CN108073014B - 一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学系统杂散光抑制设计领域，涉及到一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法。该设置方法主要依据遮光罩内壁喷涂的消光漆属性，以及整个光学系统的最小杂散光抑制角，通过合理的设计布置，达到在抑制角处点源透过率PST值最小的目的。本发明先确定遮光罩内壁喷消光黑漆类型，然后对该类型的消光黑漆表面属性进行测试，根据测试结果获得不同入射角度条件下消光黑漆的吸收属性，选取消光黑漆吸收率最高条件下的入射角度α，作为挡光环的倾斜参考角度，在一级挡光环的环尖坐标点A确定之后，将挡光环倾斜角度β设置为90°‑(α+θ)，即可获得该抑制角下最优的PST数值。
Description
技术领域
本发明属于光学系统杂散光抑制设计领域，涉及到一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法。
背景技术
PST(点源透过率)是评价空间光学系统杂散光抑制能力的关键指标。
对于大型空间观测相机，在进行杂散光抑制设计时，提出的指标要求通常为：抑制角θ处整系统PST值要求小于10n量级，n为负数，通常为-7，-8，-9甚至更低，这种指标提出依据的原理为：一般情况下，光学系统轴外杂光抑制能力随着离轴角增大而增强，即PST曲线随着离轴角增加而单调递减。
工程实践中，在光学系统遮光罩尺寸长度一定时，尤其是在尺寸受限的情况下，通常不得不将挡光环的参数进行反复迭代，从而寻求在遮光罩长度一定的前提下，获得抑制角处PST最小的结果，在这个过程中，往往耗时较长，且不容易得到明显改善效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，该设置方法主要依据遮光罩内壁喷涂的消光漆属性，以及整个光学系统的最小杂散光抑制角，通过合理的设计布置，达到在抑制角处点源透过率PST值最小的目的。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)确定相机遮光罩使用消光黑漆的类型，加工一块与遮光罩同样结构材料的样片，对该样片喷涂消光黑漆，然后对样片进行BRDF属性测试，入射准直光线天顶角范围为0～90°，按照0.5°～10°的测试步长进行测试；
2)得到各个不同入射角度条件下的BRDF数据之后，使用公式(1)计算不同入射角度条件下的积分总散射率TIS，
其中，θs为光线入射角，为方位角；
3)根据不同的入射角θs，以及其对应的TIS，使用多项式拟合，得到TIS＝f(θs)，观察曲线形状，对该多项式在最小值区间关于θs求导，得到TIS极小值处的角度值θs'，该角度即为吸收率最高条件下的入射角度α；
4)按照遮光罩挡光环设计原则，通过几何追迹法，得到各个挡光环的环尖位置坐标，最后的一级挡光环环尖坐标点为A，将除一级挡光环以外的所有挡光环设置为与遮光罩底部垂直或者按照光线追迹角度合理布置，为简单起见，将除一级挡光环外的其余挡光环倾斜角均设置为与遮光罩底部垂直，并不失一般性；
5)将一级挡光环倾斜角β按照公式(2)进行设置，
β＝90°-(α+θ) (2)；
6)以0.1°为步长，在±1°范围内，对一级挡光环分别设置不同的倾斜角度，即β＝90°-(α+θ)±Δα，其中Δα＝0.1°,0.2°,...1°，对每一个角度下的遮光罩进行三维建模，使用光线追迹软件进行抑制角θ条件下的PST仿真，得到最小PST时的β'，该β'即为一级挡光环的最终倾斜角。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，遮光罩总长L满足公式(3)约束的时候，该方法更有优势，
其中，φ为光学系统第一块透镜的直径，θ为抑制角，ω为光学系统半视场角。
本发明的优点：
本发明基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，在遮光罩尺寸受限的条件下，可以有效降低抑制角处整个光学系统的PST数值，从而达到杂散光抑制的要求。
附图说明
图1为本发明对喷涂消光黑漆后的样片进行BRDF属性测试示意图；
图2为本发明中关于一级挡光环设计的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在光学系统遮光罩尺寸长度一定时，尤其是在尺寸受限的情况下，通常不得不将挡光环的参数进行反复迭代，从而寻求在遮光罩长度一定的前提下，获得抑制角处PST最小的结果，经过大量实验及仿真后，发现针对特定的抑制角θ和消光黑漆的类型，一级挡光环(即最靠近光学系统第一块透镜的挡光环)设置时的倾斜角度会对该抑制角下系统的PST产生不同的影响，挡光环在某些倾斜角下，抑制角附近的PST值甚至比大于抑制角的其他角度要小，整机系统的PST曲线出现非单调递减的情况，利用这种规律，可以在遮光罩尺寸受限时，在光学系统抑制角处获得最优的PST值。
根据上述研究得出的规律，在确定遮光罩内壁喷消光黑漆类型的基础上，对该类型的消光黑漆表面属性(即双向反射分布函数BRDF)进行测试，如图1所示，根据测试结果获得不同入射角度条件下消光黑漆的吸收属性，选取消光黑漆吸收率最高条件下的入射角度α，作为挡光环的倾斜参考角度，如图2所示，在一级挡光环的环尖坐标点A确定之后，将挡光环倾斜角度β设置为90°-(α+θ)，即可获得该抑制角下最优的PST数值。
一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，具体步骤为：
1)确定相机遮光罩具体使用哪种消光黑漆类型，在喷漆之前，加工一块与遮光罩同样结构材料的样片，对该样片进行喷漆处理，然后按照如图1所示的方法，对样片进行BRDF属性测试，入射准直光线天顶角范围为0～90°，按照0.5°～10°的测试步长进行测试，由于测试费用昂贵，时间耗费较长，实践中通常将测试步长设置在5°或者5°以上，如果测试设备条件允许，测试步长越小，效果越好；
2)得到各个不同入射角度条件下的BRDF数据之后，使用公式(1)计算不同入射角度条件下的TIS(积分总散射率)，
其中，θs为光线入射角，为方位角；
3)根据不同的入射角θs，以及其对应的TIS，使用多项式拟合，可以得到TIS＝f(θs)，观察曲线形状，对该多项式在最小值区间关于θs求导，得到TIS极小值处的角度值θs'，该角度即为吸收率最高条件下的入射角度α；
4)如图2所示，按照遮光罩挡光环设计原则，通过几何追迹法，得到各个挡光环的环尖位置坐标，最后的一级挡光环环尖坐标点为A，为不失一般性，这里将除一级挡光环以外的所有挡光环均设置为与遮光罩底部垂直，即挡光环倾斜角均为90°；
5)将一级挡光环倾斜角β按照公式(2)进行设置，
β＝90°-(α+θ) (2)
其中，θ为抑制角；
6)以0.1°为步长(选择依据为：根据现有机械加工工艺，挡光环倾斜角公差为±0.1°)，在±1°范围内，对一级挡光环分别设置不同的倾斜角度，即β＝90°-(α+θ)±Δα，其中Δα＝0.1°,0.2°,...1°，对每一个角度下的遮光罩进行三维建模，使用光线追迹软件进行抑制角θ条件下的PST仿真，得到最小PST时的β'，该β'即为一级挡光环的最终倾斜角；
该挡光环的设置方法在遮光罩总长L满足公式(3)约束时，效果较好，如图2所示，超出此范围，即遮光罩总长宽松的时候，这种设置方法效果一般,
其中，φ为光学系统第一块透镜的直径，θ为抑制角，ω为光学系统半视场角。
Claims (2)
1.一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定相机遮光罩使用消光黑漆的类型，加工一块与遮光罩同样结构材料的样片，对该样片喷涂所述消光黑漆，然后对样片进行BRDF属性测试，入射准直光线天顶角范围为0～90°，按照0.5°～10°的测试步长进行测试；
2)得到各个不同入射角度条件下的BRDF数据之后，使用公式(1)计算不同入射角度条件下的积分总散射率TIS，
其中，θs为光线入射角，为方位角；
3)根据不同的入射角θs，以及其对应的TIS，使用多项式拟合，得到TIS＝f(θs)，观察曲线形状，对该多项式在最小值区间关于θs求导，得到TIS极小值处的角度值θs'，该角度即为吸收率最高条件下的入射角度α；
4)按照遮光罩挡光环设计原则，通过几何追迹法，得到各个挡光环的环尖位置坐标，最后的一级挡光环环尖坐标点为A，将一级挡光环以外的所有挡光环均设置为与遮光罩底部垂直，即挡光环倾斜角均为90°；所述一级挡光环邻近光学系统透镜设置；
5)将一级挡光环倾斜角β按照公式(2)进行设置，
β＝90°-(α+θ) (2)
其中，θ为抑制角；
6)以0.1°为步长，在±1°范围内，对一级挡光环分别设置不同的倾斜角度，即β＝90°-(α+θ)±Δα，其中对每一个角度下的遮光罩进行三维建模，使用光线追迹软件进行抑制角θ条件下的PST仿真，得到最小PST时的β'，该β'即为一级挡光环的最终倾斜角。
2.根据权利要求1所述的一种基于杂散光抑制角的挡光环设置方法，其特征在于：所述遮光罩总长L满足公式(3)约束，
其中，φ为光学系统邻近一级挡光环的第一块透镜的直径，θ为抑制角，ω为光学系统半视场角。
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