一种新型空间相机遮光罩的设计与仿真

　　0 引 言

　　星载空间相机的探测目标信号通常很微弱，相机白天工作时太阳光的辐射强度远远大于信号本身的强度，给探测目标带来了很大的困难，因而遮光罩的设计就成为至关重要的。杂散光是指达到光学系统像面的非成像光线。杂散光主要分为三类：第一类是光学系统外部的辐射源(如太阳光、地球表面的散射光及大气漫射光等)进入系统，经系统内部构件的多次反射，折射或衍射到达探测器，称为外部杂散辐射或外杂光;第二类是光学系统内辐射源(如小电机、温控热源及温度较高的光学元件等)产生的红外辐射射线，经系统表面的反射、折射或衍射而进入探测器，称为内部杂散辐射或内杂光;第三类是目标光线经非光路表面散射或经光路表面的非正常传递而进入探测器。对于本空间相机系统来说，主要的杂散光是第一类，因此本文着重分析第一类杂散光。

　　1 遮光罩设计指标分析

　　点源透射比 PST(Point Sources Transmittance)是目前普遍采用的一种评价光学系统消杂光能力指标[1]。它定义为：光学系统视场外离轴角度为θ的光源经过光学系统后在像面产生的辐照度 Ed(θ)与垂直于该点源的输入孔径上的辐照度 Ei(θ)的比值，其数学表达式为

　　点源透射比 PST 体现了光学系统本身对点杂光光源的衰减能力，而与杂散光源的辐射强度无关。显然，PST 越小则表示系统杂光抑制能力强，系统性能好。在实际应用中，当对系统像面的杂光辐照度有一定的要求时，在己知杂散光垂直于输入孔径上的辐照度的条件下，就可以对系统的杂光指标 PST 提出要求。空间相机系统位于太阳同步轨道上，是一个用来进行目标监视的可见光相机系统。相机视场角可达20°×20°。相机视场非常宽，故很容易引进杂光。对本相机有影响的主要杂光有太阳光，地气杂光，月亮反射的光，还有星光等，星光能量较低，在本文中不予考虑。相机在太阳同步轨道上，根据太阳所在轨道的高度，计算出太阳光的抑制角为40o，月亮反射的光的抑制角为 20^o，地气杂光的反射角为 20^o。太阳光的能量较强，抑制指标主要以抑制太阳光为标准。本相机要求可观测到的目标照度以 2.5 等星为标准，要求成像距离为 100 m~2.5 km。在地球大气之外，两恒星的照度与星等的关系由下式给出[2]：

　　2 遮光罩设计及仿真

　　2.1 遮光罩的设计

　　遮光罩的设计应遵循的主要原则：杂光不能直接进入光学系统，须经过一次或两次散射，能量被有效衰减，同时保证视场内光线不能被拦掉。

　　首先确定遮光罩的外形。遮光罩的外形根据外形与光栏的布置，可以有四种组合：圆柱状且光栏等高布置，圆柱且光栏梯度布置，锥状且光栏等高布置，以及锥状且光栏梯度布置。本设计选择圆柱且光栏梯度布置。由于月亮反射的光和地气杂光的能量比较小，只需要一级消光，由此可计算出遮光罩的长度。如图1 所示：ψ 为月亮反射光和地气杂光的抑制角，θ 是半视场角，d 为光学系统第一面的通光口径。ψ = 20°, θ = 10°, d =48mm，由图示几何关系，可得遮光罩长度 L 为