CN107991772B - 一种空间光学系统的遮光薄板设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于大视场光学系统视场切分的遮光薄板设计方法，通过在光学系统中设计遮光薄板用于对光学系统进行视场切分，通过切分视场的光轴的参数得到用于视场切分的各个薄板的位置、方向、长度参数，本方法克服了空间光学遥感系统在观察视场时由于不规范的切分视场导致的光学系统引入像差与光线遮拦的问题，能够在较好的消除成像视场外杂光的条件下完成对光学系统的观测，方法简便，工艺简便。

Description

一种空间光学系统的遮光薄板设计方法
技术领域
本发明涉及一种空间光学系统的遮光薄板设计方法，属于光学领域。
背景技术
空间光学遥感系统多数为大视场的工作范围，如离轴多反射望远系统。为了提高大视场或大视场光学系统在不同子视场下的遥感质量，需将视场切分为多个大小一样或不同的视场子空间，这样可在单个子视场或多个子视场中观察目标体，大大提高了系统观察目标的灵活性及其本身的使用效率。若在多反射成像光路中设计视场切分结构，将导致光学系统的复杂化，引入不必要的像差和光线遮拦。本发明提出的视场切分方案，结合空间光学系统遮挡杂光的必要性，在外遮光罩内部集成多个薄板来达到大视场切分的目的，同时也提高了大视场非对称遮光罩的结构稳定性，具有一定的先进性和创新性。目前针对光学遥感系统大视场的切分方案设计，未有专利文献做过相关讨论，且目前应用的遮光罩设计方法及装置，内容均为遮光罩如何消除成像视场外杂光，未涉及用于大视场光学遥感器视场切分的遮光罩设计。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术无法在保证消除成像杂光，同时在切分大视场的过程中无法保证结构稳定性的问题，提出了一种空间光学系统的遮光薄板设计方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于大视场光学系统视场切分的遮光薄板设计方法，步骤如下：
(1)利用N-1块遮光薄板将光学系统视场分为： [ω0～ω1]、[ω1～ω2]、…、[ωn-1～ωn]等N个子视场，其中，ω0、ω1、…、ωn-1、ωn为各子视场的光轴倾斜角度；
(2)根据各子视场光轴倾斜角度，确定N-1块遮光薄板各自的倾斜角度，其中，所述遮光薄板平面法线垂直于光学系统视场方向遮光薄板内表面法线，其中，遮光薄板倾斜角度的计算方法如下：
Figure GDA0002537247550000021
式中，ωn-1,n为第n-1块遮光薄板的倾斜角度，ωn为子视场光轴倾斜角度；
(3)根据各子视场的光轴倾斜角度，确定N-1 块遮光薄板各自结构外包络，其中，遮光薄板结构外包络的计算方法如下：
Figure GDA0002537247550000031
Figure GDA0002537247550000032
式中，D0为入射光轴的直径，xn-1,n、zn-1,n为第n-1 块遮光薄板结构外包络端点于光学视场坐标系中的位置坐标；
其中，所述光学视场坐标系以光学系统视场的入射光瞳中心为坐标原点，将入射光瞳光轴方向设为Z 轴，与入射光瞳平面平行方向设为X轴，根据右手定则确定Y轴；
(4)通过子视场渐晕系数计算各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积，其中，各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积的计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000033
式中，Kn为子视场渐晕系数，ΔSn、ΔSn’为光学系统各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积；
(5)根据步骤(4)所得光学系统各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积，计算各子视场对应阴影部分光轴直径，其中，各子视场对应阴影部分光轴直径的计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000041
Figure GDA0002537247550000042
式中，Δrn、Δr'n为各子视场对应阴影部分光轴直径；
(6)根据步骤(5)所得各子视场对应阴影部分光轴直径确定各遮光薄板长度，其中，遮光薄板长度的计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000043
Figure GDA0002537247550000044
式中，Ln-1,n为第n块遮光薄板的长度；
(7)根据步骤(2)所得遮光薄板倾斜角度、步骤(3)所得遮光薄板结构外包络、步骤(6)所得遮光薄板长度，确定遮光薄板结构内包络，完成各子视场遮光薄板设计。
优选的，所述遮光薄板材料为2A12铝合金，通过加强筋加固，所述加强筋材料为2A12铝合金。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)直接在光学系统遮光罩结构中进行视场切分，避免了采用光学系统内部切分视场方案所带来的结构复杂和光线遮挡等缺点，且提高了系统观察目标灵活性及使用效率。
(2)通过在遮光罩内部宽视场方向集成多个薄板，可遮挡住非成像视场对各个子视场的空间杂散光，增强了光机系统的环境适应性，同时也提高了大视场非对称遮光罩的结构稳定性。
附图说明
图1为发明提供的宽视场遮光系统设计原理图；
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种用于大视场光学系统视场切分的遮光薄板设计方法，根据所需子视场光轴倾斜角度利用遮光薄板将光学系统宽视场分为： [ω0～ω1]、[ω1～ω2]、…、[ωn-1～ωn]等N个子视场，其中，ω0、ω1、…、ωn-1、ωn为所述子视场的光轴倾斜角度。
在遮光薄板摆放位置设计过程中，首先根据子视场光轴倾斜角度计算出遮光薄板倾斜角度，再确定遮光薄板外包络，最后根据渐晕系数进行计算确定遮光薄板长度，完成遮光薄板摆放设计。
所述子视场光轴倾斜角度ωn及遮光薄板放置的起始位置确定步骤如下：
(1)以光学视场的入射光瞳中心为坐标原点，将入射光瞳光轴方向设为Z轴，与入射光瞳平面平行方向设为X轴，根据右手定则确定Y轴，其中遮光薄板位于XOZ平面内，朝向光轴方向为遮光薄板外包络，朝向入射光瞳方向为遮光薄板内包络；
(2)根据子视场光轴倾斜角度ωn确定遮光薄板的倾斜角度ωn-1,n，计算方法如下：
Figure GDA0002537247550000061
(3)根据当前坐标系确定所述遮光薄板结构外包络(xn-1,n，zn-1,n)，计算方法如下：
Figure GDA0002537247550000062
其中，D0为入射光轴的直径；
(4)根据各个子视场渐晕系数Kn计算入射光轴在入射光瞳上的对应阴影面积ΔSn、ΔSn’，计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000063
根据所得对应阴影面积ΔSn、ΔSn’计算各子视场对应阴影部分光轴直径Δrn、Δr'n，计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000064
Figure GDA0002537247550000071
Figure GDA0002537247550000072
(5)根据步骤(4)所得子视场对应阴影部分光轴直径Δrn、Δr'n计算遮光薄板长度Ln-1,n，计算公式如下：
Figure GDA0002537247550000073
Figure GDA0002537247550000074
(6)根据步骤(2)所得遮光薄板的倾斜角度ωn-1,n、步骤(3)所得遮光薄板结构外包络(xn-1,n，zn-1,n)、步骤(5)所得遮光薄板长度Ln-1,n确定各子视场遮光薄板结构内包络，完成所述各子视场遮光薄板设计。
其中，所述遮光薄板平面法线垂直于宽视场方向遮光薄板内表面法线。遮光薄板采用材料2A12铝合金，通过材料为2A12铝合金的加强筋加固。
实施例1
在实验过程中，设置光学系统宽视场大小为98°，窄视场方向为8°，光轴直径D0为8mm；
(a)将光学系统宽视场分为：[ω0～ω1]、[ω1～ω2]、…、 [ωn-1～ωn]等N个子视场，切分后子视场范围[ωn-1～ωn] 为[0°～13°]、[13°～25°]、[13°～25°]、[25°～35°]、[35°～43°]、[43°～49°]，其中0°、13°、25°、35°、43°、 49°分别为ω0～ω5；
(b)根据所述步骤(2)可得各遮光薄板的倾斜角度ωn-1,n分别为6.585°、19.218°、30.253°、39.227°、 46.163°；
(c)根据所述步骤(3)可得各遮光薄板外包络 (xn-1,n，zn-1,n)分别为(4.161,36.321)、(12.338,35.386)、 (20.780,35.619)、(29.285,35.864)、(39.837,38.252)；
(d)根据所述步骤(4)～(5)可得各遮光薄板长度分别为6.460、7.385、11.147、16.209、25.131；
(e)根据光学系统对称性，求出全部遮光薄板的几何数据，代入建模分析软件中机型计算，即可得到现场使用时的具体指标，完成遮光薄板的设计。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于大视场光学系统视场切分的遮光薄板设计方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用N-1块遮光薄板将光学系统视场分为：[ω0～ω1]、[ω1～ω2]、…、[ωn-1～ωn]、…等N个子视场，其中，ω0、ω1、…、ωn-1、ωn、…为所述子视场的光轴倾斜角度；
(2)根据各子视场光轴倾斜角度，确定N-1块遮光薄板各自的倾斜角度，其中，所述遮光薄板平面法线垂直于光学系统视场方向遮光薄板内表面法线，其中，遮光薄板倾斜角度的计算方法如下：
Figure FDA0002537247540000011
式中，ωn-1,n为第n-1块遮光薄板的倾斜角度，ωn为子视场光轴倾斜角度；
(3)根据各子视场的光轴倾斜角度，确定N-1块遮光薄板各自结构外包络，其中，遮光薄板结构外包络的计算方法如下：
Figure FDA0002537247540000012
Figure FDA0002537247540000013
式中，D0为入射光轴的直径，xn-1,n、zn-1,n为第n-1块遮光薄板结构外包络端点于光学视场坐标系中的位置坐标；
其中，所述光学视场坐标系以光学系统视场的入射光瞳中心为坐标原点，将入射光瞳光轴方向设为Z轴，与入射光瞳平面平行方向设为X轴，根据右手定则确定Y轴；
(4)通过子视场渐晕系数计算各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积，其中，各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积的计算公式如下：
Figure FDA0002537247540000021
式中，Kn为子视场渐晕系数，ΔSn、ΔSn’为光学系统各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积；
(5)根据步骤(4)所得光学系统各子视场内入射光轴于入射光瞳上对应阴影面积，计算各子视场对应阴影部分光轴直径，其中，各子视场对应阴影部分光轴直径的计算公式如下：
Figure FDA0002537247540000022
Figure FDA0002537247540000023
式中，Δrn、Δrn'为各子视场对应阴影部分光轴直径；
(6)根据步骤(5)所得各子视场对应阴影部分光轴直径确定各遮光薄板长度，其中，遮光薄板长度的计算公式如下：
Figure FDA0002537247540000024
Figure FDA0002537247540000025
式中，Ln-1,n为第n块遮光薄板的长度；
(7)根据步骤(2)所得遮光薄板倾斜角度、步骤(3)所得遮光薄板结构外包络、步骤(6)所得遮光薄板长度，确定遮光薄板结构内包络，完成各子视场遮光薄板设计。
2.根据权利要求1所述的一种用于大视场光学系统视场切分的遮光薄板设计方法，其特征在于：所述遮光薄板材料为2A12铝合金，通过加强筋加固，所述加强筋材料为2A12铝合金。
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