专利名称：具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法
技术领域：
本发明涉及具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法。
背景技术：
随着空间探测方法和探测器水平的大幅度提高，用于空间探测的光学系统，尤其 是红外光学系统，探测的低对比度目标信号越来越微弱，对视场外杂光抑制水平的要求也 愈加严格。传统的遮光罩设计主要是以遮挡叶来对杂散光进行吸收消除，由于这种设计的 遮挡叶数目较多，光线的散射方向都是不确定的，以致消光效果变得不是很理想，且由这种 方案设计出的遮光罩尺寸都较大，制造成本也很高。可见，原有的遮光罩设计方案已不能满 足空间光学探测系统的发展要求，迫切需要一套能有效抑制系统杂光、且加工制造简便的 遮光罩最佳尺寸的设计方法。在遮光罩的设计中关键是要确定出垂直于零视场主光线方向 既不遮挡有效视场内的目标光束，又尺寸最小的遮光罩截面形状。
传统方法是通过光线追迹确定遮光罩的大致形状，然后采用tracepix)等杂散光 分析软件检验。这样的设计结果往往不能准确的获得最小的入射光束包络面，所以设计都 有一定的冗余，不能获得最佳的遮光罩尺寸。
国家发明专利ZL200710172698. 5(—种带有指向镜大视场光学系统遮光罩的设计 方法)中，提出了一种获得遮光罩最佳尺寸的方法。该专利中的方法主要通过指向镜法线方 向来确定系统零视场入射光线(入射光轴)的位置，获得系统入射光束的包络面，从而提取 出最佳遮光罩的尺寸参数。这一方法只适用于一维扫描系统，或是扫描过程系统零视场入 射光线(入射光轴)的入射面和入射角两者中只有一个发生变化的两维指向系统(在这样的 系统中系统入射光轴与指向镜法线方向存在简单几何关系)，这就要求两维指向系统的转 轴只能是光学系统光轴和垂直于系统零视场入射光线入射面的轴线。
可见现有的前置遮光罩的设计方法，并不能适应目前普遍采用的带两维指向镜的 光学系统，所以迫切需求一种更有效且广泛适用的前置遮光罩设计方法。发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有前置遮光罩设计方法在两维指向系统中 的局限性，提出一种具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法，该方法为 两维指向系统提供既能遮挡视场外杂散光，同时通光尺寸又最小的最优化的前置遮光罩； 而且为设计出的遮光罩提供了曲线方程，便于加工制造；解决了空间光学系统杂散光抑制 的一个关键问题。
为解决以上技术问题，本发明提供以下技术方案具有大观测视场的任意两维指 向系统前置遮光罩设计方法，其特征在于，包括以下步骤
根据光学系统视场和通光口径在入射光束上选取两个截面，并求解两维指向镜不 转动时入射光束在这两个截面上的截面曲线参数；
利用光学反射矢量和矢量旋转的基本理论，求解两维指向镜旋转过程中，入射光束零视场光线(入射光轴)的矢量坐标；
根据入射光轴关于两维指向镜绕其两转轴旋转角度的函数关系，确定入射光轴端点形成的轮廓曲线；
然后利用入射光轴端点形成的轮廓曲线方程，求解两维指向镜旋转过程中，入射光束截面曲线的外包络曲线方程；
根据在两个不同入射光束截面上所得的外包络曲线，利用光线的直线传播原理， 构建两维指向镜旋转过程中，入射光束的外包络面，此面即为满足尺寸最小的最佳前置遮光罩的内壁；
根据总体系统设计要求的前置遮光罩位置和长度参数L和M，从上面求得的最佳前置遮光罩内壁上截取需要的部分。
进一步的，利用光学反射矢量和矢量旋转的基本理论，求解入射光轴的方向矢量方程，其步骤具体包括
求解反射镜对入射矢量的反射作用矩阵
权利要求
1.具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法，其特征在于，包括以下步骤根据光学系统视场和通光口径在入射光束上选取两个截面，并求解两维指向镜不转动时入射光束在这两个截面上的截面曲线参数；利用光学反射矢量和矢量旋转的基本理论，求解两维指向镜旋转过程中，入射光束零视场光线(入射光轴)的矢量坐标；根据入射光轴关于两维指向镜绕其两转轴旋转角度的函数关系，确定入射光轴端点形成的轮廓曲线；然后利用入射光轴端点形成的轮廓曲线方程，求解两维指向镜旋转过程中，入射光束截面曲线的外包络曲线方程；根据在两个不同入射光束截面上所得的外包络曲线，利用光线的直线传播原理，构建两维指向镜旋转过程中，入射光束的外包络面，此面即为满足尺寸最小的最佳前置遮光罩的内壁；根据总体系统设计要求的前置遮光罩位置和长度参数L和M，从上面求得的最佳前置遮光罩内壁上截取需要的部分。
2.根据权利要求1所述的具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法， 其特征在于利用光学反射矢量和矢量旋转的基本理论，求解入射光轴的方向矢量方程，其步骤具体包括求解反射镜对入射矢量的反射作用矩阵
3.根据权利要求1所述的具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法， 其特征在于在零视场入射光束上距离反射镜I处取一截面，设截得的光束直径为Φ，指向镜绕两转轴的转角α和β取值分别为-α_< a ( a _和-β _彡β ( 则在指向镜绕转轴旋转α和β角的过程中，截面上的光束圆曲线Φ形成的外包络线在4个象限内是对称的，且其在一个象限内的部分(1/4)可分为如下三段，分别用对应的公式求取弟一段包络线ct = ctmax，OS β〈 3 _此时，入射光束光轴在该截面上的形成的曲线为AB，利用权利要求2的方法计算其矢量表达式为1.声，则入射光束的圆曲线Φ上到曲线AB距离最大的点i可以表示为—* Φ ~ —>R 二上式中，5 =丄rV__是两维指向镜绕其两转轴转动的角度α和βν αβ r0 =vQxP',~p'的函数，利用权利要求2的方法计算；弟一段包络线a = Q max β = β max(II P')-P’ =0圆曲线与入射光轴垂直<R-1P'=Φ>2圆曲线直径为Φ第三段包络线β ==β ,O^o max，w 、-'<α max—· (I) —_· —*ι< = -·η, + ·Ρ'上式中= ^·η__是两维指向镜绕其两转轴转动的角度α和β的函数；通过计算第一段包络线和第二段包络线的交点Ε，第三段包络线和第二段包络线的交点F，可以最终确定出第二段包络线的EF曲线段。
4.根据权利要求1所述的具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法， 其特征在于通过理论计算设计出了最佳遮光罩的内壁的界面曲线方程，然后可以通过三维建模软件很方便的构建出此内壁结构，在利用三维建模方法截取系统总体设计所需要的那部分遮光罩，即可获得满足实际系统总体设计要求且遮挡杂散光效果最好的前置遮光罩。
全文摘要
本发明涉及具有大观测视场的任意两维指向系统前置遮光罩设计方法，包括以下步骤根据光学系统光学视场和通光口径确定两维指向镜不转动时入射光束的截面曲线；求解两维指向镜旋转过程中入射光束零视场光线的矢量坐标；根据入射光轴关于两维指向镜绕其两转轴旋转角度的函数关系，确定入射光轴端点形成的轮廓曲线；然后利用入射光轴端点形成的轮廓曲线方程，求解两维指向镜旋转过程中入射光束截面曲线的外包络曲线方程；根据在两个不同入射光束截面上所得的外包络曲线，利用光线的直线传播原理，构建两维指向镜旋转过程中入射光束的外包络面。此方法主要通过矢量理论推导建立曲线方程，普遍适用于各种一维扫描系统和两维指向系统的前置遮光罩设计。
文档编号G02B23/16GK102998796SQ20121054967
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者刘辉, 闫世强, 许松, 胡磊, 王成良, 裴云天, 李兴隆 申请人:中国人民解放军空军预警学院