空间光学系统杂散辐射抑制研究

发布时间：2019-12-04 07:49

【摘要】：杂散辐射抑制是集光学系统设计、机械结构设计、表面材料、辐射传热、轨道仿真等多学科的一个交叉领域,贯穿着系统设计、加工、检测、装调、集成全过程。而空间光学系统易受太阳、地球、月亮等视场外强杂光光源的影响,其辐射能量往往比观测目标高出几个数量级,若不进行有效的抑制,其杂光可能经低级次散射到达探测器,严重影响在轨光学系统的成像质量和目标分辨能力。对可见光谱段的光学系统,外部杂散辐射起主要作用。对于中长波红外光学系统,则为外部杂光与内部自身杂散辐射的共同作用。近年来,随着光电系统对远距离、暗弱目标、超大视场、多光谱等探测需求不断增加,杂散辐射抑制水平限制了光学系统探测性能的进一步提高。传统被动接受式的杂光仿真分析手段已经逐渐无法满足相关领域的需求,迫切需要新型的消杂光设计方法与手段。为此,本文分别针对天文探测的大口径长焦距天文望远系统的、对地观测的超大视场离轴系统及深空探测的紧凑型长波红外光学系统的成像性能与杂光抑制方面的不同需求,提出将光学系统设计与消杂光设计相结合的方法,将杂散辐射抑制的思想贯穿光机系统设计流程的始终。在保证成像质量的前提下,通过反射光学系统空间排布、透射系统红外材料选择与消光陷阱的优化,显著提高了光学系统杂散辐射的抑制能力。文章在大量文献资料的基础上,研究了国内外杂散辐射的发展状况,阐明了杂散辐射在系统性能评价中的重要地位与意义。主要研究工作和结果如下:1、总结归纳了一系列遮光罩的设计理论与方法,推导了适用于离轴宽幅光学结构的遮光罩参数计算公式。完善了杂光分析软件中的参数输入。设计比较了适用于空间天文望远镜的多种光学结构形式及其杂光抑制特性,完成复杂环境下多种杂光源指标分解与详细的杂光量化仿真分析。2、提出了一种基于类比反远距系统光焦度分配理论的全球面反射系统的初始结构快速构建方法,并完成相关光学系统的优化设计。解决了离轴系统因视场渐晕引起的杂光亮边问题,实现了小规避角下的高抑制比消杂光设计,并完成系统整机的杂光真空实测方案设计与实施。提出基于齐次坐标矩阵变换的方法,推导了杂光光源与离轴系统间的角度变换公式,对成像视场区域进行有效剪切,实现了离轴平面对称系统杂光系数的解算。3、以紧凑型折返式长波红外光学系统为实例,通过红外透射材料选择优化设计,内遮光罩与视场光阑的结构形式、制冷探测器杜瓦瓶内部光阑复杂化等光机系统的联合设计,及关键结构表面发射率的动态优化,在保证光学系统像质的前提下,大幅度降低光机系统的自身辐射能量。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O439

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