空间探测相机光学系统的杂散光分析和优化设计
1 引言
随着航天事业的快速发展,越来越多的航天器进入太空,空间探测相机作为探索太空的眼睛,发挥着至关重要的作用。对于空间探测相机来说最大的挑战就是杂散光问题,这是由于所处的环境条件严苛,容易受到太阳活动的影响。杂散光会增加探测器的输出噪声,降低相机系统的成像信噪比,会在像面形成“幽灵”般的鬼像以及光斑,大大削弱相机的探测能力,甚至光学仪器系统内部猛烈的杂散光线会直接破坏高灵敏度探测器[1-2],因此,进行杂散光分析以及消杂光设计对空间光学系统来说必不可少。
20世纪90年代末,光学系统设计中杂光分析及抑制方法的研究伴随着各国对资源的强烈需求迅速发展起来,并就此类课题开发设立了如SIRTF、COBE和IRAS等著名的科研项目。在目前的研究中,多以ASAP﹑TracePro﹑Lightools等高精度﹑高准确度且工程实用强的软件进行杂散光分析。常见的抑制手段主要包括:在光学镜片上加涂消光漆[3]、结构零件消除杂散光(在光学腔体镜筒内壁喷砂氧化)[4]以及在系统中加入遮光罩及挡光环[5]。
本文利用杂散光分析软件对成像质量良好的光学系统进行杂散光分析,设计相应的抑制杂散光的方法,并通过杂散光抑制评价方法判断所设计的抑制方式是否有效。主要通过三维建模平台SOLIDWORKS与杂光分析软件TracePro建立空间探测相机杂散光模型,并从光机表面特性、光机机械结构、镜片透过率等多个方面对光机模型进行优化设计。利用TracePro正反向光线追迹功能,精确找到光机系统内部发生一次散射的关键表面并进行重点采样分析,然后对优化前后的光机模型进行杂散光抑制评价分析,最后进行鬼像实验,进一步验证试制样机的杂散光抑制效果。
1 光学系统杂散光分析及抑制
1.1 杂散光来源及抑制评价方法
杂散光主要分为外部非成像杂散光、成像杂散光和内部热辐射杂散光[6]。系统外杂散光线透过光学表面时发生的多次反射、镜筒内壁和其他机械零件表面的散射以及残余的反射,最后到达像面形成外部非成像杂散光[7-9]。成像杂散光是指,视场内成像光线在光学元件表面多次反射后到达像面,形成鬼像或造成背景噪声的光线,可降低输出信号的信噪比,影响图像的对比度。对于红外成像系统而言,其内部元件在一定温度下会释放热辐射形成热辐射杂散光[10]。光机系统结构内壁是由不同特性的非理想光滑表面组成,导致反射光线不规律地扩散开来,让本应在视场外的杂光重新经表面散射进入到成像视场内,如
分析杂散光传播路径与辐射能量衰减是以
式中:
本文设计的空间探测相机应用于可见光波段,且成像杂散光也仅存在于特定的系统中,故重点分析外部杂散光的影响。相比其他杂散光光源的强度,太阳光的强度能够在不同离轴角对系统造成更为明显的影响,所以只考虑太阳光为杂散光的主要来源[11],在进行模拟分析时采用朗伯体光源模拟太阳光。
当一个光机系统进行消杂光设计后,需计算能进入系统内的杂散光能量,对杂散光性能做出评估,常用的评价方法有测量系统的杂光系数V、杂散光模型的PST(点源透过率)以及辐照度分析图。本文在仿真模型各项材料表面属性设计准确的前提下,利用TracePro输出的辐照度分析图计算系统PST值,以此评定系统的杂散辐射水平。PST是评价不同离轴角下光学系统消杂光能力的主要指标,只表征系统本身抑制杂散光能力,它与视场外杂散光源的强度无关[12],仅与光机系统的设计和性质相关。相机探测器灵敏度越高,感应微弱光线信号的能力越强,因此PST限定值越小,整套光机系统对杂散光的抑制能力越好[13]。
点源透过率PST有以下两种形式[14]:
1)归一化轴上点源透过率(RPSTN),可用下式表示:
式中:Pd(ϕ)是离轴角为ϕ的点源落在探测器上的辐射通量;Pd(0)是位于轴上的同一点源落在探测器上的辐射通量。
2)点源垂直照度透过率(RPSNIT),可用下式表示:
式中:Ed(ϕ)是离轴角为ϕ的点源到达探测器系统像面上的辐照度;Ei为点源在光学系统入瞳处的辐照度[15]。
1.2 杂散光抑制方法
杂散光的来源因素有很多,光学系统与机械结构这两部分对杂散光的产生有一定的贡献,尤其是不同材料表面特性对杂散光路的形成有不同的作用。因此,本文从光学系统设计、机械结构及表面特性这3个可控因素方面进行杂散光抑制优化设计,以满足后续杂散光消除或抑制的需要[16]。
本文采用的优化方法,首先从光学系统设计入手,增加镜片透过率,除了选择优质透镜材料来提高透过率外,还通过给透镜表面镀多层特殊增透膜,减少这部分成像光线在透镜表面的反射、散射现象。本模型的光学元件均为透镜,镀膜前通光表面透过率为93%~94%,本文结合目前传统镀膜工艺,对透镜表面特性进行合理优化。改进前的模型按照传统方式镀单层增透膜,透过率为97%~98%,通过对镀膜、蒸镀工艺进行探究,本文使用的光学透镜采用镀多层增透膜设计,透过率可达99.5%以上。
其次,在机械结构方面进行杂散光抑制优化设计。通过寻找在光学系统中对杂散光比较敏感的中间结构,设计消光纹来抑制杂散光,使消光纹散射并反射大部分杂散光,从而使其不能进入后面的光学系统或者最终不落在探测器表面。消光纹实物图及消光纹抑制杂散光示意图如
图 2. 消光纹实物图及消光纹抑制杂散光示意图
Fig. 2. Physical image of matt pattern and schematic diagram of matt pattern suppressing stray light
最后通过改变表面特性来减少内部杂散辐射。光机系统中机械结构件基本都是由金属加工制成,一般加工完成后其表面呈银白色,此时粗糙度很小,银色光滑的表面具有很低的光吸收作用,这种情况容易发生杂散光反射和散射。因此,本文仿真改进后的光机系统的机械件表面,采用阳极氧化着色发黑方式对机械件表面进行氧化染黑处理,处理后的表面吸收率约为96%。对光学透镜边缘进行黑色喷涂处理,采用的是日本生产的消光漆GT-7,它是一种双组份环氧树脂涂料,颜料是炭黑与氧化铁,能有效吸收99.8%的杂散光,使成像更为清晰[17]。透镜喷漆后的成品图如
2 光机系统建模及杂散光分析
2.1 光学系统结构
空间探测相机光学系统采用8 p长焦结构[18],前组采用正透镜组,以减小成像光束的口径,后组采用负-正-负-正透镜组合,改善场曲和倍率色差等轴外像差,主要光学指标包括:视场角为19.6°,相对孔径为1:2.8,畸变不大于1%,MTF(光学传递函数)在110 lp·mm−1处不小于0.5。光学系统二维结构图如
图 4. 空间探测相机光学系统二维结构图
Fig. 4. Two-dimensional structure diagram of optical system of space detection camera
2.2 杂散光模型的建立
通过SOLIDWORKS对空间探测相机光机模型进行初步建模,如
图 5. SOLIDWORKS空间探测相机三维模型和TracePro空间探测相机杂散光模型
Fig. 5. 3D model of SOLIDWORKS space detection camera and stray light model of TracePro space detection camera
2.3 光线追迹寻找关键表面
通过分析光学系统中关键表面和被照射面,可以得到杂散光的传播途径。只有透镜反射或透射的光线照射到相应的机械表面,在上面形成一次散射路径,这样的表面才是关键表面。由于杂散光的能量经过多次散射有所衰减,远小于一次散射后的杂散辐射能量,所以本文在仿真建模分析杂散光过程中,主要考虑一次散射后的杂散光对系统的影响。
通过比较并分析正向和反向光线追迹,且结合SOLIDWORKS半剖图可确定光源光线进入光机系统后,哪些面是一次散射关键表面,空间探测相机光机系统半剖图如
图 8. 空间探测相机光机系统半剖图
Fig. 8. Half-sectional drawing of optomechanical system of space detection camera
2.4 重点采样及相关设置
Tracepro对光学系统光线追迹时,光线数量越多,阈值越小,仿真结果相对越精确。因此,有必要对Tracepro杂光分析软件进行合理参数设置,保证数据结果正确性和真实性。对所有关键表面进行重点采样,增加表面一次散射到像面上杂散光线的数量,具体设置如
除了设置重点采样外,Tracepro光线追迹选项中门槛数值和总相交次数亦能提高分析结果的准确性和计算效率。在设置好门槛数值的前提下,模拟和分析光学系统中某个表面产生杂散光的贡献,固定散射次数,光线与面的相交次数也不变,这样可以排除高次散射光线以及无用的分析光线。本文Tracepro采用如
空间探测相机光学系统有8块光学镜片和2片保护窗玻璃、1个光源表面、4个散射表面、1个像面。针对关键表面,在考虑一次散射的情况下,光线与面总相交26次。若总相交次数大于26次,则多次散射光线会被纳入计算和分析;反之,则光线到达像面前已停止计算。
2.5 杂散光分析
通过前边对关键表面的确认以及消光纹的加入,利用TracePro软件的门槛数值设置对关键表面进行重点采样追迹,从边缘半视场角9.8°开始进行光线追迹。分析像面的照度图,发现杂散光光源离轴角在10°~18.4°之间,光源表面发出的光线中存在部分杂散光能够到达关键表面,并经一次散射落到探测器表面。在离轴角9.8°~18.6°之间,以0.3°离轴角为步距依次对视场外杂散光进行光线追迹,分别统计入射到空间探测相机光学系统入瞳位置的光线能量辐照度与像面上的辐照度,利用公式(2)计算改进前后模型各离轴角对应的PST值。由于蒙特卡洛分析具有随机性,因此,由进行改进后3次实验求得的平均值得到的数据绘制PST曲线图,如
从
图 12. PST和杂散光源离轴角的关系曲线图
Fig. 12. Relation curves between PST and off-axis angle of stray light source
3 空间探测相机鬼像实验分析
试制装配后的空间探测相机样品实物如
点源透过率PST仅用来表征系统对视场外杂散光的抑制能力,而视场内在成像波段范围的光线基本都能够通过正常成像路径到达探测器表面或像面。在实际生产加工过程中,光学成像元件本身材质表面的工艺参数不会趋于软件建模得到理想的数据,再加上装配过程中人为产生的误差,容易形成鬼像或造成背景噪声,从而影响图像的对比度。因此,有必要对镜头进行鬼像实验,进一步验证试制后的样机对杂散光的抑制能力。
3.1 鬼像实验
搭建的测量实验平台如
图 15. 不同入射角的鬼像实验图像
Fig. 15. Experimental images of ghost image at different incident angles
3.2 实验结果及分析
从
如
4 结论
本文概述了一个空间探测相机光学系统杂散光优化设计方法,首先结合软件进行仿真建模,再通过仿真模拟寻找最佳抑制手段和优化设计方案,然后通过分析软件对杂散光模型的PST进行分析评价,最后对试制样机进行鬼像实验,进一步验证系统的杂散光抑制能力。从评价结果可以看出,本文设计的抑制杂散光方案具有可行性,优化后的光机系统具有良好的杂散光抑制效果。利用光学结构与机械结构关键表面散射特性相结合的Tracepro杂散光模型分析方法,对优化光学系统和选择杂散光抑制措施具有指导意义。
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