舒政通，韓贈(zèng)崇，吳羽婷，林志強(qiáng)，張昊，王敏

（福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

引言

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的航天器進(jìn)入太空，空間探測(cè)相機(jī)作為探索太空的眼睛，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于空間探測(cè)相機(jī)來(lái)說(shuō)最大的挑戰(zhàn)就是雜散光問(wèn)題，這是由于所處的環(huán)境條件嚴(yán)苛,容易受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響。雜散光會(huì)增加探測(cè)器的輸出噪聲，降低相機(jī)系統(tǒng)的成像信噪比，會(huì)在像面形成“幽靈”般的鬼像以及光斑，大大削弱相機(jī)的探測(cè)能力，甚至光學(xué)儀器系統(tǒng)內(nèi)部猛烈的雜散光線會(huì)直接破壞高靈敏度探測(cè)器[1-2]，因此，進(jìn)行雜散光分析以及消雜光設(shè)計(jì)對(duì)空間光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)必不可少。

20 世紀(jì)90 年代末，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中雜光分析及抑制方法的研究伴隨著各國(guó)對(duì)資源的強(qiáng)烈需求迅速發(fā)展起來(lái)，并就此類(lèi)課題開(kāi)發(fā)設(shè)立了如SIRTF、COBE 和IRAS 等著名的科研項(xiàng)目。在目前的研究中，多以ASAP、TracePro、Lightools 等高精度、高準(zhǔn)確度且工程實(shí)用強(qiáng)的軟件進(jìn)行雜散光分析。常見(jiàn)的抑制手段主要包括：在光學(xué)鏡片上加涂消光漆[3]、結(jié)構(gòu)零件消除雜散光（在光學(xué)腔體鏡筒內(nèi)壁噴砂氧化）[4]以及在系統(tǒng)中加入遮光罩及擋光環(huán)[5]。

本文利用雜散光分析軟件對(duì)成像質(zhì)量良好的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的抑制雜散光的方法，并通過(guò)雜散光抑制評(píng)價(jià)方法判斷所設(shè)計(jì)的抑制方式是否有效。主要通過(guò)三維建模平臺(tái)SOLIDWORKS 與雜光分析軟件TracePro 建立空間探測(cè)相機(jī)雜散光模型，并從光機(jī)表面特性、光機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、鏡片透過(guò)率等多個(gè)方面對(duì)光機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用TracePro 正反向光線追跡功能，精確找到光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生一次散射的關(guān)鍵表面并進(jìn)行重點(diǎn)采樣分析，然后對(duì)優(yōu)化前后的光機(jī)模型進(jìn)行雜散光抑制評(píng)價(jià)分析，最后進(jìn)行鬼像實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證試制樣機(jī)的雜散光抑制效果。

1 光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析及抑制

1.1 雜散光來(lái)源及抑制評(píng)價(jià)方法

雜散光主要分為外部非成像雜散光、成像雜散光和內(nèi)部熱輻射雜散光[6]。系統(tǒng)外雜散光線透過(guò)光學(xué)表面時(shí)發(fā)生的多次反射、鏡筒內(nèi)壁和其他機(jī)械零件表面的散射以及殘余的反射，最后到達(dá)像面形成外部非成像雜散光[7-9]。成像雜散光是指，視場(chǎng)內(nèi)成像光線在光學(xué)元件表面多次反射后到達(dá)像面，形成鬼像或造成背景噪聲的光線，可降低輸出信號(hào)的信噪比，影響圖像的對(duì)比度。對(duì)于紅外成像系統(tǒng)而言，其內(nèi)部元件在一定溫度下會(huì)釋放熱輻射形成熱輻射雜散光[10]。光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁是由不同特性的非理想光滑表面組成，導(dǎo)致反射光線不規(guī)律地?cái)U(kuò)散開(kāi)來(lái)，讓本應(yīng)在視場(chǎng)外的雜光重新經(jīng)表面散射進(jìn)入到成像視場(chǎng)內(nèi)，如圖1所示。

圖1 非理想光滑表面的光線散射Fig.1 Light scattering from non-ideal smooth surfaces

分析雜散光傳播路徑與輻射能量衰減是以圖1所示表面的散射特性為基礎(chǔ)。表面的散射特性通常用雙向反射分布函數(shù) BRDF（bidirectional reflectance distribution function）來(lái)表征，即散射光線通過(guò)BRDF 在空間半球范圍內(nèi)來(lái)描述分布特性。現(xiàn)實(shí)中的表面多數(shù)凹凸不平，散射光在空間分布不均勻，BRDF 不僅與入射光的入射方向、角度、波長(zhǎng)有關(guān)，亦與觀測(cè)散射光的角度有一些相互聯(lián)系。系統(tǒng)表面會(huì)將某個(gè)方向的入射光反射到空間半球的各個(gè)方向，不同方向反射的比率是不同的。我們用BRDF 表示指定方向的反射光和入射光的比率關(guān)系，BRDF 定義為

式中：f即是BRDF；l為入射光方向；v為觀察方向，也就是反射光方向；dL0(v)為出射光從表面反射到v方向的微分輻射率；dE(l)為表面上來(lái)自入射光方向l的微分輻照度。f僅僅與材料表面本身的特性（反射率、透過(guò)率、吸收率、粗糙度等）相關(guān)。

本文設(shè)計(jì)的空間探測(cè)相機(jī)應(yīng)用于可見(jiàn)光波段，且成像雜散光也僅存在于特定的系統(tǒng)中，故重點(diǎn)分析外部雜散光的影響。相比其他雜散光光源的強(qiáng)度，太陽(yáng)光的強(qiáng)度能夠在不同離軸角對(duì)系統(tǒng)造成更為明顯的影響，所以只考慮太陽(yáng)光為雜散光的主要來(lái)源[11]，在進(jìn)行模擬分析時(shí)采用朗伯體光源模擬太陽(yáng)光。

當(dāng)一個(gè)光機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行消雜光設(shè)計(jì)后，需計(jì)算能進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的雜散光能量，對(duì)雜散光性能做出評(píng)估，常用的評(píng)價(jià)方法有測(cè)量系統(tǒng)的雜光系數(shù)V、雜散光模型的PST（點(diǎn)源透過(guò)率）以及輻照度分析圖。本文在仿真模型各項(xiàng)材料表面屬性設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的前提下，利用TracePro 輸出的輻照度分析圖計(jì)算系統(tǒng)PST值，以此評(píng)定系統(tǒng)的雜散輻射水平。PST是評(píng)價(jià)不同離軸角下光學(xué)系統(tǒng)消雜光能力的主要指標(biāo)，只表征系統(tǒng)本身抑制雜散光能力，它與視場(chǎng)外雜散光源的強(qiáng)度無(wú)關(guān)[12]，僅與光機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性質(zhì)相關(guān)。相機(jī)探測(cè)器靈敏度越高，感應(yīng)微弱光線信號(hào)的能力越強(qiáng)，因此PST 限定值越小，整套光機(jī)系統(tǒng)對(duì)雜散光的抑制能力越好[13]。

點(diǎn)源透過(guò)率PST 有以下兩種形式[14]：

1）歸一化軸上點(diǎn)源透過(guò)率（RPSTN），可用下式表示：

式中：Pd(?)是離軸角為?的點(diǎn)源落在探測(cè)器上的輻射通量；Pd(0)是位于軸上的同一點(diǎn)源落在探測(cè)器上的輻射通量。

2）點(diǎn)源垂直照度透過(guò)率（RPSNIT），可用下式表示：

式中：Ed(?)是離軸角為?的點(diǎn)源到達(dá)探測(cè)器系統(tǒng)像面上的輻照度；Ei為點(diǎn)源在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的輻照度[15]。

1.2 雜散光抑制方法

雜散光的來(lái)源因素有很多，光學(xué)系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)這兩部分對(duì)雜散光的產(chǎn)生有一定的貢獻(xiàn)，尤其是不同材料表面特性對(duì)雜散光路的形成有不同的作用。因此，本文從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及表面特性這3 個(gè)可控因素方面進(jìn)行雜散光抑制優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足后續(xù)雜散光消除或抑制的需要[16]。

本文采用的優(yōu)化方法，首先從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，增加鏡片透過(guò)率，除了選擇優(yōu)質(zhì)透鏡材料來(lái)提高透過(guò)率外，還通過(guò)給透鏡表面鍍多層特殊增透膜，減少這部分成像光線在透鏡表面的反射、散射現(xiàn)象。本模型的光學(xué)元件均為透鏡，鍍膜前通光表面透過(guò)率為93%～94%，本文結(jié)合目前傳統(tǒng)鍍膜工藝，對(duì)透鏡表面特性進(jìn)行合理優(yōu)化。改進(jìn)前的模型按照傳統(tǒng)方式鍍單層增透膜，透過(guò)率為97%～98%，通過(guò)對(duì)鍍膜、蒸鍍工藝進(jìn)行探究，本文使用的光學(xué)透鏡采用鍍多層增透膜設(shè)計(jì)，透過(guò)率可達(dá)99.5%以上。

其次，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行雜散光抑制優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)尋找在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)雜散光比較敏感的中間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)消光紋來(lái)抑制雜散光，使消光紋散射并反射大部分雜散光，從而使其不能進(jìn)入后面的光學(xué)系統(tǒng)或者最終不落在探測(cè)器表面。消光紋實(shí)物圖及消光紋抑制雜散光示意圖如圖2 所示。

圖2 消光紋實(shí)物圖及消光紋抑制雜散光示意圖Fig.2 Physical image of matt pattern and schematic diagram of matt pattern suppressing stray light

最后通過(guò)改變表面特性來(lái)減少內(nèi)部雜散輻射。光機(jī)系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)件基本都是由金屬加工制成，一般加工完成后其表面呈銀白色，此時(shí)粗糙度很小，銀色光滑的表面具有很低的光吸收作用，這種情況容易發(fā)生雜散光反射和散射。因此，本文仿真改進(jìn)后的光機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械件表面，采用陽(yáng)極氧化著色發(fā)黑方式對(duì)機(jī)械件表面進(jìn)行氧化染黑處理，處理后的表面吸收率約為96%。對(duì)光學(xué)透鏡邊緣進(jìn)行黑色噴涂處理，采用的是日本生產(chǎn)的消光漆GT-7，它是一種雙組份環(huán)氧樹(shù)脂涂料，顏料是炭黑與氧化鐵，能有效吸收99.8%的雜散光，使成像更為清晰[17]。透鏡噴漆后的成品圖如圖3 所示。

圖3 噴漆后的透鏡Fig.3 Lens after painting

2 光機(jī)系統(tǒng)建模及雜散光分析

2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空間探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)采用8 p 長(zhǎng)焦結(jié)構(gòu)[18]，前組采用正透鏡組，以減小成像光束的口徑，后組采用負(fù)-正-負(fù)-正透鏡組合，改善場(chǎng)曲和倍率色差等軸外像差，主要光學(xué)指標(biāo)包括：視場(chǎng)角為19.6°，相對(duì)孔徑為1:2.8，畸變不大于1%，MTF（光學(xué)傳遞函數(shù)）在110 lp·mm-1處不小于0.5。光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 空間探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Two-dimensional structure diagram of optical system of space detection camera

2.2 雜散光模型的建立

通過(guò)SOLIDWORKS 對(duì)空間探測(cè)相機(jī)光機(jī)模型進(jìn)行初步建模，如圖5(a)所示。按照光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)透鏡、機(jī)械部件的材質(zhì)作進(jìn)一步結(jié)構(gòu)處理，再與TracePro 光學(xué)仿真軟件進(jìn)行無(wú)損耗模型傳輸與數(shù)據(jù)交互，建立雜散光模型，如圖5(b)所示。根據(jù)上述抑制手段，對(duì)光學(xué)元件材料參數(shù)設(shè)置，即用ABg 模型給光機(jī)結(jié)構(gòu)表面屬性賦值處理。

圖5 SOLIDWORKS 空間探測(cè)相機(jī)三維模型和TracePro空間探測(cè)相機(jī)雜散光模型Fig.5 3D model of SOLIDWORKS space detection camera and stray light model of TracePro space detection camera

2.3 光線追跡尋找關(guān)鍵表面

通過(guò)分析光學(xué)系統(tǒng)中關(guān)鍵表面和被照射面，可以得到雜散光的傳播途徑。只有透鏡反射或透射的光線照射到相應(yīng)的機(jī)械表面，在上面形成一次散射路徑，這樣的表面才是關(guān)鍵表面。由于雜散光的能量經(jīng)過(guò)多次散射有所衰減，遠(yuǎn)小于一次散射后的雜散輻射能量，所以本文在仿真建模分析雜散光過(guò)程中，主要考慮一次散射后的雜散光對(duì)系統(tǒng)的影響。圖6 為T(mén)racePro 軟件正向光線追跡示意圖。在模擬中發(fā)現(xiàn)光源表面出射的光線在經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，部分鏡筒內(nèi)壁會(huì)被直接照射到，照射到的表面即為被照射面，亦可能是產(chǎn)生雜散光的關(guān)鍵表面。記錄所有被照射面，通過(guò)反向光線追跡進(jìn)一步確定關(guān)鍵表面。圖7 是反向光線追跡示意圖。將像面設(shè)置成表面光源，光源發(fā)出的光線從像面出發(fā)向前方傳播，部分光線能夠照射鏡筒內(nèi)壁表面，它們可以被探測(cè)器表面或像面直接“觀察”到，即為尋找的關(guān)鍵表面。從模擬中可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)關(guān)鍵表面全部集中視場(chǎng)光闌之后，像面無(wú)法直接看到光闌之前的鏡筒內(nèi)壁表面，由此可知，對(duì)雜散光比較敏感的部分在光闌前后。

圖6 正向光線追跡示意圖Fig.6 Schematic diagram of forward ray tracing

圖7 反向光線追跡示意圖Fig.7 Schematic diagram of reverse ray tracing

通過(guò)比較并分析正向和反向光線追跡，且結(jié)合SOLIDWORKS 半剖圖可確定光源光線進(jìn)入光機(jī)系統(tǒng)后，哪些面是一次散射關(guān)鍵表面，空間探測(cè)相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)半剖圖如圖8 所示。為抑制更多雜散光，對(duì)經(jīng)表面屬性改進(jìn)后的雜散光模型中隔圈4 和5 作消雜光螺紋處理，如圖9 所示。

圖8 空間探測(cè)相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)半剖圖Fig.8 Half-sectional drawing of optomechanical system of space detection camera

2.4 重點(diǎn)采樣及相關(guān)設(shè)置

Tracepro 對(duì)光學(xué)系統(tǒng)光線追跡時(shí)，光線數(shù)量越多，閾值越小，仿真結(jié)果相對(duì)越精確。因此，有必要對(duì)Tracepro 雜光分析軟件進(jìn)行合理參數(shù)設(shè)置，保證數(shù)據(jù)結(jié)果正確性和真實(shí)性。對(duì)所有關(guān)鍵表面進(jìn)行重點(diǎn)采樣，增加表面一次散射到像面上雜散光線的數(shù)量，具體設(shè)置如圖10 所示。

圖10 重點(diǎn)采樣設(shè)置Fig.10 Key sampling settings

除了設(shè)置重點(diǎn)采樣外，Tracepro 光線追跡選項(xiàng)中門(mén)檻數(shù)值和總相交次數(shù)亦能提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在設(shè)置好門(mén)檻數(shù)值的前提下，模擬和分析光學(xué)系統(tǒng)中某個(gè)表面產(chǎn)生雜散光的貢獻(xiàn)，固定散射次數(shù)，光線與面的相交次數(shù)也不變，這樣可以排除高次散射光線以及無(wú)用的分析光線。本文Tracepro 采用如圖11 門(mén)檻數(shù)值和光線與面相交次數(shù)設(shè)置。

圖11 門(mén)檻數(shù)值和總相交次數(shù)設(shè)置Fig.11 Threshold value and total number of intersection settings

空間探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)有8 塊光學(xué)鏡片和2 片保護(hù)窗玻璃、1 個(gè)光源表面、4 個(gè)散射表面、1 個(gè)像面。針對(duì)關(guān)鍵表面，在考慮一次散射的情況下，光線與面總相交26 次。若總相交次數(shù)大于26次，則多次散射光線會(huì)被納入計(jì)算和分析；反之，則光線到達(dá)像面前已停止計(jì)算。

2.5 雜散光分析

通過(guò)前邊對(duì)關(guān)鍵表面的確認(rèn)以及消光紋的加入，利用TracePro 軟件的門(mén)檻數(shù)值設(shè)置對(duì)關(guān)鍵表面進(jìn)行重點(diǎn)采樣追跡，從邊緣半視場(chǎng)角9.8°開(kāi)始進(jìn)行光線追跡。分析像面的照度圖，發(fā)現(xiàn)雜散光光源離軸角在10°～18.4°之間，光源表面發(fā)出的光線中存在部分雜散光能夠到達(dá)關(guān)鍵表面，并經(jīng)一次散射落到探測(cè)器表面。在離軸角9.8°～18.6°之間，以0.3°離軸角為步距依次對(duì)視場(chǎng)外雜散光進(jìn)行光線追跡，分別統(tǒng)計(jì)入射到空間探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)入瞳位置的光線能量輻照度與像面上的輻照度，利用公式（2）計(jì)算改進(jìn)前后模型各離軸角對(duì)應(yīng)的PST 值。由于蒙特卡洛分析具有隨機(jī)性，因此，由進(jìn)行改進(jìn)后3 次實(shí)驗(yàn)求得的平均值得到的數(shù)據(jù)繪制PST 曲線圖，如圖12 所示。

圖12 PST 和雜散光源離軸角的關(guān)系曲線圖Fig.12 Relation curves between PST and off-axis angle of stray light source

從圖12 中可以看出，優(yōu)化后的PST 值急劇下降，比較改進(jìn)前后系統(tǒng)的PST 曲線，發(fā)現(xiàn)在離軸角10.3°～15.4°，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的光機(jī)系統(tǒng)對(duì)小角度入射的雜散光起到明顯且良好的抑制作用，整個(gè)系統(tǒng)的點(diǎn)源透過(guò)率PST 值在這個(gè)角度范圍內(nèi)比改進(jìn)前下降了66%～99.4%。隨著離軸角的繼續(xù)擴(kuò)大，PST 曲線急劇下降，其值越來(lái)越小，分析這段區(qū)間的PST 曲線可知，視場(chǎng)外離軸角大于14.2°的雜散光光源發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)多次散射，其能量得到一定衰減，像面雜散光的PST 值接近10-4量級(jí)。在離軸角18.4°雜散光的PST 約為10-4量級(jí)，此后，離軸角的雜散光無(wú)法影響本文相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)的正常工作。靜止軌道上傳統(tǒng)星載相機(jī)在未加裝遮光罩情況下，不同離軸角時(shí)系統(tǒng)PST 值在10-4～10-6量級(jí)，并且10-4以下量級(jí)是大視場(chǎng)遙感相機(jī)針對(duì)30°以上離軸角雜散光線的PST 值。由于系統(tǒng)的PST僅和系統(tǒng)本身對(duì)光線能量的削弱能力有關(guān)系，因此在有限尺寸下，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間探測(cè)相機(jī)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的消雜光能力，能夠在復(fù)雜照度環(huán)境下工作，驗(yàn)證了本文空間探測(cè)相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)雜散光抑制設(shè)計(jì)的可行性。

3 空間探測(cè)相機(jī)鬼像實(shí)驗(yàn)分析

試制裝配后的空間探測(cè)相機(jī)樣品實(shí)物如圖13所示。

圖13 空間探測(cè)相機(jī)試制樣機(jī)Fig.13 Prototype of space detection camera

點(diǎn)源透過(guò)率PST 僅用來(lái)表征系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)外雜散光的抑制能力，而視場(chǎng)內(nèi)在成像波段范圍的光線基本都能夠通過(guò)正常成像路徑到達(dá)探測(cè)器表面或像面。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，光學(xué)成像元件本身材質(zhì)表面的工藝參數(shù)不會(huì)趨于軟件建模得到理想的數(shù)據(jù)，再加上裝配過(guò)程中人為產(chǎn)生的誤差，容易形成鬼像或造成背景噪聲，從而影響圖像的對(duì)比度。因此，有必要對(duì)鏡頭進(jìn)行鬼像實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證試制后的樣機(jī)對(duì)雜散光的抑制能力。

3.1 鬼像實(shí)驗(yàn)

搭建的測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖14 所示。使用5 mW低功率激光器作為光源，激光器距離相機(jī)入瞳位置為1 175 mm，通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)光源控制入射主光線繞鏡頭入瞳中心旋轉(zhuǎn)，觀察不同視場(chǎng)角下所成圖像。在暗室中開(kāi)啟激光器，分別觀察不同入射角下所成圖像，結(jié)果如圖15 所示。根據(jù)所成實(shí)像位置關(guān)系，在±2.8°入射角下，結(jié)合所成鬼像圖像主光源位置，用黑色貼紙貼在靶面的半邊，對(duì)靶面主像位置進(jìn)行遮擋處理，如圖16 所示，觀察在亮暗條件下遮擋后的成像情況，結(jié)果如圖17 所示。

圖14 測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖Fig.14 Physical drawing of measurement experiment

圖15 不同入射角的鬼像實(shí)驗(yàn)圖像Fig.15 Experimental images of ghost image at different incident angles

圖16 被掩蓋的靶面左半邊Fig.16 Left half side of masked target surface

圖17 靶面遮擋實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Test results of target surface occlusion

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖15 可知，激光正入射到光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，透射光聚焦點(diǎn)正好位于視場(chǎng)中心。Zemax 模擬靶面反射像示意圖如圖18 所示。從圖18 可以看出，隨著光源入射角度的增大，透射光聚焦點(diǎn)與鬼像中心的偏移量增大，當(dāng)光源入射角度增大到一定角度時(shí)，鬼像會(huì)移出視場(chǎng)外，而透射光聚焦點(diǎn)仍然在視場(chǎng)內(nèi)。通過(guò)Zemax 模擬仿真可初步判斷，該鬼像是由于靶面保護(hù)玻璃不斷反射，依次反射出一、二、三次反射像等造成的，如圖19 所示。從圖19中可知，無(wú)鍍膜情況下靶面保護(hù)玻璃K9 透射率為93%，反射率為7%，計(jì)算得出主像的能量為86.46%，一次反射像能量為0.423%，二次反射像能量為0.002 1%，三次反射像能量為0.00 001%。本系統(tǒng)鍍?cè)鐾改ぶ笸高^(guò)率在99.5%以上，忽略吸收損失，則透鏡與靶面玻璃表面殘余反射引起的鬼像能量只會(huì)更低。從圖19 中還可以看出，隨著光源角度的增大，鬼像也由原來(lái)的一簇光斑變成離散的散斑，由三次反射形成的系統(tǒng)鬼像在測(cè)試中呈現(xiàn)良好的趨勢(shì)（如圖15 所示），正方向5.69°和負(fù)方向5.69°時(shí)鬼像處于靶面臨界位置，正方向6.65°和負(fù)方向6.65°時(shí)鬼像消失。

圖18 Zemax 模擬靶面反射像Fig.18 Target surface reflection image simulated by Zemax

圖19 靶面鬼像分析圖Fig.19 Analysis diagram of ghost image on target surface

如圖17 所示，在對(duì)所成像在靶面的主像位置進(jìn)行遮擋后，不再有光線進(jìn)入靶面，靶面將不再反射，對(duì)應(yīng)的三次反射像也隨之消失，由此進(jìn)一步確認(rèn)雜散光是由靶面保護(hù)玻璃反射造成的。由此可見(jiàn)，本文給出的探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)在視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)成像質(zhì)量滿足要求，試制后的樣機(jī)對(duì)雜散光有良好的抑制能力。

4 結(jié)論

本文概述了一個(gè)空間探測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)雜散光優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，首先結(jié)合軟件進(jìn)行仿真建模，再通過(guò)仿真模擬尋找最佳抑制手段和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，然后通過(guò)分析軟件對(duì)雜散光模型的PST 進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最后對(duì)試制樣機(jī)進(jìn)行鬼像實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的雜散光抑制能力。從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的抑制雜散光方案具有可行性，優(yōu)化后的光機(jī)系統(tǒng)具有良好的雜散光抑制效果。利用光學(xué)結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵表面散射特性相結(jié)合的Tracepro 雜散光模型分析方法，對(duì)優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)和選擇雜散光抑制措施具有指導(dǎo)意義。