一种偏视场光学系统的镜头遮光罩及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及一种偏视场光学系统的镜头遮光罩及其制备方法。

背景技术

光学成像系统被广泛应用于地面、航天、航空，民用、军用等众多领域，例如具有大口径、宽谱段、温度适应性强以及轻量化等特点的三反光学成像系统。一种典型的三反光学成像系统由主镜、次镜及三镜组成，主镜与次镜几何同轴，三镜离轴。进入镜头的光，大部分光通过主镜反射至次镜，再经次镜反射后通过主镜开孔到达三镜用于成像，这部分光可以称之为成像光束，还有一小部分光照射镜头结构件后在结构零件表面反射或在主镜和次镜之间多次反射形成杂光光束，杂光光束通过主镜开孔到达三镜对成像造成影响。因此，需要有遮光罩对形成的杂光进行遮挡，以保证成像质量。

目前，传统的光学系统和其遮光罩均围绕几何中心轴对称设置，但由于偏视场光学系统主镜开孔并不在其几何中心轴上，成像光路也并非中心轴对称，因此，传统的遮光罩已无法达到很好的杂光抑制效果。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的遮光罩对偏视场光学系统无法达到很好的杂光抑制效果的技术问题，而提供一种偏视场光学系统的镜头遮光罩及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种偏视场光学系统的镜头遮光罩，所述偏视场光学系统包括主镜和次镜，主镜上开设有主镜开孔，其特殊之处在于，包括设置在主镜和次镜之间的遮光罩罩体；所述遮光罩罩体一端与主镜连接，另一端正对次镜设置；

所述遮光罩罩体轮廓通过对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行三维轮廓拟合生成，其中，成像光束包括由主镜反射至次镜的第一光束以及由次镜反射至主镜开孔的第二光束；具体的，遮光罩罩体的外壁通过对第一光束拟合生成，遮光罩罩体的内壁通过对第二光束拟合生成；

所述遮光罩罩体的内壁上沿轴向开设有多个周向凹槽，所述周向凹槽两侧的凸起形成相应的多个等宽的挡光环；

所述遮光罩罩体的内壁和外壁表面及挡光环表面均进行黑化处理。

进一步地，所述三维轮廓拟合采用三维建模软件中的最小二乘法。

进一步地，所述黑化处理为喷涂消光漆；

所述消光漆的吸收率大于等于95%。

进一步地，所述消光漆的吸收率为98%。

进一步地，所述遮光罩罩体靠近主镜一端的内壁边缘周向设置有安装螺纹，用于与偏视场光学系统的主镜上的固定结构连接；

所述遮光罩罩体靠近主镜一端的端面上开设有减重槽，用于减轻遮光罩罩体的整体重量。

本发明还提供了上述偏视场光学系统的镜头遮光罩的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，选取偏视场光学系统中的多个成像光束纵向截面，并对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行三维轮廓拟合，生成遮光罩罩体的轮廓；其中，成像光束包括由主镜反射至次镜的第一光束以及由次镜反射至主镜开孔的第二光束；

S2，在步骤S1生成的遮光罩罩体轮廓内部沿轴向设计多个周向凹槽，生成镜头遮光罩模型；各所述周向凹槽的深度根据遮光罩罩体对应位置处的壁厚设计；

S3，根据镜头遮光罩所在的力学环境，对步骤S2生成的镜头遮光罩模型进行强度设计校核；

S4，根据步骤S3完成强度设计校核的镜头遮光罩模型进行加工制造，形成镜头遮光罩，所述镜头遮光罩内壁上多个周向凹槽两侧的凸起形成相应的多个等宽的挡光环；

S5，对遮光罩罩体的内壁和外壁表面及挡光环表面均进行黑化处理，完成一种偏视场光学系统的镜头遮光罩的制备。

进一步地，步骤S1中，对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行三维轮廓拟合具体为：

使用三维建模软件中的最小二乘法对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行三维轮廓拟合。

进一步地，步骤S5中，对遮光罩罩体的内壁和外壁表面及挡光环表面进行黑化处理具体为：

对遮光罩罩体的内壁和外壁表面及挡光环表面喷涂吸收率大于等于95%的消光漆。

进一步地，所述消光漆的吸收率为98%。

进一步地，步骤S4中，根据步骤S3完成强度设计校核的镜头遮光罩模型进行加工制造具体为：

通过3D打印技术对步骤S3完成强度设计校核的镜头遮光罩模型进行加工。

本发明相比于现有技术的有益效果如下：

1、本发明提供的一种偏视场光学系统的镜头遮光罩，在用于空间飞行器光电成像载荷时，针对偏视场的非对称特点，镜头遮光罩按照不对称的光路进行贴合设计，即对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行拟合，形成遮光罩罩体轮廓；通过遮光罩罩体和遮光罩罩体内的挡光环可以有效阻挡阳光、地球及飞行器本身反射强光等杂光进入成像光路，保证很好的杂光抑制效果。

2、本发明提供的一种偏视场光学系统的镜头遮光罩，长度短、重量轻，从源头上抑制了杂光对于光学成像的影响。

3、本发明提供的一种偏视场光学系统的镜头遮光罩，考虑了飞行器在轨工作期间，太阳、地球及飞行器本身的相互位置变化关系，结合外部相机连接二维转台的调整范围和设备尺寸限制，在镜头遮光罩加工制备完成后，在遮光罩罩体和挡光环表面均喷有吸收率大于等于95%的消光漆，尽可能减少杂光的产生，使太阳抑制角30°以上可见光波段点源透过率（PST）＜1E-6，红外波段点源透过率（PST）＜1E-5，满足成像光路的任务要求。

4、本发明提供的一种偏视场光学系统的镜头遮光罩的制备方法，简单方便，对多个成像光束纵向截面上的通光范围边界进行拟合，形成遮光罩罩体轮廓，有效阻挡了杂光进入成像光路，保证成像光路质量。

附图说明

图1为本发明一种偏视场光学系统镜头遮光罩与偏视场光学系统的安装示意图；

图2为本发明的一种偏视场光学系统镜头遮光罩实施例的结构示意图一；

图3为本发明实施例中成像光束的示意图；

图4为本发明通过多个成像光束纵向截面上的通光范围边界拟合遮光罩罩体轮廓的示意图；

图5为本发明一种偏视场光学系统镜头遮光罩实施例的剖视图；

图6为图5中不同位置镜头遮光罩的剖视图，其中（a）为A-A方向的剖视图，（b）为B-B方向的剖视图，（c）为C-C方向的剖视图；（d）为D-D方向的剖视图；

图7为本发明一种偏视场光学系统镜头遮光罩实施例的结构示意图二；

图8为消光漆的吸收率为98%时太阳抑制角30°以上可见光波段点源透过率曲线示意图；

图9为消光漆的吸收率为98%时太阳抑制角30°以上红外波段点源透过率曲线示意图；

图10为本发明制备方法步骤S3中对生成的镜头遮光罩模型进行强度设计校核的结果示意图。

具体附图标记如下：

1-遮光罩罩体；2-挡光环；3-成像光束纵向截面；4-通光范围边界；5-安装螺纹；6-减重槽；7-次镜；8-主镜；9-镜头遮光罩。

具体实施方式

如图1所示，偏视场光学系统主要包括主镜8和次镜7，主镜8上开设有主镜开孔，进入偏视场光学系统的光，大部分经由主镜8反射至次镜7，再由次镜7反射通过主镜开孔进入后续光路，这部分光束称为成像光束，其包括由主镜8反射至次镜7的第一光束和由次镜7反射至主镜开孔的第二光束；还有一小部分光由于照射偏视场光学系统的结构件后在结构件表面反射，或在主镜8和次镜7之间多次反射形成杂光光束。但由于偏视场光学系统的主镜开孔并不在其几何中心轴上，成像光路也并非中心轴对称，其镜头遮光罩9既要遮挡杂光光束避免其通过主镜开孔进入后续光路，又不能影响成像光束的传输，因此，本发明通过对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行拟合的方法生成一种偏视场光学系统的镜头遮光罩。

本发明提供的一种偏视场光学系统的镜头遮光罩，如图2所示，包括设置在主镜8和次镜7之间的遮光罩罩体1，遮光罩罩体1一端与主镜8连接，另一端正对次镜7设置。由于成像光路是由无数个成像光束的纵向截面（即垂直于成像光轴的截面）构成的，因此本发明的遮光罩罩体1轮廓通过对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行三维轮廓拟合生成，具体如图3所示，其中，虚线表示外部入射至主镜8的光束，单点划线表示主镜8反射至次镜7的光束，即第一光束，双点划线表示次镜7反射至主镜开孔的光束，即第二光束。遮光罩罩体1的外壁通过对第一光束进行轮廓拟合生成，遮光罩罩体1的内壁通过对第二光束进行轮廓拟合生成。本实施例中使用三维建模软件中的最小二乘法对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行三维轮廓拟合。如图4所示，为通过多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4拟合遮光罩罩体1轮廓的示意图，其中每个成像光束纵向截面3中心的白色区域即为通光范围边界。同时，遮光罩罩体1的内壁上沿轴向开设有多个周向凹槽，用于使多个周向凹槽两侧的凸起形成相应的多个等宽的挡光环2。值得注意的是，周向凹槽的开设深度根据遮光罩罩体1对应位置处的壁厚设计，具体的，在不穿透遮光罩罩体1对应位置壁厚的基础上，开设深度越深，杂光遮挡效果越好，但开设了周向凹槽的遮光罩罩体1需同时满足镜头遮光罩所在的力学环境要求；周向凹槽的开设宽度往往根据经验值设定，可设计为等宽，或分组等宽，或沿光线入射方向递减或递增的方式，但须尽量小于相应的周向凹槽的开设深度。最终形成的镜头遮光罩截面图如图5、图6所示，可以看出，镜头遮光罩相应的4个截面形状与图4中多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4一一对应。

如图7所示，遮光罩罩体1靠近主镜8一端的内壁边缘周向设置有安装螺纹5，本发明镜头遮光罩9与偏视场光学系统的安装示意图如图1所示，镜头遮光罩9通过安装螺纹5与主镜8上的固定结构连接。同时，遮光罩罩体1靠近主镜8一端的端面上还开设有减重槽6，用于减轻遮光罩罩体1的重量，进而减轻整个偏视场光学系统的重量。

考虑飞行器在轨工作期间，太阳、地球及飞行器本身的相互位置变化关系，结合相机尺寸限制，需要对遮光罩罩体1的内壁和外壁表面和多个挡光环2的表面均进行黑化处理，本发明在镜头遮光罩除安装螺纹5的位置，遮光罩罩体1的内壁和外壁表面和多个挡光环2的表面均喷涂消光漆，用于尽可能地减少杂光的产生。当消光漆的吸收率大于等于95%时，太阳抑制角30°以上可见光波段点源透过率（PST）＜1E-6，红外波段点源透过率（PST）＜1E-5，满足任务要求。优选的，本实施例选择喷涂吸收率为98%的消光漆，如图8、图9所示，分别为此时太阳抑制角30°以上可见光波段点源透过率和红外波段点源透过率曲线示意图，其中，横坐标为杂光束的离轴角度，纵坐标为点源透过率（PST），可以看出，可见光波段点源透过率（PST）＜2.2E-7，红外波段点源透过率（PST）＜1.09E-6，分别满足可见光波段点源透过率（PST）＜1E-6，红外波段点源透过率（PST）＜1E-5的光学设计要求，再结合本发明遮光罩罩体1和遮光罩罩体1内壁上的挡光环2，可以保证最佳的杂光抑制效果。

本发明还提供了上述偏视场光学系统的镜头遮光罩的制备方法，具体包括以下步骤：

S1，选取偏视场光学系统中的多个成像光束纵向截面3，并对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行三维轮廓拟合，生成遮光罩罩体1的轮廓；其中，成像光束包括由主镜8反射至次镜7的第一光束以及由次镜7反射至主镜开孔的第二光束。本实施例中使用三维建模软件中的最小二乘法对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行三维轮廓拟合，本发明也可以采用现有的其他方法对多个成像光束纵向截面3上的通光范围边界4进行三维轮廓拟合。

S2，在步骤S1生成的遮光罩罩体1轮廓内部沿轴向设计多个周向凹槽，生成镜头遮光罩模型。其中周向凹槽的深度根据遮光罩罩体1对应位置处的壁厚设计。

S3，根据镜头遮光罩所在的力学环境，对步骤S2生成的镜头遮光罩模型进行强度设计校核，如图10所示，为对镜头遮光罩模型进行强度设计校核的结果示意图，通过对镜头遮光罩模型在力学环境条件下的仿真计算，得到其最大应力为6.2123MPa，小于遮光罩材料的许用应力160MPa，且安全系数为160/6.2123≈25，满足不小于2的要求，因此可以确认生成的镜头遮光罩模型能够满足力学环境使用要求。

S4，根据步骤S3完成强度校核的镜头遮光罩模型进行加工制造，形成镜头遮光罩，镜头遮光罩内壁上多个周向凹槽两侧的凸起形成相应的多个等宽的挡光环2；由于遮光罩的形状复杂，本发明中优选通过3D打印技术对完成了强度设计校核的遮光罩罩体1模型进行加工。

S5，对遮光罩罩体1的内壁和外壁表面和多个挡光环2的表面均进行黑化处理，完成偏视场光学系统的镜头遮光罩的制备。本发明中对遮光罩罩体1的内壁和外壁表面和多个挡光环2的表面进行黑化处理具体为对遮光罩罩体1的内壁和外壁表面和多个挡光环2的表面喷涂吸收率大于等于95%的消光漆，优选的，选择吸收率为98%的消光漆，此时太阳抑制角30°以上可见光波段点源透过率（PST）＜2.2E-7，红外波段点源透过率（PST）＜1.09E-6。