浅谈空间光学系统内部的杂散辐射分析
摘要：为了深入研究红外探测器杜瓦内部的冷光阑的消杂光作用，在原有的圆柱形冷光阑基本结构的基础上，按照冷光阑和挡光环的消杂光设计原理，提出了冷光阑-挡光环的四种不同组合的结构设计。首次采用lighttools软件模拟了设计实例，并对档光环和冷光阑的结构形状进行了全面的对比分析。结果表明，在挡光环方面，垂直挡光环的效果更佳；在冷光阑方面，圆锥状二阶冷光阑的效果更佳。最后得出，四种结构中带垂直挡光环的圆锥状二阶冷光阑设计的效果更佳。
关键词：杂散光；遮光罩；挡光环；冷光阑
1 引言
杂散光也称为杂光，它是指光学系统中除了目标光线和成像光线以外的扩散于探测器或成像表面的其它光线，以及经非正常光路到达探测器的目标光线。
杂散辐射的危害性很大，其中包括：(1)降低像面的对比度和调制传递函数；(2)使整个像面的层次减少、清晰度变差!能量分布混乱；(3)可能会在像面上产生光斑，直接导致像质下降；(4)在某些情况下甚至会导致系统失效；(5)情况严重时会使目标信号完全被杂散辐射噪声所淹没。因此，我们必须消除杂散光。
2 评价指标和研究工具
对于光学系统的杂光抑制能力，我们可采用点源透过率(pst)指标来评价。pst值越小，则光学系统的杂光抑制能力就越强，系统性能也越好。pst定义为：光学系统视场外的视场角为θ的点源目标辐射，经过光学系统后在像面产生的辐射照度ed(θ,λ)与其在入瞳处的辐射照度及ei(θ,λ)的比值，其数学表达式为 pst(θ,λ)=ed(θ,λ)/ei(θ,λ) (1) 点源透过率是表征光学系统本身衰减杂光能力的一个可测量指标，它与杂光源的辐射强度无关。我们在测得入射点源辐照度和像面上的出射辐照度后，便可通过式(1)计算出光学系统的点源透过率。
本文采用lighttools软件对空间光学系统内部的杂散辐射进行分析。lighttools软件是一种基于蒙特卡洛法的杂光追迹软件，它在杂散光计算上的基本思想是把杂散辐射看作由大量相互独立的能束光线组成。光线的发射位置和方向、到达反射面的吸收或反射情况以及进入半透明部件后的吸收!折射、透射或衍射情况等一系列传递过程均由相应的概率模型来确定。先跟踪一束光线，直到它被吸收或逸出系统，然后再跟踪下一束光线，这样跟踪完一定数量的光束后便可得到较为稳定的统计结果。
6 结论
总结以上分析可得： (1)有挡光环时的效果比无挡光环时有了很大改进，尤其是一阶和二阶挡光环的作用效果。这是因为挡光环增加了杂散光进入光学系统前的反射次数，使其得到了衰减。但是应尽量减少挡光环的个数以使冷光阑的加工简单化。这不但可降低制作成本，而且可避免较多的挡光环顶部将杂散光散射到探测器上。 (2)垂直挡光环的效果与斜挡光环的相差不大。 (3)圆锥状冷光阑的效果比圆柱形冷光阑的好，而且锥角越大，效果越好因为在保证冷光阑中轴长度一定的情况下，锥形结构的有效面积比圆柱形内壁的大这样它便可以使杂散光经过更多次散射后才到达探测器;另外，冷光阑内部都被涂覆了黑色∋吸收涂层，其面积越大，吸收杂散光的机会就越多，因此杂散光在锥形冷光阑中被衰减的量就越大。
(4)ⅱa优于ⅱb一方面，ⅱa的有效面积比ⅱb的大;另一方面，ⅱa的前段锥形部分的开口比nb的更大，这可以将入射在前段锥形部分的杂散光直接反射出去。
(5)二阶冷光阑的ⅱa和ⅱb两种结构都优于一阶冷光阑(包括一阶的圆柱形ⅲ和一阶的圆锥状ⅰ)因为二阶冷光阑的外端锥形可将部分大于正常入射角的入射光直接吸收或反射出光学系统，同时还可增加进入光学系统的外视场光线的反射次数，因而它比一阶冷光阑具有更好的杂光抑制效果此外，二阶冷光阑可抑制端口衍射的杂光，并使由冷光阑的外端锥形部分通过衍射进入视场的杂散光在达到探测器之前至少经过两次衍射。但二阶冷光阑亦有其自身缺点，如外部尺寸较大，结构比一阶冷光阑复杂，制造成本高于一阶等。另外，热力学结构上也有很多因素有待于考虑和分析。 (6)挡光环的效果优于锥角，且两者同时使用的效果更佳挡光环能增加更多的散射次数和更大的黑色∋涂层吸收面积，而锥角在这两方面就相对弱些同时由于杜瓦尺寸等的限制，冷光阑的锥角只能做得很小，这样效果就会更差综上所述，在杜瓦尺寸和制作工艺允许的条件下，带垂直挡光环的na结构是最佳结构。
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关键词：杂散光；遮光罩；挡光环；冷光阑
1 引言
杂散光也称为杂光，它是指光学系统中除了目标光线和成像光线以外的扩散于探测器或成像表面的其它光线，以及经非正常光路到达探测器的目标光线。
杂散辐射的危害性很大，其中包括：(1)降低像面的对比度和调制传递函数；(2)使整个像面的层次减少、清晰度变差!能量分布混乱；(3)可能会在像面上产生光斑，直接导致像质下降；(4)在某些情况下甚至会导致系统失效；(5)情况严重时会使目标信号完全被杂散辐射噪声所淹没。因此，我们必须消除杂散光。
2 评价指标和研究工具
对于光学系统的杂光抑制能力，我们可采用点源透过率(pst)指标来评价。pst值越小，则光学系统的杂光抑制能力就越强，系统性能也越好。pst定义为：光学系统视场外的视场角为θ的点源目标辐射，经过光学系统后在像面产生的辐射照度ed(θ,λ)与其在入瞳处的辐射照度及ei(θ,λ)的比值，其数学表达式为 pst(θ,λ)=ed(θ,λ)/ei(θ,λ) (1) 点源透过率是表征光学系统本身衰减杂光能力的一个可测量指标，它与杂光源的辐射强度无关。我们在测得入射点源辐照度和像面上的出射辐照度后，便可通过式(1)计算出光学系统的点源透过率。
本文采用lighttools软件对空间光学系统内部的杂散辐射进行分析。lighttools软件是一种基于蒙特卡洛法的杂光追迹软件，它在杂散光计算上的基本思想是把杂散辐射看作由大量相互独立的能束光线组成。光线的发射位置和方向、到达反射面的吸收或反射情况以及进入半透明部件后的吸收!折射、透射或衍射情况等一系列传递过程均由相应的概率模型来确定。先跟踪一束光线，直到它被吸收或逸出系统，然后再跟踪下一束光线，这样跟踪完一定数量的光束后便可得到较为稳定的统计结果。
6 结论
总结以上分析可得： (1)有挡光环时的效果比无挡光环时有了很大改进，尤其是一阶和二阶挡光环的作用效果。这是因为挡光环增加了杂散光进入光学系统前的反射次数，使其得到了衰减。但是应尽量减少挡光环的个数以使冷光阑的加工简单化。这不但可降低制作成本，而且可避免较多的挡光环顶部将杂散光散射到探测器上。 (2)垂直挡光环的效果与斜挡光环的相差不大。 (3)圆锥状冷光阑的效果比圆柱形冷光阑的好，而且锥角越大，效果越好因为在保证冷光阑中轴长度一定的情况下，锥形结构的有效面积比圆柱形内壁的大这样它便可以使杂散光经过更多次散射后才到达探测器;另外，冷光阑内部都被涂覆了黑色∋吸收涂层，其面积越大，吸收杂散光的机会就越多，因此杂散光在锥形冷光阑中被衰减的量就越大。
(4)ⅱa优于ⅱb一方面，ⅱa的有效面积比ⅱb的大;另一方面，ⅱa的前段锥形部分的开口比nb的更大，这可以将入射在前段锥形部分的杂散光直接反射出去。
(5)二阶冷光阑的ⅱa和ⅱb两种结构都优于一阶冷光阑(包括一阶的圆柱形ⅲ和一阶的圆锥状ⅰ)因为二阶冷光阑的外端锥形可将部分大于正常入射角的入射光直接吸收或反射出光学系统，同时还可增加进入光学系统的外视场光线的反射次数，因而它比一阶冷光阑具有更好的杂光抑制效果此外，二阶冷光阑可抑制端口衍射的杂光，并使由冷光阑的外端锥形部分通过衍射进入视场的杂散光在达到探测器之前至少经过两次衍射。但二阶冷光阑亦有其自身缺点，如外部尺寸较大，结构比一阶冷光阑复杂，制造成本高于一阶等。另外，热力学结构上也有很多因素有待于考虑和分析。 (6)挡光环的效果优于锥角，且两者同时使用的效果更佳挡光环能增加更多的散射次数和更大的黑色∋涂层吸收面积，而锥角在这两方面就相对弱些同时由于杜瓦尺寸等的限制，冷光阑的锥角只能做得很小，这样效果就会更差综上所述，在杜瓦尺寸和制作工艺允许的条件下，带垂直挡光环的na结构是最佳结构。
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