学图4重要表面示意图

Fig.4Important surface零件按真实值设置,从光学遥感器入瞳处开展非顺序列光路追迹,形成“照明表面”列表;将机械结构设置为全吸收,光学零件按真实值设置,从光学遥感器像面端开展非顺序光路追迹,形成“关键表面”列表;“照明表面”和“关键表面”列表重叠表面为重要表面,重要表面为系统中的次杂散辐射的主要来源,通过减少重要面的数量抑制杂散光的产生。运用以上方法对系统进行正逆追迹,重要表面如图4所示,重要表面对应结构如表2所示。以1 000万根光线计算杂散光能量比以提高效率。追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率如表3所示。

表2重要表面对应结构

Tab.2The structure of important surface

机械表面对应结构重要面1通光口入口上板重要面2机械结构上板重要面36支撑杆等

表3追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率

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

机械表面该表面产生杂散光能量值占总杂散光能量比例/%重要面150.50重要面20.46重要面361.85

2.4TMA相机杂散光结构优化设计从计算杂散光比率的结果得出重要面1产生的杂散光比重较大,因此以其为重点对机械结构进行优化设计,减少该位置产生的杂散光［8］。在此以三种方法进行优化设计,分别为涂层发黑、添加挡光板及设计消杂散光螺纹。(1)涂层发黑表4消光漆参数列表

Tab.4Specification of paint

涂层名称反射率/%吸收率/%消光漆A1486消光漆B1288消光漆C892消光漆D496

图5挡光板高度计算示意图

Fig.5The design of vane highly

光机结构表面采用的消光涂层是利用涂料表面粗糙度、多孔性吸收和散射杂散光,这是消除杂散光的有效途径［9］。当微观结构的涂料散射尺寸接近于光波波长时,其具有最佳吸收效果,所以要了解系统的工作波段从而选择合适的涂料,消杂光涂料应与挡光环结合,确保杂散光在镜筒上反射多次,使杂散光抑制能力到更好的效果。对机械结构表面喷以四种不同涂层,计算追迹1 000万根光束时的能量值。在此,我们喷涂四种反射率和吸收率不同的消光漆,以对比出消光漆对结构消除杂散光的效果,消光漆如表4所示。(2)添加挡光板挡光板高度的设计示意图如图5所示,图中AA′、BB′为挡光板高度,AA′C和BB′C均为直角三角形,AC、BC、A′C、B′C均可在机械软件中测量出高度。通过直角三角形边长计算公式可以得出挡板AA′和BB′的高度值,计算公式为:AA′2=A′C2－AC2(2)

BB′2=B′C2－BC2(3)在GJ1位置设置挡光板,以消减该位置产生的杂散光,提高成像能量。首先,该系统光束为会聚光束成像,因此挡光板的设计为不等高设计。用非顺序光束以光源表面四个端点及中心点发射光束,得出成像光束所分布的上下极限。将通光口上表面顶点A与接收器下顶点B连线交边缘成像光线于C点,过C点作垂直于通光口上板的垂线交于C′点,将C′点与B点连接,由于交点D在通光口外,所以不予考虑,在入口处A点及出口处E点做垂线AA′和EE′,垂线长度以不遮挡边缘成像光线为基准。同理,在通光口下板处做挡光板,以对应上板挡光环且不遮挡边缘成像光线为基准高度,如图6所示。在通光口上下表面对应添加6个挡光环,挡光板位置如图7所示。

图6挡光板位置设定方法示意图

Fig.6The design of vane location图7挡光板设定位置示意图

Fig.7The vane design

(3)设置消杂散光螺纹在通光口上下表面添加消杂散光螺纹,此螺纹是边长为6 mm的等边三角形,如图8所示。将设置消杂散光螺纹后的机械结构喷涂四种不同的消光漆,计算追迹1 000万根光束时的能量值。

2.5优化结果对比分析总结喷涂四种消光漆情况下的原始结构(即已添加外遮光罩及挡光环的机械结构)、添加挡光板结构以及设置消杂散光螺纹结构的杂散光系数,如表5所示,并绘制在喷涂不同消光漆情况下不同结构的杂散光系数曲线图,如图9所示。图8添加消光螺纹示意图

Fig.8The extinction of thread design

表5优化结构后杂散光系数表格

Tab.5Stray light attenuation capacity of optimize structure

消光漆名称结构杂散光系数/%消光漆A原始7.15挡光板1.44消光螺纹1.99消光漆B原始5.93挡光板1.38消光螺纹1.96消光漆C原始4.64挡光板1.33消光螺纹1.79消光漆D原始3.69挡光板1.11消光螺纹1.75

图9杂光系数曲线图

Fig.9The stray light coefficient curve通过以上表格及杂散光系数曲线图可以得到以下结论:(1)三种抑制杂散光措施相比较可以看出,对结构添加挡光板后,抑制杂散光的能力更好,性能更为稳定;(2)杂散光的抑制能力与消光漆的吸收率成正比,与消光漆的反射率成反比,即消光漆的吸收率越高则结构的杂散光抑制能力越好,杂散光能量越小,杂散光系数越小;(3)对重要面1添加挡光板或消杂散光螺纹后仅对由此表面产生的杂散光能量影响较大,对其它产生杂散光的表面影响很小。此课题中重要面1产生的杂散光能量占总杂散光能量的比例最大,而其它表面所产生的杂散光非常少,所以在此仅对重要面1做结构优化,如果其它表面产生杂散光能量比例也很大,则也需要做结构优化;(4)喷涂反射率为14%吸收率为86%、反射率为12%吸收率为88%、反射率为8%吸收率为92%、反射率为4%吸收率为96%的四种消光漆对添加挡光板或设置消杂散光螺纹后的光机结构的杂散光抑制能力并无较大影响;(5)根据以上分析和结论,最终采用挡光板结构并喷涂反射率为8%,吸收率为92%的黑漆,已获得最佳性价比。对此结构进行仿真追迹,计算优化机构后的杂散光系数为1.33%。结果表明杂散光系数从原有的4.64%降低为1.33%,杂散光系数降低至3%以下,符合标准。3结论TMA相机中从通光口反射到达像面的杂散光将严重影响图像质量,通过在通光口径上下板面添加挡光板有效地抑制此类杂散光。本文给出了三反离轴遥感相机通光口径挡光板及消杂散光螺纹的设计方法及能量计算公式。结果表明:本文讨论的添加挡光板及消光螺纹措施能够有效地抑制杂散光的产生,降低杂散光能量,此外通过比较计算结果,发现添加挡光板能够更好地抑制系统杂散光,使原结构杂散光系数从4.64%降低至1.33%,符合目标要求。参考文献：

［1］钟兴,张雷,金光.反射光学系统杂散光的消除［J］.红外与激光工程,2008,37(2):316318.

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［3］张颖茹,李恩普,任驹,等.不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究［J］.激光技术,2010,34(5):717720.

［4］黄强.空间光学系统的杂散光分析［J］.红外,2006,27(1):2633.

［5］高郭鹏,熊望娥,甘玉泉,等.RC系统消杂散光设计与效果评估［J］.光学仪器,2009,31(5):3641.

［6］张科科,阮宁娟,傅丹鹰.国外空间用三反离轴相机发展分析与思考［J］.航天返回与遥感,2008,29(3):6370.

［7］廖志波,焦文春,付瑞敏.透射式光学系统杂散光系数计算方法［J］.光子学报,2011,40(3):424427.

［8］张国玉,曹维国,高玉军,等.光学系统杂散光的计算与分析方法［J］.长春光学精密机械学院学报,1995,18(4):2124.

［9］留浩飞,李晓彤,岑兆丰,等.衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析［J］.光学仪器,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.

2.3TMA相机杂散光路分析通常,“被照射表面”定义为从杂散辐射源所在的物空间出发能直接照射的表面,“关键表面”定义为从像面出发能被像面或者中间像直接看到的表面［6］。同时为“被照射表面”及 “关键表面”的表面是杂散光路表面,称为“一级杂散光路”,通过“被照射表面”进入到“关键表面”的杂散光路称为“二级杂散光路”。杂散光抑制设计的目的是减少“一级杂散光路”和“二级杂散光路”。通过正追迹、逆追迹的方法,确定照明表面及关键表面,方法如下［7］:在Lighttools软件中将机械结构设置为全吸收,光学图4重要表面示意图

Fig.4Important surface零件按真实值设置,从光学遥感器入瞳处开展非顺序列光路追迹,形成“照明表面”列表;将机械结构设置为全吸收,光学零件按真实值设置,从光学遥感器像面端开展非顺序光路追迹,形成“关键表面”列表;“照明表面”和“关键表面”列表重叠表面为重要表面,重要表面为系统中的次杂散辐射的主要来源,通过减少重要面的数量抑制杂散光的产生。运用以上方法对系统进行正逆追迹,重要表面如图4所示,重要表面对应结构如表2所示。以1 000万根光线计算杂散光能量比以提高效率。追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率如表3所示。

表2重要表面对应结构

Tab.2The structure of important surface

机械表面对应结构重要面1通光口入口上板重要面2机械结构上板重要面36支撑杆等

表3追迹1 000万根光束时的杂散光能量分布比率

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

机械表面该表面产生杂散光能量值占总杂散光能量比例/%重要面150.50重要面20.46重要面361.85

2.4TMA相机杂散光结构优化设计从计算杂散光比率的结果得出重要面1产生的杂散光比重较大,因此以其为重点对机械结构进行优化设计,减少该位置产生的杂散光［8］。在此以三种方法进行优化设计,分别为涂层发黑、添加挡光板及设计消杂散光螺纹。(1)涂层发黑表4消光漆参数列表

Tab.4Specification of paint

涂层名称反射率/%吸收率/%消光漆A1486消光漆B1288消光漆C892消光漆D496

图5挡光板高度计算示意图

Fig.5The design of vane highly

光机结构表面采用的消光涂层是利用涂料表面粗糙度、多孔性吸收和散射杂散光,这是消除杂散光的有效途径［9］。当微观结构的涂料散射尺寸接近于光波波长时,其具有最佳吸收效果,所以要了解系统的工作波段从而选择合适的涂料,消杂光涂料应与挡光环结合,确保杂散光在镜筒上反射多次,使杂散光抑制能力到更好的效果。对机械结构表面喷以四种不同涂层,计算追迹1 000万根光束时的能量值。在此,我们喷涂四种反射率和吸收率不同的消光漆,以对比出消光漆对结构消除杂散光的效果,消光漆如表4所示。(2)添加挡光板挡光板高度的设计示意图如图5所示,图中AA′、BB′为挡光板高度,AA′C和BB′C均为直角三角形,AC、BC、A′C、B′C均可在机械软件中测量出高度。通过直角三角形边长计算公式可以得出挡板AA′和BB′的高度值,计算公式为:AA′2=A′C2－AC2(2)

BB′2=B′C2－BC2(3)在GJ1位置设置挡光板,以消减该位置产生的杂散光,提高成像能量。首先,该系统光束为会聚光束成像,因此挡光板的设计为不等高设计。用非顺序光束以光源表面四个端点及中心点发射光束,得出成像光束所分布的上下极限。将通光口上表面顶点A与接收器下顶点B连线交边缘成像光线于C点,过C点作垂直于通光口上板的垂线交于C′点,将C′点与B点连接,由于交点D在通光口外,所以不予考虑,在入口处A点及出口处E点做垂线AA′和EE′,垂线长度以不遮挡边缘成像光线为基准。同理,在通光口下板处做挡光板,以对应上板挡光环且不遮挡边缘成像光线为基准高度,如图6所示。在通光口上下表面对应添加6个挡光环,挡光板位置如图7所示。

图6挡光板位置设定方法示意图

Fig.6The design of vane location图7挡光板设定位置示意图

Fig.7The vane design

(3)设置消杂散光螺纹在通光口上下表面添加消杂散光螺纹,此螺纹是边长为6 mm的等边三角形,如图8所示。将设置消杂散光螺纹后的机械结构喷涂四种不同的消光漆,计算追迹1 000万根光束时的能量值。

2.5优化结果对比分析总结喷涂四种消光漆情况下的原始结构(即已添加外遮光罩及挡光环的机械结构)、添加挡光板结构以及设置消杂散光螺纹结构的杂散光系数,如表5所示,并绘制在喷涂不同消光漆情况下不同结构的杂散光系数曲线图,如图9所示。图8添加消光螺纹示意图

Fig.8The extinction of thread design

表5优化结构后杂散光系数表格

Tab.5Stray light attenuation capacity of optimize structure

消光漆名称结构杂散光系数/%消光漆A原始7.15挡光板1.44消光螺纹1.99消光漆B原始5.93挡光板1.38消光螺纹1.96消光漆C原始4.64挡光板1.33消光螺纹1.79消光漆D原始3.69挡光板1.11消光螺纹1.75

图9杂光系数曲线图

Fig.9The stray light coefficient curve通过以上表格及杂散光系数曲线图可以得到以下结论:(1)三种抑制杂散光措施相比较可以看出,对结构添加挡光板后,抑制杂散光的能力更好,性能更为稳定;(2)杂散光的抑制能力与消光漆的吸收率成正比,与消光漆的反射率成反比,即消光漆的吸收率越高则结构的杂散光抑制能力越好,杂散光能量越小,杂散光系数越小;(3)对重要面1添加挡光板或消杂散光螺纹后仅对由此表面产生的杂散光能量影响较大,对其它产生杂散光的表面影响很小。此课题中重要面1产生的杂散光能量占总杂散光能量的比例最大,而其它表面所产生的杂散光非常少,所以在此仅对重要面1做结构优化,如果其它表面产生杂散光能量比例也很大,则也需要做结构优化;(4)喷涂反射率为14%吸收率为86%、反射率为12%吸收率为88%、反射率为8%吸收率为92%、反射率为4%吸收率为96%的四种消光漆对添加挡光板或设置消杂散光螺纹后的光机结构的杂散光抑制能力并无较大影响;(5)根据以上分析和结论,最终采用挡光板结构并喷涂反射率为8%,吸收率为92%的黑漆,已获得最佳性价比。对此结构进行仿真追迹,计算优化机构后的杂散光系数为1.33%。结果表明杂散光系数从原有的4.64%降低为1.33%,杂散光系数降低至3%以下,符合标准。3结论TMA相机中从通光口反射到达像面的杂散光将严重影响图像质量,通过在通光口径上下板面添加挡光板有效地抑制此类杂散光。本文给出了三反离轴遥感相机通光口径挡光板及消杂散光螺纹的设计方法及能量计算公式。结果表明:本文讨论的添加挡光板及消光螺纹措施能够有效地抑制杂散光的产生,降低杂散光能量,此外通过比较计算结果,发现添加挡光板能够更好地抑制系统杂散光,使原结构杂散光系数从4.64%降低至1.33%,符合目标要求。参考文献：

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