遮光罩和挡光环程序化设计的原理及实现

　　引 言

　　遮光罩和挡光环消杂光是光学系统中的传统杂光抑制措施。在一定条件下，遮光罩，特别是挡光环对系统的杂光系数的贡献具有关键作用。遮光罩配合挡光环以达到大于杂光抑制角的一级杂光不能直接照射到主镜上(以主镜边缘为临界位置)的效果。系统有时还要求遮挡大部分二级杂光，此时挡光环的设计至关重要。光学系统像面接收到的杂散能量与杂散光源辐射出的能量、关键表面的光学特性等有关，其能量传输方程[2]为

式中dΦc是探测器接收到的能量微元，dΦs是杂散光源辐射出的能量微元;BRDF 是双向反射分布函数;GCFsc是探测器与杂散光源间的几何构成因子。遮光罩和挡光环的精心设计实际上就是要使 GCFsc尽可能地接近于零。

　　1 遮光罩和挡光环的程序化设计原理及实现

　　遮光罩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(如图 1) 和挡光环梯度布置(如图2)。无论采取哪种布置形式的遮光罩和挡光环，其核心思想均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(一般以主镜边缘为临界位置)，且保证挡光环的布置不遮拦视场角以内的光线。

　　所谓程序化设计主要是基于程序，用参数控制其设计过程，通过优化获得遮光罩和挡光环的最佳参数。

　　1.1 圆柱状且挡光环等高布置的遮光罩的程序化设计方法

　　首先，视场角内的光线不被挡光环所遮拦，并且要保证消杂光效果，最后一个挡光环的高度以通光孔径为设计依据。为了便于叙述，特约定：h 为挡光环高度，s 为挡光环间距，n 为挡光环的个数，θ 为半视场角，Φ 为遮光罩内径，L 为遮光罩总长， L 为不等间距分布时的长度偏差(主要针对最后两个挡光环的间距与前面的各挡光环间距不等的情况);d：k：任意正整数。各参数物理意义如图3 所示(挡光环只画出下半部分)。此时，遮光罩总长 L = ( n 1)s+( L s)d，下面分两种情况讨论：

　　当已知遮光罩的Φ、L 和θ 三个参数，即可求出h、s、 L、n 等参数，然后通过编程 (一般的计算机高级语言，甚至光学软件的宏语言都可以)，输入Φ、L 和θ，实现该类型遮光罩程序化设计。

　　1.2 圆柱状且挡光环梯度布置的遮光罩的程序化设计方法

　　如图4 所示，图中字母约定如下：大写字母表示水平坐标值，小写字母表示半径;箭头向上为正值、箭头向下为负值;θ 为半视场角。由通光孔径(同时考虑加工和安装误差)可确定最后一个挡光环的高度，再由半视场角和遮光罩总长(BA)可以求出第一个挡光环的高度。其他挡光环的位置和高度可按下面公式求得：