基于二维函数PST的离轴四反系统杂散光分析

离轴四反系统是顺应多光合一机载观瞄系统未来发展的光机核心部件。该类型系统容易受到视场外部强杂散光的影响,系统杂散光的点源透射率(PST)一般要求不大于10^(-4)量级,因此,对系统PST进行全方位扫描计算是分析和抑制其杂散光的关键。针对系统的非对称性,将PST作为随杂散光入射空间水平角和垂直角变化的二维函数,用以评价外部杂散光的影响,同时建立了水平角、垂直角与光机建模所需绕坐标轴旋转的过程量的对应转换关系,编制了仿真控制程序,通过调用LightTools软件实现杂散光的自动追迹和PST的二维扫描计算。对多光合一离轴四反系统,计算了整个入射半球空间内、所有方向的杂散光对应的PST分布情况,从而筛选出对机载观瞄应用影响较大的三路杂散光,寻找到其传输的路径和关键表面。基于此,设计了内部遮光罩和挡光环,优化系统内部的杂散光陷阱结构,使得系统的PST峰值由原来10^(-1)量级降低至10^(-4)量级,在规避角范围以外小于10^(-7),可满足机载光电观瞄系统的使用要求。为离轴四反系统杂散光分析及抑制提供了依据。

红外光学系统杂光PST的研究与测试

介绍了表征光学系统抑制水平的定量指标——点源透过率ＰＳＴ．提出了红外光学系统杂光指标ＰＳＴ的一种测试方法，并在１０．６μｍ波长处，测试了口径为１８０ｍｍ的全反射Ｒｉｔｃｈｅｙ－Ｃｈｒｅｔｉｅｎ红外系统在不同入射角时的点源透过率ＰＳＴ（θ）．

月基望远镜杂散光PST研究与测试

针对月基望远镜(LOT)杂散光抑制能力的验证,在地面采用点源透过率法对其遮光罩视场外杂散光抑制比进行了测试,并利用光学系统视场外不同离轴角的点源透过率(PST)来评价其杂散光抑制比。该PST测试方法突破了以往的杂散光测试方法,采用高精度星模拟器与EMCCD结合的思路,保证了探测器在其线性区域内具有大动态范围探测能力的特性,其动态探测范围可达1012,可满足指标PST(在22°离轴角)测试值10-7的要求。该方法能更客观、更直接地反应遮光罩的杂散光抑制能力,其PST(在22°离轴角)测试不确定度可优于60%,远远高于以往杂散光抑制比的测试精度。另外,讨论了该测试方法需改进的几点措施,PST测试预期目标可达10-12。最后通过试验对LOT相机遮光罩的杂散光抑制比进行测试,验证了LOT相机杂散光抑制比满足设计要求。

基于PST的杂散光测试系统研究

杂散光的研究是保障光学系统高质量成像的关键因素之一。为了保证测试可靠性,首先提出光束性能测试的方法,满足测试所需要求。建立一个大口径的杂散光测试实验装置,对可见光、红外光波段进行测试及分析。然后利用光电倍增管对微弱信号进行提取,提高PST测试范围的数量级,并对探测器响应曲线进行分析。最后测试过程中,在不同离轴角度下,通过测试系统的实际测量值和标准相机得到的标准值进行对比,系统地论述测试系统存在误差的因素。改进后系统的PST测试曲线整体成下降趋势,PST在离轴角度为±3°时可达到10^(-3)~10^(-4),表明系统对杂散光的抑制能力完全满足成像质量要求。

基于可见光系统的杂散光评价方法研究

随着光电成像技术日新月异的发展,杂散光干扰现象成为光电系统难以回避的问题。为了更好地表征可见光光学系统杂散光程度,解决现有评价方法——PST算法,无法表征杂散光入射在像面的总能量和能量分布的问题,本文提出一种优化后的等效PSTη计算方法。以一种可见光光学系统为例,通过杂散光仿真软件得到太阳光相对系统光轴各离轴角度的杂散光数据,分别使用原有PST算法和PSTη算法与杂散光辐照度分析图进行对比,结果表明PSTη算法在传统PST计算值一致时,能够更为准确表达杂散光变化趋势,由此可以更好的表征可见光光学系统杂散光分布情况。以PSTη作为评价指标设计了可见光光学系统杂散光抑制措施,验证了PSTη具备指导实际杂散光分析抑制工作的能力。该评价指标也可以推广到其他波段的成像系统中。

空间探测相机光学系统的杂散光分析和优化设计

由于空间光环境的复杂性,抑制杂散光对保证空间相机成像性能尤其重要,该文针对宽光谱波段成像的空间探测相机光学系统进行杂散光分析和抑制优化设计。通过SOLIDWORKS和TracePro的无损式数据交互建立光机模型,并从光机材料的表面特性、机械结构、镜片透过率等多角度优化杂散光模型,再利用朗伯体光源分别对正反向进行光线追迹,然后结合光机模型的半剖图对系统关键表面进行重点取样分析。分析结果表明:优化后的光机系统在离轴角10.3°~15.4°内,点源透过率值与优化前的系统相比下降了66%~99.4%,在离轴角大于14.2°时点源透过率值接近10^(−4)量级,在离轴角18.4°处杂散光的点源透过率约为10^(−4)量级。最后通过鬼像实验,进一步证明了优化后的光机系统设计方法具有良好的杂散光抑制效果。

基于改进分布估计的算法在井下监控系统中的应用研究

视频监控系统在煤矿井下综采工作中应用广泛,而视频监控采集图像质量的高低直接决定工作人员安全和生产工作效率。目前,受井下粉尘、水汽和光源分布不均等因素的影响,采集的图像信息存在雾气较大、图像过曝光和对比度低的问题。传统的暗通道先验去雾算法具有计算速度快、修复效果好的优点,广泛应用于井下去雾,但在处理煤矿井下尘雾大、光源分布不均的图像时会导致图像信息大量丢失和光源区域纹理受损等问题。针对这些问题,提出了一种改进透射率分布估计的井下去雾算法。通过利用暗态点光源模型,结合暗通道可信度权值因子和最优暗通道去雾图像,对透射率分布进行改进,对井下有雾图像进行去雾处理。试验结果表明,改进的透射率分布估计去雾算法相较于Retinex算法,峰值信噪比、信息熵、标准差和平均梯度分别提高了16.25%、31.39%、17.17%、48.47%,相较于传统暗通道先验去雾算法分别提高了47.24%、35.24%、21.64%、51.79%。实验数据表明改进的透射率分布估计去雾算法处理后的井下图像纹理细节损失小,对比度和清晰度都得到了有效提升。

星敏感器杂散光抑制方法及仿真分析

星敏感器的探测目标是深黑空间中的恒星,属于暗目标探测系统,对杂散光的干扰非常敏感,因此,星敏感器杂散光抑制能力是其观测能力的重要影响因素。以点源透过率(PST)为评价指标,计算观测目标7.5等星时星敏感器需要达到的杂散光抑制指标,并以此为基础,提出一种有效的杂散光抑制方法,包括外遮光罩设计、消杂散光光阑设计,以及内部机械结构的关键表面的消杂散光处理。采用Lighttools软件对设计结果进行仿真,设计与分析结果表明,该杂散光抑制方法能够有效抑制星敏感器的杂散光,实现观测7.5等星的目标。

空间太阳望远镜在紫外波段成像检测中的杂散光测量和消除

针对EUV太阳望远镜在地面非工作波段预先检测时出现的杂散光问题,考虑望远镜长焦距的特点,建立了基于反射镜转动扫描原理的杂散光测量系统,测量得到了望远镜的点源透射率（PST）曲线。通过对比PST曲线和分析望远镜结构,得出杂散光的主要来源为小角度下的一级杂光,由此设计了主次镜遮光罩,并利用Tracepro软件建立望远镜的实体模型,在不同散射表面的双向散射（BRDF）值条件下计算出遮光罩的消杂光效果。对PST实际测量结果表明,在0~4°,使用遮光罩使杂散光减少3个数量级,杂光系数不超过3.65%。在分辨率成像测量中,杂散光影响得到消除,系统分辨率接近衍射极限,满足地面上紫外光波段的测量要求。

离轴三反空间光学望远系统的杂散光抑制

以点源透过率(PST)为评价标准,对一个离轴三反空间望远系统的杂散光进行了分析,并给出了分析结果。通过建立系统的实体模型,确定了一次、二次散射路径,采用改进的蒙特卡洛法,对20°之间各离轴角分别进行光线追迹。对模型的分析结果表明,系统产生杂散光的主要原因为一次散射,与光学系统结构密切相关。离轴角为±0.1°时,PST分别等于3.56和4.02,离轴角为±20°时,PST分别为6.63×10-5和4.58×10-5。实验表明,通过加入遮光罩及减小镜面散射率可减少杂散光。与离轴两反望远系统相比,三反系统的杂散光水平在大离轴角时偏大1到2个数量级,但可满足使用要求。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪杂散光抑制

考虑杂散光对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量精度的影响,设计了遮光罩和其他消杂光结构来抑制杂散光,并对杂散光进行了分析。利用TracePro软件分析了系统紫外通道1(240～315nm)的杂散光水平,确定了杂散光传输的一次、二次散射路径。根据杂散光传输路径,计算了杂散光评价指标点源透射比(PST)曲线,结果显示杂散光抑制措施效果明显,PST小于3×10-5,中心视场杂散光照度水平为5.472×10-4,最终杂散光水平达到了设计指标要求。采用截止滤光片法测量了系统的杂散光水平,结果表明:中心视场杂散光比值为8.167×10-4,和仿真结果接近,验证了仿真过程的准确性,说明设计的消杂光机构能够满足抑制系统杂散光的要求。

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10^−3~10^−6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。

长焦距离轴三反光学系统杂散光的抑制

对有中间像的长焦距离轴三反系统的杂散光特性进行了模拟分析,并提出了相应的杂散光抑制方法。通过正追和倒追的分析方式,确定系统杂散光的主要来源,找到系统的重要面;根据分析结果,提出了杂散光抑制措施,用系统重要面的变化定性评价杂散光的抑制效果。分析结果表明,采用抑制措施后很好地抑制了系统的一次散射杂散光。用点源透过率(PST)定量评价光学系统的消杂散光能力,分别计算东西、南北方向离轴角为±40°的PST值,并结合光机系统的应用环境对系统的杂散光抑制能力进行了定量分析。

地球反照对星敏感器的影响分析

利用光度学的概念和点源辐射传输率(PST),提出了一种分析地球反照对星敏感器的影响的几何光学模型。该模型对地球表面按照经纬度划分了网格,为已知的TOMS反射数据的应用提供了接口,具有一定的通用性和实用性,可简要分析卫星上的星敏感器在一定输入条件下,包括轨道高度、星敏感器的安装方位、太阳入射角度等,地球反照到达遮光罩入口、出口的照度,以及不同离轴角下像面接收的地球反照的照度值。借助此模型,可以为星敏感器在卫星上的安装方位提出建议,并估算出星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能。仿真分析表明,对于中低轨道而言,地球反照到达星敏感器遮光罩入口的辐照度变化不大,地球反照到达星敏感器遮光罩出口的辐照度主要与遮光罩自身的PST和遮光罩的安装仰角有关;当遮光罩的安装仰角φ=32.5°时,出口的辐照度下降到10-7W/m2,满足遮光罩消杂光的要求。

空气洁净度对点源透射比测试准确度的影响

为了进一步提高点源透射比测试准确度,明确点源透射比测试环境需求,提出了一种定量分析空气洁净度对点源透射比测试准确度影响的方法.该方法以Mie散射理论为基础,采用蒙特卡洛模拟方法,对空气中尘埃的尺寸和数量进行随机模拟,得到不同空气洁净度等级下空气中尘埃对点源透射比测试准确度的影响.以直径为800mm、点源透射比设计值为10-9量级的某太空望远镜为例进行定量分析,结果表明:为了满足该空间光学系统的点源透射比测试需求,空气洁净度等级应优于ISO class 6,此时空气中尘埃引起的点源透射比测试误差约为10-10量级;ISO class每升高一级,测试误差约增大10倍.

杂散光抑制与评估技术发展与展望(特邀)

随着空间光学技术的快速发展以及光电探测器件性能的不断提升,高分辨率、多光谱、低探测阈值的遥感系统在航空、航天等领域的应用越来越广泛,对光电载荷的杂光抑制能力与评价指标逐渐严苛,杂散光抑制技术和仿真分析已成为不可缺少的环节之一。尽管杂散光的抑制与评估技术开展较早,但仍然需要系统性方法体系引领该技术的发展,以改变当前分散化、碎片化的研究现状。因此,需要建立一体化的杂散光抑制与评估方法体系,在杂散光抑制方案制订、抑制模型表面特性测量与建模、杂散光抑制效果仿真、杂散光测试及评估等四个关键技术模块进行深入研究。本文给出了一套整体技术路线,为更好推进杂散光抑制与评估技术的发展和应用提供思路。

机载小型化星敏感器遮光罩设计

针对机载小型化星敏感器的消杂光系统进行了研究。以点源透射比(PST)为标准,根据机载小型化星敏感器成像系统自身的特性与遮光罩设计原则,在尽量不增加系统长度的前提下,对消杂光结构进行了设计。利用Matlab计算出遮光罩的尺寸,确定挡光环的位置,结合CAD作图软件进行建模,并使用光学软件TracePro对遮光罩的消杂光效果进行了仿真和分析,在太阳规避角30°时的点源透射比达到了5.536×10-10,达到系统要求的性能指标。设计的遮光罩能够成功地抑制杂散光,可以满足机载小型化星敏感器的使用要求。

点源透过率测试系统精度标定与分析

点源透过率(PST)测试系统是评价光学系统杂光抑制水平高低的关键设备,其系统精度的标定是研制难点,针对此设计了一套用于点源透过率杂散光测试系统精度标定的校准镜头.利用Tracepro建模分析了校准镜头在不同离轴角下的PST值,并用此系统对校准镜头不同离轴角下的PST值进行了实测,与其理论分析值进行比对完成设备精度的标定,同时通过实测数据分析了测试误差,给出了系统测试精度和测试极限水平.结果表明,在双柱罐内洁净度为ISO 7级的环境水平下,系统的可见光PST测试极限水平为10^(-8),测试精度对数值优于0.5,测量重复性为7.9%,根据对探测系统探测能力的评估,系统的PST极限测试水平为10^(-10).

超分辨卫星载荷光学系统杂散光抑制

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力,需对系统杂散光进行抑制,以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式,分析了系统杂散光,确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析,在限制范围内,不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置,得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下,验证了该杂散光抑制方案的有效性,为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.

基于点源透过率测试系统的杂散光标定

为了提高点源透过率(PST)测试系统的杂散光测试能力及测试精度,提出并设计了一种标准镜头,用于在大离轴角范围内对系统的杂散光测试范围及测试精度进行标定。利用简单的物理模型设计了一种在实验室内对点源透过率测试系统杂散光测试精度定标的标准镜头;测量了标准镜头的表面物理参数,并将其带入TracePro软件计算出了不同离轴角对应的PST。对设计分析的PST值与实测的PST值进行比较,从而计算得到了该测试系统的测量精度。验证实验表明,该标准镜头的PST分析值与实测值之差优于lg/0.5,满足实验室内对点源透过率测试系统杂散光测量精度进行标定的要求,是PST绝对测量的可靠方法。该项技术为国内PST测试系统的精度校准问题提供了技术保障。