卡塞格伦光学系统的杂光抑制和遮光罩设计

　　引　言

　　随着红外探测方法和探测器水平的大幅度提高,用于空间探测的卡塞格伦光学系统探测的低对比度红外目标信号越来越微弱[1],对视场外杂光抑制水平的要求也愈加严格。它迫切地需要一套能有效抑制系统杂光的方法与手段。实际使用的卡塞格伦光学系统一般口径大、有中心遮拦、同时结构尺寸有严格限制,使得杂光的抑制变得困难。一种从杂光源出发,追迹特殊光线,开展光学、遮光罩设计,系统杂光的分析与计算,“黑色”涂层的研制以及杂光测试等的研究,在系统杂光的抑制方面取得了很大的进展[2]。

　　1　基本原理和概念

　　卡塞格伦光学系统的杂光主要来自视场外明亮物体的强烈辐射,经系统后,以散射和衍射杂光的形式,在象面探测器上产生背景噪声,降低系统的探测能力,甚至使系统探测到伪目标。从光能量在两个面的传递关系[3],见(1)式,可以推出影响散射杂光的因素

　　Ec为到达接收面的辐照度;E(θi,φi)为源面的出射辐照度;dΩsc是单位源面对接收面的投影立体角;BRDF为源面材料表面的双向反射分布系数。从(3)式可以看出,影响系统散射杂光光能传递的三因素:a.入射辐照度;b.反射面材料的表面特性;c.传递光束的投影立体角。减小这三个因素的值可降低卡塞格伦光学系统的散射杂光影响。系统衍射杂光的抑制则涉及光学设计与光阑安排,以减小每次衍射的影响;更为重要的是,使到达探测器的衍射杂光经过多次衍射衰减。

　　2　卡塞格伦光学系统的遮光罩设计

　　卡塞格伦光学系统杂光抑制要求较高时,必须在系统前端加特殊的结构——遮光罩。合理的遮光罩设计,可以大大减小系统杂光。

　　2.1　主遮光罩

　　卡塞格伦光学系统处于工作状态时,对视场外亮物体(如太阳等杂光源)有个限制角θj,即杂光源辐射对系统光轴的夹角不能小于θj。根据系统杂光分析计算表明,杂光源直接照射在系统主镜上产生的一次散射杂光最为严重,因此应阻挡住视场外光线,使它不能直射主镜从而产生一次散射。见图1(a)。这样,照射在主镜的杂光辐射至少经过了一次或以上的反射衰减。到达探测器的为多次散射杂光。

　　但是,当杂光源的限制角θj与光学系统孔径尺寸一定时,主遮光罩必须足够长,才能避免一次散射的产生。在结构尺寸受到严格限制的大口径卡塞格伦系统中,往往不允许使用过长的遮光罩。因此本文提出了一种新型遮光罩的设计,即在主遮光罩内设置径向叶片,见1(b),在保证良好的杂光抑制性能的同时,可使整个遮光罩做得很短,而对信号的接收几乎无影响。设计者可根据实际需要,决定设置径向叶片的个数。