CN112068383A - 一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，包括主遮光罩安装于光学系统主镜处用以遮挡非成像光线；次镜遮光罩，次镜遮光罩安装于光学系统次镜处用于遮挡已进入主遮光罩内的杂散光再次进入次镜内；三镜遮光罩，三镜遮光罩安装于光学系统三镜处用于遮挡入射光线直射以及经过主遮光罩、次镜遮光罩散射后的光线进入三镜镜面；焦面遮光罩，焦面遮光罩安装于光学系统焦面处用于遮挡小角度成像光线散射以实现减小探测器视野；三镜挡光板，三镜挡光板位于光学系统次镜一侧且安装于主遮光罩上用以遮挡直射入三镜上的光线；还包括主镜后罩、三镜后罩及焦面后罩；该装置保证相机外包络尺寸小型化前提下提高抑制杂散光性能。

Description

一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域，尤其涉及一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件。
背景技术
随着空间遥感技术的发展，离轴三反式光学系统的应用越来越广泛，这种光学系统具有视场角大、无中心视场遮拦、空间分辨率高等优点。为了尽可能提高遥感相机空间分辨率，光学系统达到了衍射极限，因此杂散光成为影响像质的关键因素，其直接表现在降低像面的对比度,降低信噪比，并且可能会在像面上产生光斑，导致像质下降，某些情况下甚至会造成系统失效，因此应该考虑措施进行消除。
本专利中的离轴三反宽幅相机采用大口径、长焦距的光学系统，以提高相机的传函及空间分辨率，针对长焦距的光学系统，在光学系统中增加折叠镜以缩短系统长度。为了减小卫星整体包络尺寸，节约发射成本，对光学系统入光口处光阑高度进行了限制。因此，如何在有限的空间范围内有效的减小杂散光对像质的影响，是本专利要解决的技术问题。
现有技术中，空间遥感相机为实现对杂散光的抑制效果，多采用光阑式、板式的遮光罩。由于本专利中的离轴三反式宽幅遥感相机采用桁架式支撑结构，在前后框架之间没有足够的空间布置光阑，传统的遮光罩设计需要增大入光口处光阑长度以及更大的外包络尺寸才能满足杂光抑制需求，因此传统的遮光罩设计不能满足相机设计要求。
针对现有杂散光组件设计存在的问题，本专利引入了分体式遮光罩的设计，在有限的空间范围内布置了5类遮光罩，采用光阑和板式相结合的形式，并创造性的采用三镜挡光板的形式，极大缩短相机的外包络尺寸的同时，仍能实现较好的杂光抑制效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用分体式遮光罩设计，在有限的空间范围内布置了5类遮光罩，采用光阑和板式相结合、并创造性的采用三镜挡光板的形式，极大缩短相机的外包络尺寸的同时，仍能实现较好的杂光抑制效果的适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，该消杂光组件用于遮挡光学系统中进入主镜、次镜、三镜以及折叠镜的非成像光线，该消杂光组件安装位于相机的主承力结构上，包括：
主遮光罩，所述主遮光罩安装于光学系统的主镜处用以遮挡非成像光线；
次镜遮光罩，所述次镜遮光罩安装于光学系统的次镜处用于遮挡已进入所述主遮光罩内的杂散光再次进入次镜内；
三镜遮光罩，所述三镜遮光罩安装于光学系统的三镜处用于遮挡入射光线直射以及经过所述主遮光罩、次镜遮光罩散射后的光线进入三镜镜面；
焦面遮光罩，所述焦面遮光罩安装于光学系统的焦面处用于遮挡小角度成像光线散射以实现减小探测器视野；
三镜挡光板，所述三镜挡光板位于光学系统的次镜一侧且安装于所述主遮光罩上用以遮挡直射入三镜上的光线；
主镜后罩，所述主镜后罩安装于主镜后侧；
三镜后罩，所述三镜后罩安装于三镜后侧；
焦面后罩，所述焦面后罩安装于焦面后侧；其中
所述主镜后罩、三镜后罩、焦面后罩用于遮挡从后方射入光学系统的光线。
进一步的，所述主遮光罩包括：
主遮光筒，所述主遮光筒呈阶梯状；
第一加强梁，所述第一加强梁通过铆钉与胶粘固定设置于所述主遮光筒外部；
第一光阑，所述第一光阑设置于所述主遮光筒内；
第一外翻边，所述第一外翻边设置于所述主遮光筒的底端并沿四周方向通过螺钉与所述主承力结构相连接。
进一步的，所述次镜遮光罩包括：
锥形罩，所述锥形罩上设有第一U型槽口；
斜筋，所述斜筋设置在所述锥形罩的外部；
第二外翻边，所述第二外翻边设置于所述锥形罩的底端并沿圆周方向通过螺钉与所述主承力结构相连接；其中
所述斜筋的一端与所述第二外翻边相连接。
进一步的，所述三镜遮光罩包括：
U型罩体；
第二光阑，所述第二光阑等距分布于所述U型罩体内；
第三外翻边，所述第三外翻边设置于所述U型罩体的底端并沿U型罩体四周方向通过螺钉与所述主承力结构相连接。
进一步的，所述焦面遮光罩包括：
方形遮光筒；
第三光阑，所述第三光阑等距分布于所述方形遮光筒内；
第四外翻边，所述第四外翻边设置于所述方形遮光筒的底端并沿方形遮光筒四周方向通过螺钉与所述主承力结构相连接。
进一步的，所述三镜挡光板包括：
一层遮光板，所述一层遮光板设有第二U型槽口；
二层遮光板，所述二层遮光板设有第三U型槽口；
三层遮光板，所述三层遮光板通过铆钉安装于所述一层遮光板和二层遮光板之间；
第五外翻边，所述第五外翻边设置于所述一层遮光板的长边处并沿一层遮光板的长边方向设有螺钉安装通孔用以连接所述主遮光筒与一层遮光板。
进一步的，所述消杂光组件采用碳纤维环氧复合材料铺层加工。
在上述技术方案中，本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，具有以下有益效果：
本发明可应用于离轴三反宽幅遥感相机中，该消杂光组件设计满足系统对杂散光的要求，保证相机外包络尺寸小型化的前提下以提高抑制杂散光性能，本发明中遮光罩均采用碳纤维/环氧复合材料，具有高比刚度、高比强度、热线胀系数小、抗疲劳性能好、抗振性能好等优点，进一步满足宽幅相机轻量化及力学特性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件的结构示意图；
图2为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件的局部结构示意图；
图3为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件的局部结构示意图；
图4为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件中主遮光罩的结构示意图；
图5为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件中次镜遮光罩的结构示意图；
图6为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件中三镜遮光罩的结构示意图；
图7为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件中焦面遮光罩的结构示意图；
图8为本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件中三镜挡光板的结构示意图；
图9为本发明实施例一中杂散光的分析结果图。
附图标记说明：
1、主遮光罩；2、次镜遮光罩；3、三镜遮光罩；4、焦面遮光罩；5、三镜挡光板；6、主镜后罩；7、三镜后罩；8、焦面后罩；9、主承力结构；
11、主遮光筒；12、第一加强梁；13、第一光阑；14、第一外翻边；
21、锥形罩；22、斜筋；23、第二外翻边；
211、第一U型槽；
31、U型罩体；32、第二光阑；33、第三外翻边；
41、方形遮光筒；42、第三光阑；43、第四外翻边；
51、一层遮光板；52、二层遮光板；53、三层遮光板；54、第五外翻边；
511、第二U型槽口；521、第三U型槽口。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，本文所使用的的术语“上”、“内”、“后侧”、“外部”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1～图9所示；
本发明的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，该消杂光组件用于遮挡光学系统中进入主镜、次镜、三镜以及折叠镜的非成像光线，该消杂光组件安装位于相机的主承力结构9上，包括：
主遮光罩1，主遮光罩1安装于光学系统的主镜处用以遮挡非成像光线；
次镜遮光罩2，次镜遮光罩2安装于光学系统的次镜处用于遮挡已进入主遮光罩1内的杂散光再次进入次镜内；
三镜遮光罩3，三镜遮光罩3安装于光学系统的三镜处用于遮挡入射光线直射以及经过主遮光罩1、次镜遮光罩2散射后的光线进入三镜镜面；
焦面遮光罩4，焦面遮光罩4安装于光学系统的焦面处用于遮挡小角度成像光线散射以实现减小探测器视野；
三镜挡光板5，三镜挡光板5位于光学系统的次镜一侧且安装于主遮光罩1上用以遮挡直射入三镜上的光线；
主镜后罩6，主镜后罩6安装于主镜后侧；
三镜后罩7，三镜后罩7安装于三镜后侧；
焦面后罩8，焦面后罩8安装于焦面后侧；其中
主镜后罩6、三镜后罩7、焦面后罩8用于遮挡从后方射入光学系统的光线。
具体的，本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件：
主遮光罩1的主要作用是为光学系统提供一个密闭环境，避免绝大多数非成像光线直射至反射镜及焦面上；
次镜遮光罩2为光学系统中次镜的遮光罩，用于遮挡已进入主遮光罩1内的杂散光进入光学系统中的次镜，除此之外，由于次镜是光学系统的孔径光阑，次镜遮光罩2可起到遮拦非成像光线的作用；
三镜遮光罩3为光学系统中三镜的遮光罩，避免入射光线直接射入三镜镜面，也可以遮挡经过其他遮光罩散射的光线进入三镜镜面；
焦面遮光罩4为光学系统中焦面的遮光罩，可实现缩小探测器视野的功能，同时可避免小角度成像光线经一次散射到达焦面；(角度范围，或者专业性的解释)
三镜挡光板5安装于主遮光罩1上，三镜挡光板5主要用于遮挡直射入三镜上的光线；三镜挡光板5安装于主遮光罩1上时，需保证三镜挡光板5的安装角度与光学系统的离轴角度一致，避免三镜挡光板5对光学系统MTF产生影响。
主遮光罩1包括：
主遮光筒11，主遮光筒11呈阶梯状；
第一加强梁12，第一加强梁12通过铆钉与胶粘固定设置于主遮光筒11外部；
第一光阑13，第一光阑13设置于主遮光筒11内；
第一外翻边14，第一外翻边14设置于主遮光筒11的底端并沿四周方向通过螺钉与主承力结构9相连接。
具体的，在光线入射口出，主遮光筒11呈阶梯状设计，通过延长入射口处的第一光阑13的长度，可有效遮拦非成像光线；第一光阑13位于主遮光筒11内部，内部的多层第一光阑13可有效避免光线经一次散射到达其他反射镜面及焦面；主遮光筒11外表面安装有第一加强梁12，第一加强梁12大大提高了主遮光罩1的整体结构强度和刚度；第一外翻边14位于主遮光筒11下侧、提供了与相机主承力结构9的安装接口、第一外翻边14沿四周方向通过螺钉与相机的主承力结构9相连接。
次镜遮光罩2包括：
锥形罩21，锥形罩21上设有第一U型槽口211；
斜筋22，斜筋22设置在锥形罩21的外部；
第二外翻边23，第二外翻边23设置于锥形罩21的底端并沿圆周方向通过螺钉与主承力结构9相连接；其中
斜筋22的一端与第二外翻边23相连接。
具体的，锥形罩21上设有第一U型槽口211，主要用于避开次镜反射到三镜的光线；锥形罩21外部沿圆周方向布有梯形斜筋22，斜筋22用于加强锥形罩21的强度，斜筋22与第二外翻边23和锥形罩21相连接；第二外翻边23位于锥形罩21的底部，提供了锥形罩21与主承力结构9的安装接口、第二外翻边23沿圆周方向通过螺钉与相机的主承力结构9相连接。
三镜遮光罩3包括：
U型罩体31；
第二光阑32，第二光阑32等距分布于U型罩体31内；
第三外翻边33，第三外翻边33设置于U型罩体31的底端并沿U型罩体31四周方向通过螺钉与主承力结构9相连接。
具体的，U型罩体31由碳纤维薄片结构组成，主要包含两个三角面和三个梯形面。
进一步的，第二光阑32位于U型罩体31内部且呈等间距分布，可对进入光学系统内部的杂散光进行吸收；第三外翻边33位于U型罩体31的底部，提供了与主承力结构9的安装接口、第三外翻边33沿U型罩体31方向通过螺钉与相机的主承力结构9相连接。
焦面遮光罩4包括：
方形遮光筒41；
第三光阑42，第三光阑42等距分布于方形遮光筒41内；
第四外翻边43，第四外翻边43设置于方形遮光筒41的底端并沿方形遮光筒41四周方向通过螺钉与主承力结构9相连接。
第三光阑42位于方形遮光筒41内部且呈等间距分布，第四外翻边43位于方形遮光筒41底部、提供了方形遮光筒41与主承力结构9的安装接口，第四外翻边43沿方形遮光筒41四周方向通过螺钉与相机的主承力结构9相连接。
三镜挡光板5包括：
一层遮光板51，一层遮光板51设有第二U型槽口511；
二层遮光板52，二层遮光板52设有第三U型槽口521；
三层遮光板53，三层遮光板53通过铆钉安装于一层遮光板51和二层遮光板52之间；
第五外翻边54，第五外翻边54设置于一层遮光板51的长边处并沿一层遮光板51的长边方向设有螺钉安装通孔用以连接主遮光筒11与一层遮光板51。
外侧的一层遮光板51和二层遮光板52底部分别设有第二U型槽口511和第三U型槽口521用于避开主镜反射到次镜的光线；第五外翻边54提供了三镜挡光板5与主遮光罩1上表面的安装接口，沿长边方向布置螺钉安装通孔，除此之外，三镜挡光板5左右两侧通过金属安装座与主遮光罩1的侧面相连接以增加三镜挡光板5的连接强度。
进一步的，消杂光组件采用碳纤维环氧复合材料铺层加工。
实施例一：
在本发明消杂光组件的共同作用下，进一步对系统杂散光进行了分析，追迹光线数量为1000000条，追迹光线的阈值为1e-10，通过改变光源面出射光束的方向模拟不同入射角度的光在像面上的光强分布，分析结果如图9所示。通过分析结果可以看出，视场外的杂散光在像面上的照度随着视场的增加呈稳定并逐步下降趋势，当入射角大于20°时，点源透过比PST下降到1E-8量级以下，无视场外光线直接入射到像面或经镜面直接反射到像面的情况出现。该消杂光结构设计满足系统对杂散光的要求。
采用杂光系数对离轴三反宽幅相机进行消杂光效果评价，方法是在相机焦面的不同位置处建立一定大小的面光源，该面光源为出射半角为90°的漫射光源，逆向追迹，在系统入口处设置覆盖整个入口的接收面A用来接收能到达像面的总能量，这部分光线包含有效成像光线和入射到像面上的杂散光，在远离系统的位置设置接收面B，其大小和对应的焦面小面元的视场大小一致，以保证接收到的光线是有效成像光线。光线数量为190万，阈值1E-10。通过分析系统的杂光系数小于1.5％，满足系统对杂散光的要求。
在上述技术方案中，本发明提供的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，具有以下有益效果：
(1)本发明消杂光组件创造性的引入三镜挡光板5，在三镜遮光罩3和三镜挡光板5的共同作用下可有效避免光线直射至三镜镜面，大大缩短了主遮光罩1入光口处光阑的高度，从而减小了卫星的整体外包络尺寸，节约发射成本。引入三镜挡光板5后分析了其对系统MTF的影响，由于三镜挡光板5沿中心视场设计，厚度较薄，不同视场子午方向分析结果表明三镜挡光板5对中心视场的MTF无影响，但对边缘视场的MTF有影响。边缘视场在Nyquist频率50lp/mm处相比设计MTF下降1.3％。此外，因为弧矢方向挡光板遮光少，三镜挡光板5对弧矢MTF的影响可忽略。因此，三镜挡光板5可较大程度的遮拦杂散光，同时对MTF的影响较小。
(2)本发明消杂光组件均采用碳纤维/环氧复合材料，具有高比刚度、高比强度、热线胀系数小、抗疲劳性能好、抗振性能好等优点，从而满足宽幅相机轻量化及力学特性的要求。
(3)本发明消杂光组件表面喷ERB黑漆，提高遮光罩对光线的吸收率，对杂散光起到更好的抑制效果。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，该消杂光组件用于遮挡光学系统中进入主镜、次镜、三镜以及折叠镜的非成像光线，该消杂光组件安装位于相机的主承力结构(9)上，其特征在于，包括：
主遮光罩(1)，所述主遮光罩(1)安装于光学系统的主镜处用以遮挡非成像光线；
次镜遮光罩(2)，所述次镜遮光罩(2)安装于光学系统的次镜处用于遮挡已进入所述主遮光罩(1)内的杂散光再次进入次镜内；
三镜遮光罩(3)，所述三镜遮光罩(3)安装于光学系统的三镜处用于遮挡入射光线直射以及经过所述主遮光罩(1)、次镜遮光罩(2)散射后的光线进入三镜镜面；
焦面遮光罩(4)，所述焦面遮光罩(4)安装于光学系统的焦面处用于遮挡小角度成像光线散射以实现减小探测器视野；
三镜挡光板(5)，所述三镜挡光板(5)位于光学系统的次镜一侧且安装于所述主遮光罩(1)上用以遮挡直射入三镜上的光线；
主镜后罩(6)，所述主镜后罩(6)安装于主镜后侧；
三镜后罩(7)，所述三镜后罩(7)安装于三镜后侧；
焦面后罩(8)，所述焦面后罩(8)安装于焦面后侧；其中
所述主镜后罩(6)、三镜后罩(7)、焦面后罩(8)用于遮挡从后方射入光学系统的光线。
2.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，所述主遮光罩(1)包括：
主遮光筒(11)，所述主遮光筒(11)呈阶梯状；
第一加强梁(12)，所述第一加强梁(12)通过铆钉与胶粘固定设置于所述主遮光筒(11)外部；
第一光阑(13)，所述第一光阑(13)设置于所述主遮光筒(11)内；
第一外翻边(14)，所述第一外翻边(14)设置于所述主遮光筒(11)的底端并沿四周方向通过螺钉与所述主承力结构(9)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，所述次镜遮光罩(2)包括：
锥形罩(21)，所述锥形罩(21)上设有第一U型槽口(211)；
斜筋(22)，所述斜筋(22)设置在所述锥形罩(21)的外部；
第二外翻边(23)，所述第二外翻边(23)设置于所述锥形罩(21)的底端并沿圆周方向通过螺钉与所述主承力结构(9)相连接；其中
所述斜筋(22)的一端与所述第二外翻边(23)相连接。
4.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，所述三镜遮光罩(3)包括：
U型罩体(31)；
第二光阑(32)，所述第二光阑(32)等距分布于所述U型罩体(31)内；
第三外翻边(33)，所述第三外翻边(33)设置于所述U型罩体(31)的底端并沿U型罩体(31)四周方向通过螺钉与所述主承力结构(9)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，所述焦面遮光罩(4)包括：
方形遮光筒(41)；
第三光阑(42)，所述第三光阑(42)等距分布于所述方形遮光筒(41)内；
第四外翻边(43)，所述第四外翻边(43)设置于所述方形遮光筒(41)的底端并沿方形遮光筒(41)四周方向通过螺钉与所述主承力结构(9)相连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，所述三镜挡光板(5)包括：
一层遮光板(51)，所述一层遮光板(51)设有第二U型槽口(511)；
二层遮光板(52)，所述二层遮光板(52)设有第三U型槽口(521)；
三层遮光板(53)，所述三层遮光板(53)通过铆钉安装于所述一层遮光板(51)和二层遮光板(52)之间；
第五外翻边(54)，所述第五外翻边(54)设置于所述一层遮光板(51)的长边处并沿一层遮光板(51)的长边方向设有螺钉安装通孔用以连接所述主遮光筒(11)与一层遮光板(51)。
7.根据权利要求1所述的一种适用于离轴三反式宽幅遥感相机的消杂光组件，其特征在于，包括：
所述消杂光组件采用碳纤维环氧复合材料铺层加工。
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