离轴三反射望远镜遮光罩设计与杂光分析

　　0　引言

　　对于空间光学系统,在工作时,视场外的太阳,地球等强光源发出的光都可能直接或间接地在像面形成杂光,产生假信号,造成光学系统像面对比度的下降,严重时甚至可能完全淹没目标.随着空间光学的飞速发展,光学系统杂光抑制的成功与否甚至成了某些特殊光学系统性能进一步提高的“瓶颈”,因此,在光学设计时,对光学系统杂光抑制能力的分析是非常有必要的.近年来,越来越多的空间遥感光学系统采用了离轴三反射的结构形式,对于这种系统设计方法,国内已经有大量研究[1-4],由于这种光学系统完全没有色差,因此孔径可以做得很大,通过孔径或视场的离轴,消除了中心遮拦,提高了系统的成像质量,而且在重量和温控方面也有很大的优势,满足了空间光学仪器轻量化、小型化的要求,同时这种系统还具有很强的杂光抑制能力,特别是具有二次像面的离轴三反射结构,由于可以在系统中设置视场光阑和里奥光阑,从而使到达像面的衍射杂光经过了三次衍射衰减,最后光学系统的杂光几乎只剩下散射杂光,故杂光抑制水平很高,但关于这类系统杂散光特性分析和遮光罩设计的研究[5-6]却很少.

　　本文以具有二次像面的离轴三反射光学系统为例,首先分析了系统的杂光范围和视场外可能存在的杂光源,然后根据杂光抑制和遮光罩设计的基本原则,进行了遮光罩的设计.由指标要求光学系统能探测到的极限星等,计算得到了系统在大于离轴角30°时的点源透射比(Point Source Transmittance,PST)应小于,最后通过在Tracepro杂光分析软件中建模,在方位角依次为0°、45°、90°、135°和180°时,分别对0.1°~80°之间共15个离轴角度进行了光线追迹,通过计算光线在像面和入瞳上的照度比,得到了各个方位角上的PST曲线.基于PST曲线,提出了对遮光罩的改进方案,并对遮光罩进行了优化设计.

　　1　光学系统

　　离轴三反射光学系统的光路如图1,系统焦距为690 mm,入瞳直径为230 mm,视场角为6°×1.4°,对角线方向上视场角为6.16°,CCD像元大小为13μm×13μm,弥散斑分布在2×2个像元上.系统共有四个反射镜,其中第四反射镜为平面镜,用来折转光路,主镜和三镜为椭球面,次镜为双曲面,孔径光阑在主镜前且离轴放置,从而使次镜移出了光路之外,消除了中心遮拦.光线从入瞳进入系统,经主镜和次镜反射,在次镜和三镜之间有第一次成像,然后经三镜和平面反射镜折转,最终到达焦面.

　　2　系统杂光域的分析和遮光罩设计

　　在空间环境中,太阳、地球,月亮等强光源是光学系统杂光的主要来源,所以对于空间光学仪器来说,应当尽可能安装在不被这些杂光源直接照射的位置.对于文中的望远镜系统来说,由于它安装在不被太阳直接照射的位置,且进入系统的杂光主要来自地球,故在这里只考虑地球的影响.由卫星位置可知,地球与系统光轴的最小夹角为30°.