离轴三反空间光学望远系统的杂散光抑制

　　1　引　言

　　空间望远镜是航天领域重要的遥感器。利用搭载在航天器上的光学遥感器进行对地观测,具有速度快、视野广、覆盖范围大等优点。空间望远镜的选型由最初的卡塞格林式、格里高里式向离轴三反系统改进,后者的优点在于视场大、相对孔径大和光学系统无中心遮拦[1-2]。杂散光对光学系统的影响是非常有害的,其直接表现在降低像面的对比度,降低信噪比,并且可能会在像面上产生光斑,导致像质下降,某些情况下甚至会造成系统失效[3]。因此,杂散光的分析与抑制在离轴三反系统的应用过程中非常重要,消除的方法主要包括光机结构的改进以及后期的图像处理[4]。国外的相关工作开始于上世纪90年代,目前已经发展到了定量认识阶段,国内的研究主要集中在系统各个镜面对结果的影响方面[5]。

　　目前,国内外对两反系统的杂散光分析研究已经非常深入,长春光机所的史光辉对卡塞格林系统的遮光罩,挡光环等消杂散光措施的设置给出了详细的分析[6];西安光机所的李婷等定量计算了同类系统的杂散光数值[7];美国国家天文台的史蒂芬等人对地基天文望远系统的杂散光抑制方法进行了研究[8]。这些工作使用的主要方法是建立实体模型,包括给定各个光学、机械结构表面的光学参数,通过改进的蒙特卡洛法进行光线追迹,确定各离轴角度的杂散光传输路径,得到最初的分析结果。然后,根据结果改进模型,修改遮光罩的设计,在散射路径上加入遮光叶片等,最终减小光学系统杂散光水平[9]。本文在总结上述原理的基础上,通过对星载离轴三反望远系统进行建模,确定散射路径,进行重点采样分析,得到该系统的20°离轴角之间的杂散光PST结果,并提出了改进方法。

　　2　杂散光分析模型的建立

　　2.1　离轴三反望远系统的实体模型

　　用于杂散光分析的离轴三反望远系统的简化模型如图1所示,光学系统由前反射镜和3块非球面反射镜组成,机械结构部分主要分为遮光罩,前反射镜罩和主体外壳。

　　2.2　光机系统结构的表面属性

　　模型内部表面双向反射分布系数(BRDF)的模型采用下式定义:

　　其中,β为表面散射的出射方向,β0为表面镜面反射的出射方向,A、B、g为需要拟合的参数。经过查阅大量资料,本文模型中的镜面参数确定为,A=0.001 5,B=1.5×,g=1.92,该模型的总散射率为4%。其余表面采用AeroglazeZ-306涂层[6]。

　　2.3　杂散光路径分析

　　造成杂散光的因素主要包括外部辐射源、内部辐射源及非成像杂散光3部分。本文中的离轴三反望远系统用于地球表面观测,不存在太阳直射或月球反射等背景光源,工作波段为可见光近红外,不涉及中波和长波红外部分,因此仅需讨论非成像杂散光一方面的影响。对光学系统模型的路径分析工作可用于了解这部分杂散光的传播过程,以使分析结果更加准确。