CN114114787B - 一种宽视场相机遮光罩及其设计方法 - Google Patents

一种宽视场相机遮光罩及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种宽视场相机遮光罩及其设计方法，能够解决相机视场外的强光源通过光机结构及光学镜片的多次反射和散射，进入到光学探测器表面上形成杂散光而影响相机的成像质量的问题。这种宽视场相机遮光罩，其包括：遮光罩主体、多级挡光环，遮光罩采用高吸收率光学材料，遮光罩主体和挡光环均具有消杂散光涂层，多级挡光环之间间隔不相等。

Description

一种宽视场相机遮光罩及其设计方法
技术领域
本发明涉及光学的技术领域，尤其涉及一种宽视场相机遮光罩，以及该遮光罩的设计方法。
背景技术
杂散光是光学系统中所有非正常传输光线的总称。杂散光的存在会降低像面的对比度，甚至在像面上产生明显光斑，直接影响光学系统的成像质量。可见光相机的杂散光来源主要有三类：(1)视场内的背景光到达探测器表面；(2)视场内的目标光线经过光学元件的多次反射、散射到达探测器表面；(3)视场外的强光源通过散射或衍射到达探测器表面。第一类杂散光为均匀背景，通常在信号处理阶段加以消除；第二类杂散光会在像面形成“鬼像”，通过在透镜表面镀减反膜及合理的光学设计实现杂散光的消除；第三类杂散光会在像面产生亮点或亮斑，通常通过消光涂料及遮光罩、挡光环的设计进行抑制。
天基宽视场相机工作在可见光波段，光学系统为改进的双高斯镜头形式，入瞳直径(第一镜片直径)为D0，对角线视场为2ω。由于实际使用场景中太阳对相机的入射角大于或等于β，即太阳临界角为β，故对相机的杂散光抑制主要针对太阳临界角β以外。虽然在临界角外太阳不会进入光学系统视场，但因为太阳是强光源，如果没有遮光罩、挡光环等必要的杂散光抑制措施，或光学系统的光学、结构设计不合理，太阳光通过机械结构表面的反射、散射以及透镜表面的反射，到达探测器靶面的能量依然很强，严重影响光学系统的成像质量，是相机杂散光的主要来源，必须进行分析与抑制。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种宽视场相机遮光罩的设计方法，其能够解决相机视场外的强光源通过光机结构及光学镜片的多次反射和散射，进入到光学探测器表面上形成杂散光而影响相机的成像质量的问题。
本发明的技术方案是：这种宽视场相机遮光罩，其包括：遮光罩主体、多级挡光环，遮光罩采用高吸收率光学材料，遮光罩主体和挡光环均具有消杂散光涂层，多级挡光环之间间隔不相等。
还提供了一种宽视场相机遮光罩的设计方法，其包括以下步骤：
(1)输入宽视场相机的结构参数，包括光学系统的入瞳直径D0、对角线视场2ω；
(2)遮光罩的长度L、遮光罩的口径D、遮光罩的锥角α按照公式(1)设计
Figure BDA0003359524150000021
其中，β为杂散光源的临界角；
(3)遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构，挡光环的高度H1、H2和间距M通过公式(2)得到
Figure BDA0003359524150000031
(4)在遮光罩、挡光环的表面都涂以消杂散光材料；
(5)采用杂散光分析软件Tracepro对宽视场相机遮光罩的杂散光抑制效果进行分析，Tracepro采用蒙特卡罗法对杂散光进行分析，通过对各界面的辐射特性构造相应的概率函数模型，将辐射能量由大量光线携带传输，每束光在界面的吸收、反射、透射、衍射及其传输方向都由服从概率模型的随机数确定，分别追踪每一能束的传输，最后统计杂散光在系统内的分布情况。
本发明遮光罩的长度L和口径D根据杂散光源的临界角β及相机入瞳直径D0设计，保证临界角以外的太阳光不会直接进入光学系统，遮光罩的锥角α根据光学系统的视场角设计，保证不影响光学系统的正常视场；遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构设计，挡光环的高度和间距保证临界角以外的太阳光至少要在遮光罩经过两次散射才能够进入光学系统中，以减少最终达到像面的杂散光；宽视场相机的遮光罩、挡光环表面都涂以消杂散光材料，改变材料表面的吸收、散射特性，实现对视场外杂散光的抑制；根据相机的结构模型，用仿真软件计算出杂散光的传输路径以及到达探测器表面的能量值，确定杂散光对成像质量的影响；因此能够解决相机视场外的强光源通过光机结构及光学镜片的多次反射和散射，进入到光学探测器表面上形成杂散光而影响相机的成像质量的问题。
附图说明
图1是根据本发明的宽视场相机遮光罩的设计图。
图2是根据本发明的挡光环的设计图。
图3是实施例1中宽视场相机的光机结构模型。
图4是实施例1中的光源在临界角上时杂散光的传输情况。
图5是实施例2中的光源在临界角上时杂散光的传输情况。
图6是根据本发明的宽视场相机遮光罩的设计方法的流程图。
具体实施方式
这种宽视场相机遮光罩，其包括：遮光罩主体、多级挡光环，遮光罩采用高吸收率光学材料，遮光罩主体和挡光环均具有消杂散光涂层，多级挡光环之间间隔不相等。
如图1、2、6所示，还提供了一种宽视场相机遮光罩的设计方法，其包括以下步骤：
(1)输入宽视场相机的结构参数，包括光学系统的入瞳直径D0、对角线视场2ω；
(2)遮光罩的长度L、遮光罩的口径D、遮光罩的锥角α按照公式(1)设计
Figure BDA0003359524150000041
其中，β为杂散光源的临界角；
(3)遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构，挡光环的高度H1、H2和间距M通过公式(2)得到
Figure BDA0003359524150000051
(4)在遮光罩、挡光环的表面都涂以消杂散光材料；
(5)采用杂散光分析软件Tracepro对宽视场相机遮光罩的杂散光抑制效果进行分析，Tracepro采用蒙特卡罗法对杂散光进行分析，通过对各界面的辐射特性构造相应的概率函数模型，将辐射能量由大量光线携带传输，每束光在界面的吸收、反射、透射、衍射及其传输方向都由服从概率模型的随机数确定，分别追踪每一能束的传输，最后统计杂散光在系统内的分布情况。
本发明遮光罩的长度L和口径D根据杂散光源的临界角β及相机入瞳直径D0设计，保证临界角以外的太阳光不会直接进入光学系统，遮光罩的锥角α根据光学系统的视场角设计，保证不影响光学系统的正常视场；遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构设计，挡光环的高度和间距保证临界角以外的太阳光至少要在遮光罩经过两次散射才能够进入光学系统中，以减少最终达到像面的杂散光；宽视场相机的遮光罩、挡光环表面都涂以消杂散光材料，改变材料表面的吸收、散射特性，实现对视场外杂散光的抑制；根据相机的结构模型，用仿真软件计算出杂散光的传输路径以及到达探测器表面的能量值，确定杂散光对成像质量的影响；因此能够解决相机视场外的强光源通过光机结构及光学镜片的多次反射和散射，进入到光学探测器表面上形成杂散光而影响相机的成像质量的问题。
优选地，如图3、4所示，所述步骤(1)中，光学系统的入瞳直径D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°；所述步骤(2)中，遮光罩长度L为23.64mm，直径D为20.6mm；所述步骤(3)中，第一挡光环的高度H1为3.53mm，第二挡光环的高度H2为5.22mm，并依次计算其他挡光环的高度；所述步骤(4)中，遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％；所述步骤(5)中，太阳规避角为55°-70°。
优选地，如图5所示，所述步骤(1)中，光学系统的入瞳直径D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°；所述步骤(2)中，遮光罩长度L为20mm，直径D为20.6mm；所述步骤(3)中，宽视场相机遮光罩内部的各个挡光环的高度相同，均为2mm；所述步骤(4)中，遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％；所述步骤(5)中，太阳规避角为55°-70°。
以下更详细地说明本发明的具体实施例。
实施例1
第一步宽视场相机的结构参数
宽视场相机工作在可见光波段，光学系统的入瞳直径(第一镜片直径)D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°，光机结构模型如图3所示。
第二步遮光罩的结构设计
宽视场相机遮光罩的结构如图1所示。遮光罩的长度L和口径D根据杂散光源的临界角β及相机入瞳直径D0设计，需保证临界角以外的太阳光不会直接进入光学系统，遮光罩的锥角α根据光学系统的视场角设计，以保证不影响光学系统的正常视场。
α＝ω
Figure BDA0003359524150000061
Figure BDA0003359524150000062
利用上述公式，计算得出遮光罩长度L为23.64mm，直径D为20.6mm。
第三步挡光环的结构设计
遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构设计，如图2所示。挡光环的高度和间距需保证临界角以外的太阳光至少要在遮光罩经过两次散射才能够进入光学系统中，以减少最终达到像面的杂散光。挡光环的高度H1、H2和间距M可通过L、D、D0、γ等已知参数通过联立方程求的。
Figure BDA0003359524150000071
Figure BDA0003359524150000072
Figure BDA0003359524150000073
Figure BDA0003359524150000074
利用上述公式，计算得出挡光环1的高度H1为3.53mm，挡光环2的高度H2为5.22mm，并依次计算其他挡光环的高度。
第四步遮光罩表面涂层设计
宽视场相机的遮光罩、挡光环以及其它机械结构表面都涂以消杂散光材料，改变材料表面的吸收、散射特性，实现对视场外杂散光的抑制。遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％。
第五步杂散光分析
采用杂散光分析软件Tracepro对宽视场相机遮光罩的杂散光抑制效果进行分析。Tracepro采用蒙特卡罗法对杂散光进行分析，通过对各界面的辐射特性构造相应的概率函数模型，将辐射能量由大量光线携带传输，每束光在界面的吸收、反射、透射、衍射及其传输方向都由服从概率模型的随机数确定，分别追踪每一能束的传输，最后统计杂散光在系统内的分布情况。
考虑到相机的强光源临界角为β，重点分析在临界角以外的太阳光源的杂散光传输分布情况。强光源在临界角上时杂散光的传输情况如图4所示，强光源在临界角以外杂散光的传输情况能量统计如表1所示。
表1
Figure BDA0003359524150000081
从仿真结果可以看出，能够到达探测器的杂散光都是经过三次散射的光线，能量较小，不影响成像质量。
实施例2
第一步宽视场相机的结构参数
宽视场相机工作在可见光波段，光学系统的入瞳直径(第一镜片直径)D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°，光机结构模型如图3所示。
第二步遮光罩的结构设计
宽视场相机遮光罩的长度L为20mm，直径D为20.6mm。
第三步挡光环的结构设计
宽视场相机遮光罩内部的各个挡光环的高度相同，均为H1为2mm。
第四步遮光罩表面涂层设计
宽视场相机的遮光罩、挡光环以及其它机械结构表面都涂以消杂散光材料，改变材料表面的吸收、散射特性，实现对视场外杂散光的抑制。遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％。
第五步杂散光分析
采用杂散光分析软件Tracepro对宽视场相机遮光罩的杂散光抑制效果进行分析。Tracepro采用蒙特卡罗法对杂散光进行分析，通过对各界面的辐射特性构造相应的概率函数模型，将辐射能量由大量光线携带传输，每束光在界面的吸收、反射、透射、衍射及其传输方向都由服从概率模型的随机数确定，分别追踪每一能束的传输，最后统计杂散光在系统内的分布情况。
考虑到相机的强光源临界角为β，重点分析在临界角以外的太阳光源的杂散光传输分布情况。强光源在临界角上时杂散光的传输情况如图5所示，强光源在临界角以外杂散光的传输情况能量统计如表2所示。
表2
Figure BDA0003359524150000091
从仿真结果可以看出，能够到达探测器的杂散光有经过两次散射的光线，能量较大，影响成像质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种宽视场相机遮光罩的设计方法，其特征在于：其包括：其包括：遮光罩主体、多级挡光环，遮光罩采用高吸收率光学材料，遮光罩主体和挡光环均具有消杂散光涂层，多级挡光环之间间隔不相等；
该方法包括以下步骤：
(1)输入宽视场相机的结构参数，包括光学系统的入瞳直径D0、对角线视场2ω；
(2)遮光罩的长度L、遮光罩的口径D、遮光罩的锥角α按照公式(1)设计
Figure FDA0003910663290000011
其中，β为杂散光源的临界角；
(3)遮光罩内部采用多级非等间距挡光环的结构，挡光环的高度H1、H2和间距M通过公式(2)得到
Figure FDA0003910663290000012
(4)在遮光罩、挡光环的表面都涂以消杂散光材料；
(5)采用杂散光分析软件Tracepro对宽视场相机遮光罩的杂散光抑制效果进行分析，Tracepro采用蒙特卡罗法对杂散光进行分析，通过对各界面的辐射特性构造相应的概率函数模型，将辐射能量由大量光线携带传输，每束光在界面的吸收、反射、透射、衍射及其传输方向都由服从概率模型的随机数确定，分别追踪每一能束的传输，最后统计杂散光在系统内的分布情况。
2.根据权利要求1所述的宽视场相机遮光罩的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，光学系统的入瞳直径D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°；所述步骤(2)中，遮光罩长度L为23.64mm，直径D为20.6mm；所述步骤(3)中，第一挡光环的高度H1为3.53mm，第二挡光环的高度H2为5.22mm，并依次计算其他挡光环的高度；所述步骤(4)中，遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％；所述步骤(5)中，太阳规避角为55°-70°。
3.根据权利要求1所述的宽视场相机遮光罩的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，光学系统的入瞳直径D0为8.33mm，对角线视场2ω为30°；所述步骤(2)中，遮光罩长度L为20mm，直径D为20.6mm；所述步骤(3)中，宽视场相机遮光罩内部的各个挡光环的高度相同，均为2mm；所述步骤(4)中，遮光罩采用高吸收率光学材料，对可见光的吸收率为95％；所述步骤(5)中，太阳规避角为55°-70°。
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