CN210775897U - 一种牛角管式遮光罩 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种牛角管式遮光罩，解决现有遮光罩上挡光环消除杂散光效果较差的问题。本实用新型基于牛角管效应，当光线进入牛角管式挡光环后，会在其内壁不断反射，光线会越来越趋向于管尖，使光线被束缚在牛角管式挡光环中，且由于光线经过多次反射被内壁的材料吸收大量的能量，从而在很大程度上减少出射光线的能量，大幅度的减少了进入后续空间光学系统的杂光，提高了空间光学系统的性能，达到了很好的杂散光抑制效果；可在不需加长遮光罩的前提下，满足空间光学系统探测微弱星等的要求。

Description

一种牛角管式遮光罩

技术领域

本实用新型属于空间光学系统杂散光抑制结构设计领域，具体涉及一种牛角管式遮光罩。

背景技术

空间光学系统易受到杂散光的影响，空间光学系统的工作性能会大大降低，图像的对比度，系统成像的质量也会随之降低，导致目标信号被淹没，严重的影响了空间光学系统的正常工作。遮光罩是可以有效抑制杂散光且应用广泛的一种措施，它能够在不改变空间光学系统结构的前提下，起到抑制杂散光的作用。合理的遮光罩结构设计和杂光抑制材质的选择，很大程度上能提高空间光学系统的工作性能。

遮光罩主要是由遮光罩筒体和挡光环组成的，挡光环的加入能够在抑制杂散光的同时，缩减遮光罩的长度。目前，挡光环与遮光罩内壁是垂直设置或者倾斜设置，这种构型的挡光环能够达到一定消除杂散光的效果，但是当空间光学系统探测微弱星等的要求越来越高时，其消除杂散光的能力就显现出不足了，只能通过加长遮光罩或加密挡光环来实现探测目的，然而，这与空间光学系统轻量化的趋势大相径庭。因此，亟需设计一种新型的遮光罩。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有遮光罩上挡光环消除杂散光效果较差的不足之处，而提供了一种牛角管式遮光罩。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术解决方案是：

一种牛角管式遮光罩，包括遮光罩筒体，其特殊之处在于，还包括多级间隔设置或者连续设置在遮光罩筒体上的牛角管式挡光环；

所述牛角管式挡光环为中空回转体，其截面呈牛角形；该牛角形截面以所述遮光罩筒体的轴线作为中心线旋转360°构成牛角管式挡光环腔体(即遮光罩筒体的轴线与多级牛角管式挡光环的中心线共线)；

所述牛角形截面应满足：

以圆一的圆心O1为坐标原点建立直角坐标系；圆二的圆心O2位于X 轴上，其圆心坐标为(S，0)；圆一的半径为R₁，其与X轴由左至右相交于 A、C两点；圆二的半径为R₂，其与X轴由左至右相交于B、D两点；

圆一和圆二由上至下相交于G和H两点，该牛角形截面由AGB三点或者AHB三点或者CGD三点或者CHD三点围成；

定义AB连线或者CD连线为牛角形截面的入射边；所述入射边绕所述遮光罩筒体的轴线旋转360°后，形成该牛角管式挡光环的中心孔；所述G、 H两点较入射边远离所述中空回转体的中心线；

所述牛角管式挡光环的管尖朝向所述遮光罩筒体的后端面。

进一步地，所述圆二的圆心O2位于X轴的正半轴上，S＞0；且B点位于A点与圆心O1之间，D点位于C的右侧；所述牛角形截面由AGB三点围成；定义入射边AB的长度为d₁，则，d₁＝R₁+S-R₂。

由此也可得出，﹣R₁＜S-R₂＜0，S+R₂＞R₁。

针对上述各种情况，本实用新型还利用matlab编程和软件仿真，进行参数优化设计，分析光线从不同角度射入牛角管中光线在其内壁反射的次数。当B点位于O1点右侧时，牛角管口过大，反射效果不佳，故在设计中可忽略此种情况。同时，分析了R₁>R₂和R₂≥R₁两种情况，得到以下结论：

当d₁值在一定范围内，R₁为定值的情况下，S值越小反射次数越多，并且R₁>R₂时比R₂≥R₁时反射次数更多。当S值一定时，在R₂>R₁的情况下， R₂越接近R₁时反射次数越大。一般来说，R₁、R₂增大，反射次数也会增大。同样条件下，大角度入射更能经过反射射向牛角管管尖里面。

进一步地，为了使整个遮光罩系统的结构最优化，体现优良的消除杂散光效果；所述遮光罩筒体应满足：

遮光罩筒体长度L

其中，θ为太阳规避角；ω为空间光学系统半视场角；D₂为空间光学系统的通光口径；d为遮光罩筒体前端第一个竖直挡光环的高度；

遮光罩筒体前端通光直径D₁

D₁＝L×tan(θ)-d

遮光罩筒体前端直径D

D＝D₁+2d。

进一步地，所述牛角管式挡光环按照以下方法设置在所述遮光罩筒体上：

1)建立直角坐标系

其中，该坐标原点O(0，0)表示遮光罩筒体前端面的中心点；X轴与遮光罩筒体的轴线共线；

T(0，D/2)、U(0，-D/2)分别表示遮光罩筒体前端口上、下端点；

W(L，-D/2)、V(L，D/2)分别表示遮光罩筒体后端口上、下端点；

E(0，D₁/2)、F(0，-D₁/2)分别表示遮光罩筒体前端通光孔径的上、下端点；

M(L，D₂/2)、N(L，-D₂/2)分别表示空间光学系统通光孔径的上、下端点；

其中，F、N两点的连线为视场边缘光线；U、V两点的连线为遮光罩筒体下筒壁；

2)确定挡光环位置点

3)确定挡光环位置点的个数

从N点开始标记，到F点结束标记，对视场边缘光线FN上的交点进行标记，分别标记为0、1、2、3……n；

4)在所有挡光环位置点上间隔设置牛角管式挡光环或者连续设置牛角管式挡光环

其中，形成牛角管式挡光环牛角形截面的圆一圆心O1、圆二圆心O2均位于视场边缘光线FN上，并分别与其中两个挡光环位置点重合，牛角形截面的入射边即为相邻两个挡光环位置点间的连线；圆一和圆二的下交点与入射边围成的牛角形截面绕X轴旋转360°，进而形成牛角管式挡光环。

进一步地，按照以下方法确定挡光环位置点：

2.1)确定第一个挡光环位置点

连接E、V两点，与视场边缘光线FN相交于点P₁，点P₁为第一个挡光环位置点；

2.2)确定第二个挡光环位置点

连接W、P₁两点，与遮光罩下筒壁UV相交于点K₁；然后，连接E，K₁两点，与视场边缘光线FN相交于点P₂，点P₂为第二个挡光环位置点；

2.3)确定第三个挡光环位置点

连接W、P₂两点，与遮光罩下筒壁UV相交于点K₂；然后，连接E，K₂两点，与视场边缘光线FN相交于点P₃，点P₃为第三个挡光环位置点；

2.4)以此类推，利用相同的方法，在遮光罩的视场边缘光线FN上依次确定剩余的挡光环位置点P₄、P₅……P_i，以及W、Pi两点所在直线与遮光罩桶壁的交点K_i，i为正整数。

进一步地，间隔设置牛角管式挡光环时，

若n为奇数，在标记n和n-1处设置竖直挡光环，然后在剩余n-1个标记中，依次在每两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环，或者，在标记n和0处设置竖直挡光环，然后在剩余n-1个标记中，依次在每两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环；

若n为偶数，在标记n处设置竖直挡光环，然后在剩余n个标记中，依次在每两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环。

或者，连续设置牛角管时，在标记n处设置竖直挡光环，然后在剩余n 个标记中，每相邻两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环。

本实用新型的优点是：

本实用新型基于牛角管效应，当光线进入牛角管式挡光环后，会在牛角管式挡光环内壁不断反射，光线会越来越趋向于管尖，使光线被束缚在挡光环中，且由于光线经过多次反射被内壁的材料吸收大量的能量，从而在很大程度上减少出射光线的能量，大幅度的减少了进入后续空间光学系统的杂光，提高了空间光学系统的性能，达到了很好的杂散光抑制效果；可在不需加长遮光罩的前提下，满足空间光学系统探测微弱星等的要求。

附图说明

图1为本实用新型牛角形截面的设计示意图；

图2为光线进入牛角管后的光路示意图；

图3为本实用新型确定遮光罩挡光环位置点的示意图；

图4为在偶数个挡光环位置点间隔设置牛角管式挡光环的第一种设计示意图；

图5为在偶数个挡光环位置点间隔设置牛角管式挡光环的第二种设计示意图；

图6为在奇数个挡光环位置点间隔设置牛角管式挡光环的设计示意图；

图7为在奇数个挡光环位置点连续设置牛角管式挡光环的设计示意图；

图8为按照图5中设计的牛角管式遮光罩结构示意图；

图9为图8的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步的详细描述：

一种牛角管式遮光罩，包括遮光罩筒体以及设置在遮光罩筒体上的挡光环，该挡光环包括竖直挡光环以及牛角管式挡光环；牛角管式挡光环的管尖朝向遮光罩筒体的后端面，根据工程需要，可选择将多个牛角管式挡光环间隔设置或者连续设置在遮光罩上。

上述牛角管式遮光罩的具体按照如下方法设计：

S1.利用太阳规避角、空间光学系统半视场角、空间光学系统的通光口径、遮光罩筒体前端第一个竖直挡光环的高度，计算得到遮光罩筒体的长度、前端通光直径、以及前端直径

计算得到遮光罩筒体的长度L

其中，θ为太阳规避角；ω为空间光学系统半视场角；D₂为空间光学系统的通光口径；d为遮光罩筒体前端第一个竖直挡光环的高度；

遮光罩筒体前端通光直径D₁

D₁＝L×tan(θ)-d

遮光罩筒体前端直径D

D＝D₁+2d

S2.利用步骤S1得到的结果建立直角坐标系，并在遮光罩上确定设置挡光环的位置点

S2.1建立直角坐标系

其中，该坐标原点O(0，0)表示遮光罩筒体前端面的中心点；X轴与遮光罩筒体的轴线共线；

T(0，D/2)、U(0，-D/2)分别表示遮光罩筒体前端口上、下端点；

W(L，-D/2)、V(L，D/2)分别表示遮光罩筒体后端口上、下端点；

E(0，D₁/2)、F(0，-D₁/2)分别表示遮光罩筒体前端通光孔径的上、下端点；

M(L，D₂/2)、N(L，-D₂/2)分别表示空间光学系统通光孔径的上、下端点；

其中，F、N两点的连线为视场边缘光线；U、V两点的连线为遮光罩筒体下筒壁；

S2.2确定第一个挡光环位置点

连接E、V两点，与视场边缘光线FN相交于点P₁，点P₁为第一个挡光环位置点；

S2.3确定第二个挡光环位置点

连接W、P₁两点，与遮光罩下筒壁UV相交于点K₁；然后，连接E，K₁两点，与视场边缘光线FN相交于点P₂，点P₂为第二个挡光环位置点；

S2.4确定第三个挡光环位置点

连接W、P₂两点，与遮光罩下筒壁UV相交于点K₂；然后，连接E，K₂两点，与视场边缘光线FN相交于点P₃，点P₃为第三个挡光环位置点；

S2.5以此类推，利用相同的方法，在遮光罩的视场边缘光线FN上依次确定剩余的挡光环位置点P₄、P₅……P_i，以及W、Pi两点所在直线与遮光罩桶壁的交点K_i，i为正整数，如图3所示。

S3.在挡光环的位置点上设置挡光环，且挡光环的中心线与遮光罩筒体的轴线共线

S3.1确定挡光环位置点的个数

从N点开始标记，到F点结束标记(即从遮光罩后端口向遮光罩的前端口开始标记)，对视场边缘光线FN上的交点进行标记，分别标记为0、1、 2、3……n；

S3.2设置挡光环

考虑工程上的问题，在遮光罩上间隔设置挡光环时，挡光环位置点的个数若是奇数，一般在标记n的位置设置竖直挡光环，然后在剩余n个标记中，依次在每两个挡光环位置点设置一个牛角管式挡光环，即n为偶数时，在标记n处(遮光罩筒体前端第一个)设置竖直挡光环，然后在剩余n个标记中，依次在每两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环，如图6所示；挡光环位置点的个数若是偶数，则在标记n-1或者标记0的位置也设置竖直挡光环，然后在剩余n-1个标记中，依次在每两个挡光环位置点设置一个牛角管式挡光环，即n为奇数时，在标记n和n-1处(遮光罩筒体前端前两个)或者标记0和标记n处(遮光罩筒体前端第一个和后端第一个)设置竖直型挡光环，然后在剩余n-1个标记中，依次在每两个挡光环位置点处设置一个牛角管式挡光环，如图4、图5所示；

或者，在遮光罩上连续设置挡光环时，不考虑挡光环位置点个数的奇偶，均在标记n的位置设置竖直挡光环，然后在剩余的n个标记中，在每相邻两个挡光环位置点处均设置一个牛角管式挡光环，如图7所示。

对于上述竖直挡光环采用现有竖直挡光环的形成方法即可，而对于牛角管式挡光环，则需采用以下方法设计：

上述牛角管式挡光环实质为牛角管，其为一个中空回转体，其截面呈牛角形，如图1所示，每个牛角管式挡光环具体按照如下方法设计：

步骤一、形成牛角管的截面；

1.1)建立直角坐标系，并在直角坐标系上做出圆一和圆二，使两个圆相交；

其中，圆一的圆心O1与坐标原点重合，圆二的圆心O2位于X轴上，圆心坐标为(S，0)；圆一的半径为R₁，其与X轴由左至右相交于A、C两点；圆二的半径为R₂，其与X轴由左至右相交于B、D两点；圆一和圆二由上至下相交于G和H两点；

1.2)AGB三点或者AHB三点或者CGD三点或者CHD三点围成的图形即为牛角管的截面，可根据需要选择合适的截面作为牛角管截面；

步骤二、利用步骤一所得截面回转形成牛角管

定义AB连线或者CD连线为截面的入射边，该截面以遮光罩筒体的轴线作为中心线旋转360°，即可构成牛角管式挡光环；其中，入射边绕遮光罩筒体的轴线旋转360°后，形成该牛角管式挡光环的中心孔。

要在遮光罩上形成牛角管式挡光环，那么形成牛角形截面的圆一圆心 O1、圆二圆心O2均位于视场边缘光线FN上，并分别与其中两个挡光环位置点重合，牛角形截面的入射边即为相邻两个挡光环位置点间的连线；圆一和圆二的下交点与入射边围成的牛角形截面绕X轴旋转360°，进而形成牛角挡光环；

对于第一个牛角管半径的大小具体要综合考虑加工，体积等方面，可以以2个或者3个位置点距离作为半径设置牛角管式挡光环结构，也可以将第一个半径设为固定值，根据其他约束条件，确定其它半径的大小。如图6所示，以3个挡光环位置点之间距离作为半径，从遮光罩前端开始进行设置，以P₆作为圆一的圆心，P₆P₉为圆一半径做圆，再以P₅作为圆二的圆心，P₅P₈为圆二半径做圆，两个圆相交得到第一个牛角管截面，该截面绕遮光罩轴向回转形成第一个牛角管式挡光环；以P₄为圆一的圆心，P₄P₇为圆一半径做圆，再以P₃为圆二的圆心，P₃P₆为圆二半径做圆，两个圆相交得到第二个牛角管截面，该截面绕遮光罩轴向回转形成第二个牛角管式挡光环，以此类推，若以N点作为圆心做圆后发现端点不够，不能设置后续的牛角管式挡光环，则采用延长视场边缘光线和遮光罩下端线的方法，获取后续其他位置点，继续设置其他牛角管式挡光环，形成的带有牛角管式挡光环的遮光罩参见图8和图9。

本实用新型还利用matlab编程和软件仿真，进行参数优化设计，分析光线从不同角度射入牛角管中光线在其内壁反射的次数，如图2所示光线进入牛角管牛角管式挡光环后的光路走向。进而分析了R₁>R₂和R₂≥R₁两种情况，得到以下结论：

在d₁值在一定范围内时，R₁为定值的情况下，S值越小反射次数越多，并且R₁>R₂时比R₂≥R₁时反射次数更多。在S一定时，当R₂>R₁的情况下， R₂越接近R₁时反射次数越大。一般来说，R₁、R₂增大，反射次数也会增大。在同样条件下，大角度入射更能经过反射射向牛角管管尖里面。

综上，遮光罩上牛角管式挡光环的设置方式以及设置尺寸均可根据实际工程要求进行适应性的调整设计，以达到最优消除杂散光的效果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种牛角管式遮光罩，包括遮光罩筒体，其特征在于：还包括多级间隔设置或者连续设置在遮光罩筒体上的牛角管式挡光环；

所述牛角管式挡光环为中空回转体，其截面呈牛角形；该牛角形截面以所述遮光罩筒体的轴线作为中心线旋转360°构成牛角管式挡光环腔体；

所述牛角形截面应满足：

以圆一的圆心O1为坐标原点建立直角坐标系；圆二的圆心O2位于X轴上，其圆心坐标为(S，0)；圆一的半径为R₁，其与X轴由左至右相交于A、C两点；圆二的半径为R₂，其与X轴由左至右相交于B、D两点；

圆一和圆二由上至下相交于G和H两点，该牛角形截面由AGB三点或者AHB三点或者CGD三点或者CHD三点围成；

定义AB连线或者CD连线为牛角形截面的入射边；所述入射边绕所述遮光罩筒体的轴线旋转360°后，形成该牛角管式挡光环的中心孔；所述G、H两点较入射边远离所述中空回转体的中心线；

所述牛角管式挡光环的管尖朝向所述遮光罩筒体的后端面。

2.根据权利要求1所述的一种牛角管式遮光罩，其特征在于：

所述圆二的圆心O2位于X轴的正半轴上，且B点位于A点与圆心O1之间；所述牛角形截面由AGB三点围成；定义入射边AB的长度为d₁，则，d₁＝R₁+S-R₂。

3.根据权利要求2所述的一种牛角管式遮光罩，其特征在于：

所述遮光罩筒体应满足：

遮光罩筒体长度L

其中，θ为太阳规避角；ω为空间光学系统半视场角；D₂为空间光学系统的通光口径；d为遮光罩筒体前端第一个竖直挡光环的高度；

遮光罩筒体前端通光直径D₁

D₁＝L×tan(θ)-d

遮光罩筒体前端直径D

D＝D₁+2d。

Images