（光学工程专业论文）微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计.pdf

学位论文使用授权声明 舢 y 1 7 3 2 芝岑芗。 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 既：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文叼 论文作者签名： 导师签名：日期：递! ! ：! ! 一lii|r【lflilli f； 1 l ， 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计中文摘要 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量 和遮光系统设计 中文摘要 对地可见光空间遥感相机对地物目标成像，视场内外的辐射会引起像面的杂散辐 射，降低相机成像质量，严重时可能造成相机无法正常工作。为了提高相机的成像性 能，本文建立相机的光机模型，分析系统的杂散光，改进遮光系统设计。利用建立的 杂光系数测量装置，测量相机镜头的杂光系数，验证建模分析结果。 第一章介绍光学系统杂散光研究的发展状况，阐述微小卫星遥感相机杂散光研究 的必要性。 第二章介绍可见光系统中杂散光产生的机理及其抑制措施。基于辐射传递理论， 介绍采用遮光罩、挡光环、吸光材料、光学薄膜等措施抑制杂散光的原理。 第三章建立遥感相机光机模型，分析杂散光性能，设计遮光系统。根据光学和机 械系统设计参数，用l i g h t t o o l s 软件建立光机模型。根据杂散光抑制经验，并考虑到 微小卫星可用空间的有限性，设计主遮光罩、主镜遮光罩等。除分析由偶次反射引起 的系统鬼像外，还通过建立杂光系数测量模型，分析计算了系统的杂光系数。 第四章为进一步提高相机系统的杂散光抑制能力，改进根据经验设计的原有遮光 系统。改进措施包括在主遮光罩中心设置圆台结构，为主、次镜镜筒设计挡光环。模 拟计算结果表明，改进系统的消杂散光性能比原相机系统提高近了一个量级。 第五章实验测量相机镜头的杂光系数。基于黑斑法理论，利用积分球系统建立杂 光系数测量装置，实验测量原相机系统的杂光系数，测量结果与建模仿真分析结果基 本一致。 第六章总结论文工作，并展望进一步有待开展的工作。 关键词：遥感相机；杂散光；遮光系统；杂光系数；黑斑法 作者：石荣宝 指导教师：沈为民 a b s t r a c t s t r a yl i g h t a n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n ta n db a f f l es y s t e md e s i g no f m i c r o s a t e l l i t es p a c e b o m er e m o t es e n s i n gc a m e r a s t r a yl i g h ta n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n ta n db a f f l e s y s t e md e s i g no fm i c r o s a t e l l i t es p a c e b o r n er e m o t e 一 ，_1 s e n s i n gc a m e r a a bs t r a c t m i c r o s a t e l l i t es p a c e b o m er e m o t es e n s i n gv i s i b l el i g h tc a m e r ai m a g e st e r r e s t r i a la r e a o b j e c t s b o t hr a d i a t i o nw i t h i na n do u to ft h ef i e l do fv i e wc a l la l w a y s n gs t r a yl i g h to n i t si m a g ep l a n e t h es t r a yl i g h ti su n w a n t e da n dc a ns e r i o u s l yd e g r a d ei m a g eq u a l i t yo f t h e c a m e r aa si t sa m p l i t u d ei n c r e a s e s i no r d e rt oe n h a n c ei m a g i n gp e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o s a t e l l i t es p a c ec a m e r a , i t ss t r a yl i g h ti sa n a l y z e da n di t sb a f f l es y s t e md e s i g n e di s i m p r o v e dt h r o u g hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t h ev e i l i n gg l a r ei n d e xo ft h ec a m e r al e n s e si s t e s t e d 、析t l l0 1 1 1 e s t a b l i s h e dm e a s u r e m e n ts e t u p i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n to fi n v e s t i g a t i o no n s t r a yl i g h ti no p t i c a ls y s t e mi s i n t r o d u c e d t h en e c e s s i t yo fs t u d yo nt h es t r a yl i g h ti nm i c r o s a t e l l i t er e m o t es e n s i n g c a m e r ai sd e s c r i b e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h es u p p r e s sm e a s u r eo fs t r a y l i g h ta r ep r e s e n t e d b a s e do nr a d i a t i o nt r a n s f e rt h e o r y ，t h ep r i n c i p l ef o rs u p p r e s s i n gs t r a y l i g h tb ym e a n so fb a f f l e ，v a n e ，e x t i n c t i o nm a t e r i a l ，o p t i c a lc o a t i n g ，e t ci si n t r o d u c e d i nt h e “r dc h a p t e r ，a f t e rt h eo p t o m e c h a n i s mo fo u rr e m o t es e n s i n gc a m e r ai s m o d e l e di t ss t r a yl i g h ti sa n a l y z e da n dt h e ni t sc o r r e s p o n d i n gb a f f l es y s t e mi sd e s i g n e d a t f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h ec a m e r a , i t so p t o m e c h a n i c m o d e li se s t a b l i s h e dw i t hl i g h t t o o l ss o f t w a r e t h e nc o n s i d e r e dt h ee x p e r i e n c eo fs t r a y l i g h ts u p p r e s s i o na n dt h ec o n s t r a i n e da n da v a i l a b l es p a c ew i t h i nm i c r o s a t e l l i t e ，i t sm a i n a n dp r i m a r yb a f f l e sa r ed e s i g n e d a tl a s t ，i na d d i t i o nt ot h eg h o s ti m a g e sf o r m e db yt h e e v e nr e f l e c t i o n so fi t so p t i c a ls u r f a c e s ，i t sv e i l i n gg l a r ei n d e xi sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t h r o u g hm o d e l i n gt h ei n d e xm e a s u r e m e n ts e t u p i nt h ef o u r t hc h a p t e r , i no r d e rt of u r t h e re n h a n c ei t sc a p a b i l i t yt os u p p r e s ss t r a yl i g h t ， t h ea b o v eb a f f l ed e s i g n e dw i t he x p e r i e n c ei si m p r o v e d t h em o d i f i c a t i o ni n c l u d e st h a ta i i _ 1，-111 c o m c a is t r u c t u r ei s i n c o r p o r a t e da tt h ec e n t e ro fm a i nb a f f l ea i l dt 1 1 a ti n n e rv 觚e s 硼c d e s i g n e do nt h et u b ew a l lb e t w e e nt h ep r i m a r ya n dt h es e c o n d a r ym i r r o r s t h es i m u l a t i o n c o m p u t a t i o ns h o w st h a tt h es t r a yl i g h tp e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dd e s i g ni sn e a r l vb e t t e r o n eo r d e rt h a nt h ef o r m e r i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ev e i l i n gg l a r ei n d e xo f o u rc a m e r al e n si st e s t e d b 嬲e do nt l l e p r i n c i p l eo fb l a c k 。p a t c hm e a s u r e m e n t ，e x p e r i m e n ti n s t r u m e n ti ss e tu pw i t h 吼i n t e 酬 s p h e r es y s t e m t h ev e i l i n gg l a r ei n d e xo ft h ef o r m e rl e n si sm e a u s 啪di ti ss h o w nt 1 1 a tt i l e m e a s u r e m e n ti sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ha b o v es i m u l a t i o nr e s u i t t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew o r ki nt h et h e s i s ，a n dl o o k s a h e a d6 l r t h e rt a s l 【s k e yw o r d s ：r e m o t es e n s i n gc a m e r a ；s t r a yl i g h t ；b a f f l e s y s t e m ；v e i l i n gg l a r ei n d e x ； b l a c k - p a t c hm e a s u r e m e n t ； i i i w r i t t e nb ys h ir o n g b a o s u p e r v i s e db ys h e nw e i m i n fl 目录 第一章绪论1 1 1 杂散光研究的发展状况1 1 2 微小卫星空间遥感相机杂散光研究的必要性4 1 3 本论文研究的主要内容4 第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究6 2 1 杂散光产生机理。6 2 2 杂散光抑制措施一8 2 3 本章小结1 1 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计1 2 3 1 光机建模1 2 3 1 1 光学系统1 2 3 1 2 机械系统。1 3 3 2 遮光系统设计15 3 2 1 鬼像控制1 5 3 2 2 主遮光罩设计1 7 3 2 3 主镜遮光罩设计l8 3 2 4 遮光系统设计评价1 9 3 3 本章小结2 1 第四章遥感相机遮光系统改进2 2 4 1 遮光系统改进2 2 4 1 1 确定原相机系统杂散光传输路径。2 2 4 1 2 主遮光罩改进2 4 4 1 3 镜筒挡光环设计2 8 4 2 改进系统杂散光抑制性能评价2 9 4 3 改进系统点源透过率计算3 0 4 4 本章小结3 2 第五章遥感相机镜头的杂光系数测量3 3 5 1 黑斑法测量光学系统杂光系数原理3 3 5 2 杂光系数测量实验3 3 5 2 1 测量装置3 3 5 2 2 测量实验与实验结果分析3 6 5 3 本章小结3 8 第六章总结与展望3 9 6 1 总结3 9 6 2 展望3 9 参考文献4 0 攻读学位期间公开发表的论文4 2 致谢4 3 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 杂散光研究的发展状况 光学系统的杂散光是指探测器接收到的非成像光。非成像光到达探测器表面形成 杂散辐射，会降低图像的对比度、清晰度、影响图像色彩的还原，严重时目标图像会 被杂散辐射噪声湮没，导致光学仪器无法正常工作【1 1 。例如，我国风云二号c 星气象 卫星的星载扫描辐射计【2 】，在午夜工作时，太阳光线入射进入系统，在探测器上形成 严重的杂散辐射，造成成像质量的严重下降，使扫描辐射计无法探测目标。 国外对光学系统的杂散光报导开始于上世纪二十年代 3 1 ，分析研究杂散光产生的 原因与造成的危害。在杂散光检测方面，德国科学家哥尔特贝提出面源法( 黑斑法) ， 测量由各种因素综合产生的杂散光，用杂光系数来衡量光学系统的杂散光大小，其装 置简单1 4 1 ，至今仍普遍采用。 随着光电探测技术的不断进步，六十年代利用积分球，建立了光学系统杂光系数 的精确测量装置。图1 1 是其典型例子，由前苏联h o b n k 等人设计并研制【5 1 。其中 1 是黑体，2 是积分球，3 是准直物镜，4 是待测镜头，5 是毛玻璃，6 是硒光电池，7 是小孔，8 是检流计，9 是白板，1 0 是白炽灯，1 1 是具有不同尺寸孔的目标板。 在图1 1 所示的装置中，积分球( 2 ) 作为均匀扩展光源，直径为l 米，使用8 x 1 2 7 伏4 0 瓦白炽灯照明。根据待测镜头( 4 ) 焦距的不同，选择不同尺寸的黑斑目标孔( 1 1 ) 。 在长焦距物镜的测量中，需要借助准直物镜，实现对无穷远处目标成像。此装置可以 测量焦距在1 8 m m 到1 0 0 0 m m 内的镜头的轴上和轴外杂光系数。目前测量光学系统的 杂光系数装置，大多是此装置的改进系统。经过多年对杂光系数测量标准化问题的讨 论，19 9 4 年制定了杂散光测量标准i s o ：9 3 5 8 f 6 1 。 【：】。蓉篓翟萎薹篓黧耄鬈鬈曩蔓兰三篓蒌兰：罴的杂散辐射，称为鬼像 姜篡篡嚣黧挲? 兰竺茹磊焉! 琵筹竺 黧嚣愁黑三量嚣荔晶主篇者黧嚣 嚣篙急嚣黧警三酬起的反磊芜墓三差篡篡三：嘉急豢鬻 入射 光线 i 、 成像f io 。、光线 前 、 表 7 后 元芹 k 一表 f 删 缈 鬼像j j 缸山图1 2 单透镜元件鬼像形成示意图 统旒蒜塞竺m 烹呦向反焉三三( 一懒蚋 黧鬻箸麓黧妻竺磊篇：= 篡二篡的 篓篇嚣芸= 黧竺三嚣勰耋；篡絮麓 勰栅酊3 麻堋皈射分布函数凝焉筹三篡翟嚣 2 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第一章绪论 反射后，其出射辐射的空间分布情况。图1 3 中，一束波长为名的光线照射到材料表 面后，材料表面发射的辐亮度l s 与入射辐照度e i 之间的比值定义为b r d f ，公式( 1 - 1 ) 是其定义式，它是入射角、反射角、波长的函数。 b r d f ( o , 鹏州) = 锩筹 ( 1 - 1 ) 其中0 、矽是球坐标下的天项角和方位角，下标i 为入射量，r 为反射量，e 为只、 仍方向的入射辐照度，l 为反射方向的辐亮度。 图1 3b r d f 的定义示意图 在杂散光研究领域，寻求低b r d f 值的消光材料是杂散光抑制研究的重要内容之 一。在机械与遮光系统设计中，将镜筒内壁与遮光罩内壁进行发黑处理，是为了降低 内壁表面的b r d f 值，获得好的杂散光抑制效果。 根据各种材料的双向反射分布函数的测量值，建立b r d f 数据库，供各种光学分 析软件使用。目前使用较多的分析软件有o r a ( o p t i c a lr e s e a r c h a s s o c i a t i o n ) 公司 的l i g h t t o o l s 软件、b r o ( b r e a u l tr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ) 公司的a s a p 软件、l a m b d a r e s e a r c h 公司的t r a c e p r o 软件等。它们能够建立精确的光机系统模型，成为杂散光分 析模拟的重要工具。 杂散光研究经过近几十年的发展，目前已形成比较完善的理论，包括光学系统杂 散光测量、辐射传递理论、b r d f 数据库、点源透过率( p s t ) 理论与实验测量、杂 散光抑制设计、杂散光分析软件以及杂散光后端图像处理技术等【9 1 。 3 第一章绪论微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 国内对杂散光的研究起步较晚，七十年代以后，多家单位和机构陆续开展了杂散 光理论和实验等方面的研究。长春光机所开展杂光系数测量装置的研究，并申请了一 种杂散光测量仪的发明专利【1 0 1 。九十年代，哈尔滨工业大学以“资源一号”卫星的多光 谱扫描仪【1 1 】为主要应用对象，开展了空间光学系统杂散光分析的理论与应用研究，建 立了复杂系统的光谱辐射传递模型，并结合蒙特卡罗算法开发了杂散辐射计算软件 h i t s l t 1 2 1 。中科院光电技术研究所开展点源透过率( p s t ) 的测量工作【1 3 j 【1 4 1 ，用于 衡量光学系统杂散光抑制能力，并开展了材料双向反射分布函数( b r d f ) 的实验测 量及数据库建立等方面的工作【1 5 】。此外还有上海技术物理研究所、西安光学精密机械 研究所、浙江大学、苏州大学等单位相关的研究报导。 1 2 微小卫星空间遥感相机杂散光研究的必要性 本文研究的遥感相机系统用于微小卫星平台。相机光学系统采用两镜折反系统， 具有无色差、结构紧凑等特点。系统的成像性能受温度等环境影响较小，具有良好的 成像质量。但是在工作中，遥感相机会受到地气光线的直接照射，这类光线进入系统 后，经过光学元件表面的反射及机械构件的散射等形成非成像光线，到达探测器表面， 形成杂散辐射噪声，影响相机系统的成像性能。同时遥感相机的主遮光罩尺寸受到微 小卫星内可用空间的限制，其长度通常很短，致使主遮光罩不能有效地遮挡视场外光 源引起的杂散光线，使很大部分的非成像光到达像面形成杂散辐射，引起成像质量的 下降，严重时相机将无法对地面目标的进行识别与探测。 因此，本课题的任务对此遥感相机系统进行详细的杂散光分析研究，采取适用于 微小卫星相机系统的抑制设计消除杂散光，改进遮光罩系统设计，进一步提高相机的 杂散光抑制能力。 1 3 本论文研究的主要内容 本文从杂散光辐射传递理论出发，研究采取杂散光抑制措施的理论依据，建立遥 感相机光机系统模型，探求适合微小卫星空间相机光学系统的杂散光抑制措施，优化 4 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第一章绪论 设计能够节省平台空间的遮光系统，提高相机光学系统成像质量。建立光学系统杂光 系数实验装置，测量相机镜头的杂光系数。 第二章介绍可见光系统中杂散光产生的机理及其抑制措施。基于辐射传递理论， 介绍采用遮光罩、挡光环、吸光材料、光学薄膜等措施抑制杂散光的原理。 第三章建立遥感相机光机模型，分析杂散光性能，设计遮光系统。根据光学和机 械系统设计参数，用l i g h t t o o l s 软件建立光机模型。根据杂散光抑制经验，并考虑到 微小卫星可用空间的有限性，设计主遮光罩、主镜遮光罩等。除分析由偶次反射引起 的系统鬼像外，还通过建立杂光系数测量模型，分析计算了系统的杂光系数。 第四章为进一步提高相机系统的杂散光抑制能力，改进根据经验设计的原有遮光 系统。改进措施包括，在主遮光罩中心设置圆台结构，为主、次镜镜简设计挡光环。 模拟计算结果表明，改进系统的消杂散光性能比原相机系统提高了一个量级。 第五章实验测量相机镜头的杂光系数。基于黑斑法理论，利用积分球系统建立杂 光系数测量装置，实验测量原相机系统的杂光系数，测量结果与建模仿真分析结果基 本一致。 第六章总结论文工作，并展望进一步有待开展的工作。 第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究 2 1 杂散光产生机理 杂散光产生的原因错综复杂，不仅与制造光学系统的工艺、材料有关，还与像差 特性、衍射现象、目标特性有关。研究杂散光不仅涉及光线的传播特性，还涉及到光 与物质的相互作用，如反射、折射、衍射、散射、发射等现象。杂散光的表现形式多 种多样，可以是规则的，也可能是不规则的；可以是漫射的，也可能是定向的。因此， 更加全面研究杂散光产生机理，对于抑制杂散光、实现高性能成像至关重要。 根据杂散辐射产生的物理机理不同，对于研究的可见光遥感相机，杂散光可分为 以下几类。 1 ) 反射引起的杂散光。如入射光在光学元件表面之间的偶次反射、快门叶片与 光阑表面的反射及镜筒等机械元件内壁的反射等因素均会引起像面的杂散 辐射。 2 ) 散射引起的杂散光。如光学元件表面划痕缺陷及元件内部气泡引起的散射、 机械元件内壁的散射及胶合元件胶合剂引起的散射等因素形成的杂散光。图 2 1 为镜筒内壁引起的散射光线到达像面形成杂散辐射示意图。 图2 1 镜筒散射光线 6 翌堕望塑笙墅翌型童旦垫堕窒墼些幽里塑垄堂墨竺望盐墨三皇堂堂墨竺墨墼堂主竺垫墨皇塑型婴窒 3 ) 衍射引起的杂散光。如透镜边缘、挡光环等机械结构边缘衍射形成的杂散光。 图2 2 为挡光环边缘衍射光线到达像面形成杂散辐射。 面 图2 2 挡光环边缘衍射光线 4 ) 视场外入射光的直接照射。如大气散射光、太阳光等光线的直接照射，到达 像面形成杂散辐射。图2 3 为视场外入射光线直接照射进入光学系统，到达 像面形成强烈的杂散辐射。 厂。一 图2 3 光线直接照射 面 以上各原因产生的杂散光，可通过精确的光机建模进行分析，确定杂散光传输路 径，设计遮光系统加以抑制消除。 7 第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 2 2 杂散光抑制措施 从两个表面之间的辐射能量传递公式出发，研究在杂散光传输过程中，影响其能 量传递的几个因素。图2 4 描述的是辐射面源d a 。发出的辐射通量传递到接收面蛾 的情况，d 八面接收到的辐射通量由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 表示。 图2 4 辐射传递理论 d # c 划铆o ) 蛳丝等型 ( 2 - 1 ) r i c o = b r d f ( o 。，吵f o o ，o ) d e , 地。 ( 2 2 ) 其中0 s 和0 c 分别是面源d a s 与接收面d a c 和它们中心连线之间的夹角。咫。是 面源与接收面的中心距离。b r d f 是材料的双向反射分布函数，缎是面源d a 。的出 射辐射通量，d d 。是面源对接收面的投影立体角或称为几何结构因子g c f 。 分析式( 2 - 2 ) 可知，接收面执接收到的能量与以下三个因素有直接关系，即双 向反射分布函数( b r d f ) 、面源的出射辐射通量却。、面源与接收面的几何结构因子 m 。若要减少接收面执接收到的杂散辐射通量，可通过以下措施实现， 1 ) 减少杂散光入射能量或上一级表面的出射能量d e , ； 2 ) 减少材料表面的双向反射分布函数( b ) f ) ； 3 ) 采用遮挡措施，减小面源与接收面的投影立体角即减小几何结构因子g c f 。 根据影响杂散光能量传递的三个因素，传统遮光措施有在光学元件表面镀高性能 增透薄膜，减小由材料表面产生反射、散射光能量，降低材料的双向反射分布函数 ( b r d f ) ；采用杂散光光阑、遮光罩挡光环等方法遮挡杂散光传输路径，减d , n 达下 8 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究 一级元件的杂散辐射能量却。与几何结构因子g c f ；通过对机械部件、遮光元件进行 发黑处理，降低内壁的散射与反射。 主遮光罩是抑制杂散光的首要手段，其目的是为了消除视场外的强杂散辐射。传 统的主遮光罩如图2 5 ( a ) 所示，由圆柱形的镜筒和挡光环组成，进入遮光罩的光线到 达光学元件之前，在内壁与挡光环之间经历多次反射与散射，降低进入光学系统到达 像面的杂散光能量。 一般地，主遮光罩设计需遵循以下原则1 6 1 ： 1 ) 内壁与挡光环边缘的散射光线不能直接到达到光学元件。 2 ) 到达像面的杂散光需要经过两次以上的散射或反射( 如图2 4 ( b ) 所示) 。 3 ) 遮光罩与挡光环的结构不遮拦正常的成像光线。 在传统的主遮光罩设计中，其长度由式( 2 3 ) 决定， 三= 秒， ( 2 - 3 ) 如图2 6 所示，其中秒，为恰好不能直接照射进入光学系统的视场外光线与光轴 形成的角度，称为临界角度。d i 是光学系统第一块光学元件口径。 ( a ) 柱形遮光罩 n il 群 1 2 ( b ) 内壁与挡光环间多次反射 图2 5 主遮光罩 图2 6 临界角度定义 9 tii句ii上 第二章光学系统杂散光产生机理与抑制研究微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 在两镜折反系统中，虽然主遮光罩能够抑制大角度入射光线，但却不能抑制系统 内部原因产生的杂散辐射以及视场外小角度光线的直接入射，需要设计主、次镜内遮 光罩，将杂散源与像面之间的几何结构因子g s f 尽可能降低为零，这是提高系统的 杂散光抑制能力主要措施。 主镜内遮光罩尺寸和口径设计的基本原则是，要求内遮光罩能够遮挡视场外直接 进入系统的入射光线，同时不遮挡正常的成像光线。具体要求如下【1 7 】， 1 ) 主镜内遮光罩遮挡视场外直接入射光线； 2 ) 主镜内遮光罩不能遮挡次镜边缘入射的视场光线； 3 ) 主镜内遮光罩不能遮挡边缘视场光线； 图2 7 是卡塞格林系统中主镜内遮光罩的示意图。其中，主镜内遮光罩设置在主 镜的中心孔处，遮挡直接照射的视场外光线。当入射光线照射到镜筒内壁后，反射或 散射光线被主镜遮光罩遮挡，无法直接照射进入像面。 视场外 光线 图2 7 主镜遮光罩示意图 在镜筒内壁设置间隔分布的挡光环是抑制杂散光的重要措施之一。镜筒挡光环可 以等效地延长主遮光罩的长度，进一步抑制杂散光。图2 8 所示的等高等间距分布的 镜筒挡光环，杂散光线入射进入系统后，照射到镜筒内壁，被镜筒挡光环遮挡。 1 0 2 3 本章小结 本章介绍可见光系统中杂散光产生的机理与抑制措施。基于辐射传递理论，分析 得到影响杂散光能量传递三个主要因素：双向反射分布函数、杂散光源的辐射通量以 及几何结构因子，论述采用遮光罩、挡光环、吸光材料、光学薄膜等措施抑制杂散光 的原理。 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计 3 1 光机建模 遥感相机系统光机模型的建立是进行杂散光分析研究与遮光系统设计的基础，模 型建立的精确与否直接决定分析结果的正确性。由于l i g h t t o o l s 光学分析软件中有丰 富的b r d f 数据库，模型中各元件的光学特性能够真实仿真实际相机系统的特性，能 够保证正确的模拟分析结果。 3 1 1 光学系统 如图3 1 所示，空间相机光学系统采用两镜折反系统，由两块窗口( 1 、2 ) 、一 块主反射镜( 6 ) 、四块透镜( 3 、4 、8 和9 ) 、一块兼作透镜和次反射镜的透镜( 5 7 ) 组成。光学系统的主要优点有：结构紧凑、色差小、温度适应性强、相对孔径大、成 像质量接近衍射极限。光学系统参数指标如表3 1 所示。 为提高成像性能，采用前后校正镜组校正像差。如图3 1 所示，前校正镜组3 - 5 选用相同的光学玻璃，且总的光焦度为零，目的是为了平衡主、次反射镜6 和7 产生 的球差；系统大部分的光焦度集中于主次反射镜，次反射镜是前校正镜组透镜5 后表 面的镀铝区域；后校正镜组8 和9 的作用是减小剩余轴外像差，并实现平场。 图3 1 光学系统 1 2 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计 光学系统的调制传递函数( m t f ) 如图3 2 所示，成像性能接近于衍射极限，在 c c d 取样奈奎斯特频率6 7 1 p m m 处的m t f 值高于0 6 5 ，具有良好的成像质量。 表3 1 光学系统参数指标 指标值 工作波段 4 5 0 n m 7 5 0 n m 有效焦距1 2 5 m m f 觯2 9 8 全视场 4 7 9 0 c c d 像元尺寸 7 5m 光学系统总长 11 3 0 5 m m 光学材料 j g s l 、k 9 3 1 2 机械系统 图3 2 调制传递函数m t f 曲线 根据光学系统设计提出的技术要求，镜筒外形结构按照规定的配合尺寸确定， 外镜筒材料采用钛合金，主反射镜、透镜与次反射镜部件全部安装在外镜筒内，光学 镜头的总装配结构图如图3 3 所示。 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 图3 3 光学镜头装配结构 在l i g h t t o o l s 软件中，建立相机系统光机模型。在建模过程中，对实际机械系统 进行简化近似处理，删除不影响杂散光分析结果的机械部件。图3 4 是建立的相机光 机模型，其中光、机元件的光学特性如表3 2 所示，光学元件镀膜后，透镜的透过率 大于9 8 ，主、次反射镜的反射率大于9 8 ，镜筒内壁的吸收率为9 5 。 l jm 儿 l ( a ) 光机系统模型 ( b ) 模型轮廓图 图3 4 光机系统模型 焦平面探测器由窗口、膜层、光敏面组成，如图3 5 所示，其中窗口的材料为 h o y ac g l ，厚度为o 8 m m ，中心膜层的厚度为0 4 2 5 m m ，其发射率小于1 。图3 6 是建立探测器简化模型。 s e n s o rc 哪s 捌 图3 5 焦平面探测器【1 8 】 1 4 图3 6 探测器简化模型 微小卫星空问遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计 表3 2 光、机元件的光学特性 元件光学特性 透镜元件透过率 9 8 次反射镜反射率 9 8 吸收率9 5 镜筒内壁 反射率3 散射率2 吸收率9 5 ， 遮光罩内壁 反射率3 散射率2 窗口透过率9 8 探测器 膜层透过率 9 9 3 2 遮光系统设计 根据杂散光抑制经验，基于辐射传递理论，设计了遥感相机光学系统遮光系统。 采取光学元件镀膜、主遮光罩、主镜遮光罩、机械元件发黑处理等抑制措施。 3 2 1 鬼像控制 在相机光学系统中，光学元件表面的菲涅尔反射是形成鬼像主要原因，一次与二 次反射光是系统重要的杂散光贡献。 图3 7 是遥感相机光学系统中，光学元件的表面反射在像面形成的总的鬼像示意 图。光学系统模型中，光学元件表面设为菲涅尔损失面。追迹的光线数目为1 0 0 0 根， 能量阈值设置为1 0 一。光线在光学元件表面的菲涅尔反射造成图3 7 ( a ) 所示的追迹结 果，反射光在像面形成的鬼像照度分布如图3 7 ( b ) 所示。中心亮点为成像光线照度分 布，两侧亮点为鬼像的照度分布。 1 5 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 ( a ) 光线追迹图( b ) 像面鬼像照度分布图 图3 7 相机光学系统的鬼像示意图 目前对相机系统鬼像控制的主要方法是在透镜元件表面镀增透膜，反射元件表面 镀高反射膜。图3 8 是实验测试的透射元件的镀膜曲线，将其进行数值处理并导入光 学系统模型中，进行光线追迹。图3 9 所示的是镀膜后系统的鬼像照度分布图，探测 鬼像的照度值为o 6 3 5 1 u x ，图3 7 ( b ) 得到的照度值为0 9 7 5 1 u x ，系统的鬼像在光学元 件镀膜后，鬼像得到了控制。为计算光学元件镀膜前后，系统鬼像强度的变化大小， 进行光线追迹模拟。其中光线追迹的数目为1 0 0 0 根，能量阈值设置为1 0 ，在透射 元件未镀膜时，通过光线追迹可知，像面接收的总的能量为0 3 8 9 l u m e n ，其中反射引 起的鬼像的能量为o 0 0 8 1 3 1 u m e n 。得到的鬼像与像面接收的总能量之比为2 0 9 。镀 膜后的系统，像面接收到的总的能量为0 5 0 6 6 l u m e n ，其中反射引起的鬼像的能量为 o 0 0 4 9 1 u m e n ，得到鬼像与像面总能量之比为0 9 6 9 。分析可知，镀膜后光学系统的 鬼像较未镀膜性系统的鬼像能量减弱了5 3 6 。 图3 8 增透膜曲线图3 9 光学系统鬼像照度分布图 1 6 1l-1fl，iilf11j1li 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计 3 2 2 主遮光罩设计 在遥感相机的工作过程中，视场外的光线如地气散射光直接照射进入光学系统， 在像面形成杂散噪声，影响相机成像性能。主遮光罩设计的主要目的是为了遮挡大角 度的视场外光线，即在光线与相机系统之间采取遮挡措施，改变杂散光传输过程，达 到消光的目的。 在本设计中，依照遮光罩设计经验，采用常规方法设计了如图3 1 0 所示的锥形 结构的主遮光罩，材料采用铝合金( 1 y 1 2 ) 。受卫星平台可用空间的限制，遮光罩的 长度为4 5 m m 。图3 1 1 是遮光罩的尺寸图，根据不遮挡边缘成像光线的原则，遮光罩 的边缘轮廓角度为2 4 8 6 0 ，出口半径为2 4 7 1 r a m 。如图3 1 2 所示，主遮光罩能够抑制 入射角度大于4 8 7 8 4 。的视场外光线的直接照射。 图3 1 0 主遮光罩图3 1 1 主遮光罩尺寸 主遮光罩 图3 1 2 主遮光罩光线抑制角度 1 7 7 1 旦 r_llli di，i_1 第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计 在遮光罩内壁设置间隔为l m m 的遮光扣，增加杂散光线在遮光罩内壁的散射次 数，并对遮光罩内壁进行氧化发黑处理，减少进入光学系统的散射光线。考察光线以 不同角度入射时，主遮光罩的消光能力，用公式( 3 1 ) 计算得到消光比。 消光比= 阜1 0 0 ( 3 1 ) 吼 其中，九是入射光在主遮光罩入口处的辐射能量，办是主遮光罩出1 ：3 处接收到的 辐射能量。 表3 3 是消光比的计算结果。其中模型1 为发黑处理后的主遮光罩，其内壁的吸 收率为9 5 ，反射率为3 ，散射率为2 。模型2 为发黑处理并设遮光扣的主遮光 罩模型，其内壁的吸收率为9 5 ，反射率为3 ，散射率为2 。追迹的光线数目为 1 0 0 0 根，能量阈值为1 0 一。分析表3 的计算结果可知，模型2 的消光比小于模型1 ， 对大角度入射光的抑制效果较优。 表3 3 主遮光罩的消光比 入射角度模型1 消光比模型2 消光比 4 9 0 0 0 0 5 7 1 3 0 0 0 1 6 7 6 5 5 00 0 0 5 2 9 60 0 0 1 6 7 4 6 0 00 0 0 4 3 8 90 0 0 16 0 7 6 5 00 0 0 4 2 6 9 0 0 0 11 0 8 7 0 00 0 0 3 5 90 0 0 11 7 2 7 5 00 0 0 3 0 7 90 0 0 0 6 7 8 0 00 0 0 2 5 2 2 0 0 0 0 6 7 8 5 00 0 0 15 3 40 0 0 0 6 7 4 3 2 3 主镜遮光罩设计 主遮光罩能够抑制大角度的入射光线，但却不能抑制系统内部原因产生的杂散辐 射以及视场外小角度光线的直接照射，因此在主镜中心设置内遮光罩，提高系统的杂 散光抑制能力。 1 8 1 ； 一 微小卫星空间遥感相机的杂散光分析、测量和遮光系统设计第三章遥感相机光机系统建模与遮光系统设计 作图法确定相机系统主镜遮光罩的原理如图3 1 3 所示。其中，光线l i n e l 为边缘 视场光线，光线l i n e 2 为中心遮拦决定的内孔径光线。主镜遮光罩a 点是由光线l i n e l 经过主次反射镜的反射光线与光线l i n e 2 经过主镜反射光线的交点。实际主镜遮光罩 通常从主镜中心开孔边缘延伸到a 点，这样得到的主镜遮光罩的长度为6 5 5 m m 。 图3 1 3 主镜遮光罩设计示意图 图3 1 4 ( a ) 与图3 1 4 ( b ) 分别是主镜遮光罩的尺寸图与模型图，内遮光罩的入口半 径为7 6 5 m m 。 q 4 ，0 6 1 i l c o 嚣 卜 t , 2 ( a ) 主镜遮光罩的尺寸图( b ) 主镜遮光罩的模型图 图3 1 4 主镜遮光罩尺寸与模型图 3 2 4 遮光系统设计评价 为测量采取上述遮光设计后相机镜头的杂光系数，在软件中建立黑斑法测量杂光 系数模型，