CN100498422C - 一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，它用于设计望远物镜光学系统前置遮光罩。本方法是通过截取以直线连接两个参考面的圆形光束移动轨迹形成的边缘轮廓线上相应点而构成的三维有效通光管来获得遮光罩的内腔形状的。本发明的方法方便、简捷、量化，设计出的遮光罩轮廓尺寸最小且不挡光，能够大大提高抑制直接进入成像光路杂散光的效果。

Description

一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法

技术领域

本发明涉及光学系统杂散光抑制、消除技术，具体指一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，它用于设计望远物镜光学系统前置遮光罩。

背景技术

空间光学系统大多工作在系统视场以外背景光较强的环境中，在杂散光很强时，若不进行有效抑制，非成像光被探测器接收，就会引起信噪比下降，严重时则会无法实现探测。在这些杂散光中，直接进入成像光路的杂光对信噪比的影响占相当大的比率，对这部分光的抑制，主要通过遮光罩的轮廓来实现。目前应用的遮光罩设计中，如专利02153273.7与02292549.X，该类设计都是关于遮光罩内壁如何设计，而未涉及带有二维指向镜的大视场光学系统的前端遮光罩的设计，也不能给出相应轮廓的曲线方程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有二维指向镜(扫描镜)的大视场光学系统前置遮光罩的设计方法，解决空间光学系统杂散光影响成像质量问题。

本发明一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法主要解决如附图1所示光学系统前置遮光罩的设计问题。附图1中光学系统1的视场角为±ω，孔径光阑2的直径为φ₁，指向镜3绕X轴转动角度为±β_max，绕Z轴转动角度为±θ_max，在光学系统1和指向镜3前端设计一遮光罩4以阻止有效成像视场外的光线进入光学系统，遮光罩的前端面距指向镜转动中心点距离L，遮光罩的长度M，L、M技术数据的选取与仪器的总体设计有关，M值选取越大，即遮光罩的长度越长，杂散光的抑制效果越好。

遮光罩4的设计步骤如下：①首先遮光罩4前距指向镜3中心点L₁处选取第一参考面5，在遮光罩4后距指向镜3中心点L₂处选取第二参考面6，当指向镜处于原始位置时，成像光束在第一参考面5上的口径φ₂为：

φ₂＝φ₁+2(L₁+S)tgω         (1)

在第二参考面6上的光束口径φ₃为：

φ₃＝φ₁+2(L₂+S)tgω          (2)

②当指向镜绕X轴转±β，绕Z轴转±θ时，第一参考面5及第二参考面6上的φ₂、φ₃口径的圆形成像光束将随指向镜3转动而移动，求出此圆形光束移动轨迹形成的边缘轮廓曲线(空间曲线)，该边缘轮廓曲线分别在第一参考面5、第二参考面6上的投影形状即为光学系统在第一参考面5和第二参考面6处的有效通光口径。③将第一参考面5和第二参考面6的空间轮廓线上的指向镜角度相同的相应点用直线相连，以该直线为母线构建一个三维有效通光管道。④在此三维通光管道上按仪器总体设计要求截取所需管段，如附图1中距指向镜3中心点L，长度为M管段。⑤输出截取该管段两截面上的的边缘轮廓曲线方程，该管段的三维形状即为所需设计的遮光罩4的内腔形状。

步骤②中参考面的光束边缘轮廓线求取方法如附图2所示，以第一参考面5轮廓线求取为例，考虑到光学系统的对称性，只需计算出指向镜转动(0，β_max)、(0，θ_max)即1/4段轮廓线即可。图2中坐标系的0点为指向镜3的中心点位置，圆形光束位于指向镜处于绕X轴转动β角绕Z轴转动0度的位置，第一参考面5的轮廓曲线方程是一个分段函数，第一段为指向镜在X轴转动方向处于最大角β_max时，绕Z轴转动(0，θ_max)圆形光束所形成的边缘轮廓曲线，此时轮廓曲线的点在附图2所示AF弧线的A’点上，θ为0时A’为F点，θ为θ_max时A’为A点。我们以A’F弧在直径AB上的投影长度A’0”(以r’变量表示)作为自变量建立轮廓曲线方程：

$x_1=\sqrt{{r\′}^2+{(L\′\cos \mathrm{\β}\′)}^2}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ}\′),$

$y_1=\sqrt{{r\′}^2+{(L\′\cos \mathrm{\β}\′)}^2}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ}\′)$       r′∈「0，φ₂/2，(3)

z₁＝L′sinβ′，

式中：

$L\′=\sqrt{L_1^2+{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2}{2}\right)}^2-{r\′}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\β}\′={\mathrm{\β}}_{\max }+\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{{({\mathrm{\φ}}_2/2)}^2-{r\′}^2}}{L_2}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}\′=\mathrm{arctg}\frac{r\′}{\sqrt{L_1^2+{({\mathrm{\φ}}_2/2)}^2-{r\′}^2}\cos ({\mathrm{\β}}_{\max }+\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{{({\mathrm{\φ}}_2/2)}^2-{r\′}^2}}{L_1})}---\left(6\right)$

当自变量r’在[0，φ₂/2]间取值时，可以得到指向镜3绕Z轴转动(0，θ_max)的边缘轮廓曲线。第二段边缘轮廓曲线为指向镜3在Z轴转动方向处于最大角θ_max时，绕X轴转动(0，β_max)圆形光束所形成的边缘轮廓曲线，此时轮廓曲线的点在附图2所示A点上，其边缘轮廓曲线方程为：

$x_2=\sqrt{{({\mathrm{\φ}}_2/2)}^2+{\left(L_1\cos \mathrm{\β}\right)}^2}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ}),$

$y_2=\sqrt{{({\mathrm{\φ}}_2/2)}^2+{\left(L_1\cos \mathrm{\β}\right)}^2}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ})$         β∈[0，β_max]，(7)

z₂＝L₁sinβ，

公式(7)中：

$\mathrm{\Δ}=\mathrm{arctg}\frac{({\mathrm{\φ}}_2/2)}{L_1\cos \mathrm{\β}},---\left(8\right)$

当自变量β在[0，β_max]取值时，可以得到指向镜3绕X轴转动(0，β_max)的边缘轮廓曲线。

第二参考面6上边缘轮廓曲线求取只需将上述公式中的L₁用L₂代替，φ₂用φ₃代替即可。

本发明的优点在于：遮光罩设计方便、简捷、量化，能够给出遮光罩截面的曲线方程，方便于遮光罩的制造；设计出的遮光罩轮廓尺寸最小且不挡光，能够大大提高抑制直接进入成像光路杂散光的效果。

附图说明

图1是带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计原理图，

图中：1——光学系统；

2——孔径光阑；

3——指向镜；

4——遮光罩；

5——第一参考面；

6——第二参考面。

图2为边缘轮廓曲线计算图。

图3为遮光罩4的三维模块图。

图4为遮光罩4端截面上的轮廓曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

光学系统1的孔径光阑2的口径φ₁＝500mm，视场角2ω＝0.5°，指向镜3距孔径光阑S＝750mm；摆动角度为θ＝±4°，β＝±5°，指向镜3中心距遮光罩4距离L＝1000mm，遮光罩4的长度M＝400mm。遮光罩具体设计步骤如下：

①在遮光罩4前100mm处建立第一参考面5，此时L₁＝900mm，φ₂＝514.4mm；在遮光罩4后100mm处建立第二参考面6，此时L₂＝1500mm，φ₃＝519.6mm。

②由公式(1)和公式(5)计算第一参考面5和第二参考面6的边缘轮廓曲线。

③根据光学系统的对称性，求出各参考面的整条封闭边缘轮廓曲线数据，把计算所得数据输入商用三维建模软件(如CAXA、Autocad、Protel)，将两个参考面上边缘轮廓曲线的相应点以直线相连，以该直线为母线构建一个三维有效通光管道模块。

④在三维有效通光管道模块L＝1000mm处截取长度为400mm一块模块，此模块即为遮光罩4地内腔形状。

⑤输出遮光罩4两端截面的轮廓曲线数据，完成遮光罩设计。

附图3所示为计算机输出的遮光罩4的三维模块图，附图4为计算机输出的一端截面上的轮廓曲线图。

Claims (4)

1.一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，其特征在于：遮光罩(4)的设计方法包括以下步骤：

A.首先在遮光罩(4)前距指向镜(3)中心点L₁处选取第一参考面(5)，在遮光罩(4)后距指向镜(3)中心点L₂处选取第二参考面(6)；

B.分别求取第一参考面(5)和第二参考面上指向镜(3)扫描形成的圆形光束移动轨迹的边缘轮廓曲线；

C.将第一参考面(5)和第二参考面(6)的空间轮廓线上的指向镜角度相同的相应点用直线相连，以该直线为母线构建一个三维有效通光管道；

D.在此三维有效通光管道上按仪器总体设计要求截取所需管段；

E.输出截取该管段两端截面上的的边缘轮廓曲线方程，完成遮光罩(4)的设计。

2.根据权利要求1所述的一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，其特征在于：所说的第一参考面(5)和第二参考面(6)的边缘轮廓曲线1/4段按以下公式求取：

第一段曲线：

$x_1=\sqrt{{r\′}^2+{(L\′\cos \mathrm{\β}\′)}^2}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ}\′)$

$y_1=\sqrt{{r\′}^2+{(L\′\cos \mathrm{\β}\′)}^2}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ}\′)$         r′∈[0，φ/2]         (1)

z₁＝L′sin β′

式中：

$L\′=\sqrt{L^2+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2-{r\′}^2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}\′={\mathrm{\β}}_{\max }+\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{{(\mathrm{\φ}/2)}^2-{r\′}^2}}{L}---\left(3\right)$

$\mathrm{\Δ}\′=\mathrm{arctg}\frac{r\′}{\sqrt{L^2+{(\mathrm{\φ}/2)}^2-{r\′}^2}\cos ({\mathrm{\β}}_{\max }+\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{{(\mathrm{\φ}/2)}^2-{r\′}^2}}{L})}---\left(4\right)$

φ为参考面上光束的直径，L为参考面距指向镜(3)中心点的距离，β为指向镜(3)绕X轴转动角度，θ为指向镜(3)绕Z轴转角度，β_max为指向镜3绕X轴转动最大角度，θ_max为指向镜(3)绕Z轴转动最大角度；

第二段曲线：

$x_2=\sqrt{{(\mathrm{\φ}/2)}^2+{\left(L\cos \mathrm{\β}\right)}^2}\sin ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ})$

$y_2=\sqrt{{(\mathrm{\φ}/2)}^2+{\left(L\cos \mathrm{\β}\right)}^2}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\max }+\mathrm{\Δ})$       β∈[0，β_max]       (5)

z₂＝L sin β

式中：

$\mathrm{\Δ}=\mathrm{arctg}\frac{(\mathrm{\φ}/2)}{L\cos \mathrm{\β}}---\left(6\right)$

φ为参考面上光束的直径，L为参考面距指向镜(3)中心点的距离，β为指向镜(3)绕X轴转动角度，θ为指向镜(3)绕Z轴转角度，β_max为指向镜(3)绕X轴转动最大角度，θ_max为指向镜(3)绕Z轴转动最大角度。

3.根据权利要求1所述的一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，其特征在于：第一参考面(5)和第二参考面(6)的整个边缘轮廓曲线按光学系统的对称性求取。

4.根据权利要求1所述的一种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计方法，其特征在于：在三维有效通光管道上按仪器总体设计要求截取所需管段的工作可以在商用三维建模软件上进行。

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