CN112666704A - 一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法，涉及光学系统设计技术领域，解决现有挡光环的设计存在光学系统重量增加，装配难度高，且无法满足光学系统消一次入射杂散光抑制要求的问题，设定入口处光学孔径的半径值，遮光罩半孔径，挡光环之间的轴向间距，挡光环的总数量，遮光罩总长，遮光罩的杂光抑制角以及光学系统视场角；在确定杂光抑制角后，对遮光罩半孔径，挡光环之间的轴向间距进行矩阵式离散采样；确定光线入射的位置范围；计算获得满足条件的交点的取值范围；记录该入射角度下不能满足条件的光线数目；实现消杂散光设计。本发明计算出来的遮光罩结构具有等高度等间距挡光环，解决工程应用中遮光罩结构复杂难加工难装配的问题。

Description

一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，具体涉及一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法。

背景技术

在光学系统中，杂散光通常指的是达到光学系统像面的非成像光线，相当于光学系统的“噪声”。它对相机星像点的影响非常明显，可使像面的对比度大大降低，清晰度变坏；杂散光辐射引起的噪声严重时甚至会盖过目标信号。因此杂散光抑制设计是成像相机的关键技术之一，常采用的方法是为相机设计遮光罩以抑制杂散光的影响。

通常遮光罩设计分为外形设计和挡光环设计，挡光环的存在可以有效的减小离轴角较小的杂散光入射。遮光罩外形有圆柱状和锥状两种，挡光环的布置也有两种：挡光环等高布置和挡光环梯度布置。无论采取哪种布置形式的遮光罩和挡光环，中心思想是不让大于杂光抑制角入射一级散射杂光直接照射到主镜上，且保证挡光环的布置不遮拦视场角以内的光线。

在以往研究中发现，挡光环的分布虽然越密越好，但实际工程中挡光环的数量同样会使光学系统自身重量增加，且增加装配难度，所以要适量减少其数量。挡光环提高高度是为了提升杂散光在其内部的反射次数，该次数与挡光环分布也有一定的关系。在考虑加工和装调难度的情况下，对挡光环数量、高度都要有一定的要求，不仅便于光机装调，同时还能满足光学系统消一次入射杂散光抑制要求。

目前的设计中，挡光环都是等高度或者等间距，为了便于工程化，本发明针对等间距且等高度挡光遮光罩结构的设计空缺，提供了一种新的计算思路。在工程项目中应用本发明设计方法，可以有效地简化遮光罩和挡光环的生产流程及装配流程，减少加工成本，缩短工程周期。

发明内容

本发明为解决现有挡光环的设计存在光学系统重量增加，装配难度高，且无法满足光学系统消一次入射杂散光抑制要求的问题，提供一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法。

一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、设定a为入口处光学孔径的半径值，a⁺为遮光罩半孔径，d为挡光环之间的轴向间距，M为挡光环的总数量，遮光罩总长为Md；θ₀为遮光罩的杂光抑制角，ω为光学系统视场角，所述遮光罩的杂光抑制角θ₀和光学系统视场角ω均为正数，d为负数；

在确定杂光抑制角θ₀后，根据工程经验给出a⁺和d的取值范围，并对a⁺和d进行矩阵式离散采样；

步骤二、设定边缘位置光线与X轴夹角小于等于杂光抑制角θ₀，即

整理之后得到

对步骤一中每一组a⁺和d离散采样得到的数值，计算对应的M，获得M矩阵；

步骤三、取一个入射光线方向，记为θ，确定光线入射的位置范围；设定所述入射光线的方程为：

y＝tanθ(x+b)

b为入射光线与X轴的交点位置，则进入遮光罩内部的光线应满足：

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点x₁≥Md且

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x-a的交点x₂≤Md；

对步骤一中每一组a⁺和d的值，将θ在θ₀～89°的范围内，每隔1°取一个值，计算获得满足条件的交点b的取值范围；

步骤四、在确定的b取值范围内，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a⁺的交点为(x₀,y₀)，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点为(x₀′,y₀′)；x₀位于(M+1)d和Md之间；

若x₀′不在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环有交点，即光线首先照射到挡光环上，该光线自动满足消一次散射条件；

若x₀′在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环没有交点，即光线首先照射到筒壁上，则消一次散射条件的数学表述为：

(x₀,y₀)与(0,-a⁺)的连线与x_m＝Md的交点(x_m,y_m)位于挡光环范围之内，即y_m≥a-Md tanω；

计算步骤三中条件的满足情况，记录该入射角度下不能满足步骤三中条件的光线数目；

步骤五、对每一组a⁺和d的值，将所有角度下不满足步骤三中条件的光线数目叠加，获得不满足步骤三中条件的光线数目的总数；

步骤六、将步骤五所述不满足条件的光线数目的总数存储为与a⁺和d的值一一对应的矩阵，当矩阵为零矩阵时，则该组a⁺和d的取值满足消一次杂散光设计要求。

本发明的有益效果：本发明所述的一种消一次散射杂散光遮光罩的设计方法，利用程序化方法计算出来的遮光罩结构具有等高度等间距挡光环，可以解决工程应用中遮光罩结构复杂难加工难装配的问题。

本发明的目的是通过程序化计算获得等间距且等高度挡光环，同时满足特定角度以外的消一次散射需求，因此遮光罩外轮廓要设计为与边缘视场光线包络发散角一致的锥形桶，使光线到达遮光罩底部平面前至少经过两次结构散射。

附图说明

图1为本发明所述的一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构坐标关系示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，一种等间距等高挡光环锥状遮光罩结构的计算方法，该方法实施的具体步骤如下：

步骤一、设入口处光学孔径的半径值为a，遮光罩半孔径为a⁺，挡光环之间的轴向间距为d，挡光环的总数量为M个，即遮光罩总长为Md。θ₀是遮光罩的杂光抑制角，ω是光学系统视场角，这里的角度量θ₀和ω都是正数，d是负数。

需要优化的变量为a⁺，d，M。

采用离散遍历采样的总体思想，在确定杂光抑制角θ₀之后，根据工程经验给出a⁺和d的取值范围，在二者的取值范围内进行矩阵式离散采样。

步骤二、θ₀角度以上入射的光线，不能直接到达底面。这里为了留有余量，没有取通光位置的边缘，而是取了底面外筒的边缘。这一条件主要限制了遮光罩的总长度和外径之间的关系。转化为数学关系，应使得附图1中所示的边缘位置光线(遮光罩顶部顶点与底部对侧顶点的连线)与X轴夹角不大于杂光抑制角θ₀，即

整理之后得到

针对步骤一中每一组a⁺和d的值，计算对应的M，得到M矩阵。

步骤三、满足消一次散射条件可分为两种情况，情况一是如果入射光线首先到达挡光环的外侧，那么这条光线必然要经过两次散射才能到达底面。情况二是如果入射光线首先到达遮光罩的筒壁，则需要经过挡光环的遮挡。

为保证所有角度、所有位置的光线都能满足消一次散射条件，首先要取一个入射光线方向，记为θ，确定光线入射的位置范围。设入射光线的方程为

y＝tanθ(x+b)

b是光线与X轴的交点位置。

则打进遮光罩内部的光线应满足：

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点x₁≥Md且

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x-a的交点x₂≤Md

针对步骤一中每一组a⁺和d的值，将θ在θ₀～89°的范围内，每隔1°取一个值，计算得到满足步骤二中条件交点b的取值范围。

步骤四、在上述条件在确定的b取值范围内，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a⁺的交点为(x₀,y₀)，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点为(x₀′,y₀′)；x₀位于(M+1)d和Md之间；

若x₀′不在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环有交点，即光线首先照射到挡光环上，该光线自动满足消一次散射条件；

若x₀′在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环没有交点，即光线首先照射到筒壁上，则消一次散射条件的数学表述为：

(x₀,y₀)与(0,-a⁺)的连线与x_m＝Md(即入射光线位置紧挨着的挡光环)的交点(x_m,y_m)位于挡光环范围之内，即y_m≥a-Md tanω；

因此在b的取值范围内，以较小的间隔离散采样，(例：a＝300mm，b＝0.1mm)，计算步骤二中条件的满足情况，记录该入射角度下不能满足条件的光线数目。

步骤五、针对每一组a⁺和d的值，将所有角度下不满足条件的光线数目叠加得到不满足光线的总数。

步骤六、将不满足光线的总数存为与a⁺和d的值一一对应的矩阵，矩阵元素为零，则该组a⁺和d的取值能够实现消一次散射设计。

最后、根据步骤六中所得到的a⁺和d的取值，计算M的取值范围，根据工程实际情况选取适合的遮光罩长度，最终得到图1中所示的锥状遮光罩外轮廓及内部挡光环尺寸，完成消一次杂散光遮光罩的结构设计。

Claims (3)

1.一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、设定a为入口处光学孔径的半径值，a⁺为遮光罩半孔径，d为挡光环之间的轴向间距，M为挡光环的总数量，遮光罩总长为Md；θ₀为遮光罩的杂光抑制角，ω为光学系统视场角，所述遮光罩的杂光抑制角θ₀和光学系统视场角ω均为正数，d为负数；

在确定杂光抑制角θ₀后，根据工程经验给出a⁺和d的取值范围，并对a⁺和d进行矩阵式离散采样；

步骤二、设定边缘位置光线与X轴夹角不大于杂光抑制角θ₀，即

整理之后得到

对步骤一中每一组a⁺和d离散采样得到的数值，计算对应的M，获得M矩阵；

步骤三、取一个入射光线方向，记为θ，确定光线入射的位置范围；设定所述入射光线的方程为：

y＝tanθ(x+b)

b为入射光线与X轴的交点位置，则进入遮光罩内部的光线应满足：

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点x₁≥Md且

y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x-a的交点x₂≤Md；

对步骤一中每一组a⁺和d的值，将θ在θ₀～89°的范围内，每隔1°取一个值，计算获得满足条件的交点b的取值范围；

步骤四、在确定的b取值范围内，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a⁺的交点为(x₀,y₀)，设y＝tanθ(x+b)与y＝-tanω·x+a的交点为(x₀′,y₀′)；x₀位于(M+1)d和Md之间；

若x₀′不在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环有交点，即光线首先照射到挡光环上，该光线自动满足消一次散射条件；

若x₀′在(M+1)d和Md之间，则入射光线与挡光环没有交点，即光线首先照射到筒壁上，则消一次散射条件的数学表述为：

(x₀,y₀)与(0,-a⁺)的连线与x_m＝Md的交点(x_m,y_m)位于挡光环范围之内，即y_m≥a-Md tanω；

计算步骤三中条件的满足情况，记录该入射角度下不能满足步骤三中条件的光线数目；

步骤五、对每一组a⁺和d的值，将所有角度下不满足步骤三中条件的光线数目叠加，得到不满足步骤三中条件的光线数目的总数；

步骤六、将不满足条件的光线数目的总数存储为与a⁺和d的值一一对应的矩阵，当矩阵元素为零时，则该组a⁺和d的取值满足消一次杂散光设计。

2.根据权利要求1所述的一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法，其特征在于：根据步骤六中所得到的a⁺和d的取值，计算M的取值范围，选取相应的遮光罩长度，最终获得锥状遮光罩外轮廓及内部挡光环尺寸，完成消一次杂散光遮光罩的结构设计。

3.根据权利要求1所述的一种光学系统中消一次杂散光遮光罩的结构设计方法，其特征在于：所述遮光罩外轮廓设计为与边缘视场光线包络发散角一致的锥形桶。

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