光阑设计
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第二版
光学机械设计
OPTOMECHANICAL DESIGN
主讲：朱健强
中国科学院 上海光学精密机械研究所 二零零五年九月
光阑设计
简介 消杂散光光阑设计的基本要求和原 理 消杂散光光阑设计几个实例 远心光路及光阑 总结
简介
简单光学系统中的孔径光阑和视场光阑
复杂光学系统中的孔径光阑和视场光阑及瞳窗关系
一类光阑用于遮挡非成像光束； 一类则是利用杂散光在通光孔径中的无规特性 而设计遮挡吸收器件，形成消杂散光光阑。
必须对所有光学系统的种类加以基本概括和总 结，以便对各类消杂散光光阑有效使用，达到 高效降低杂散光的设计要求。
各类光阑设置
合理设计视场光阑、孔径光阑及Lyot光阑 （Lyot光阑为光学系统通光孔径光阑在其后光 学元件所成像面位置上设置的等效孔径光 阑），可以有效地降低光学系统中的散射及衍 射产生的杂散光。
一般光学系统中杂散光的控制设计分三个 步骤：
初始设计 过程设计 实验检测验证
光学零件表面散射； 孔径光阑衍射；
多因素：
Lyot光阑衍射； 消杂光光阑散射与光学表面散射共同作用； 消杂光光阑衍射与孔径光阑衍射共同作用； 消杂光光阑衍射与光学表面散射共同作用； 消杂光光阑散射与孔径光阑衍射共同作用。
第二类杂散光产生的原因
ห้องสมุดไป่ตู้杂光光阑的设计
消杂光光阑的设计根据杂散光的来源分为 两类：
远心光路及光阑
B1'
' B2
物方远心光路
像方远心光路
总结
光学系统中杂散光的抑制是把杂散光降低到可 以接受的程度。 要在系统设计开始就把如何降低杂散光一起考 虑，选取合理的光学系统，达到综合设计指 标。
在开系统设计时，与杂散光相关的因素必 须考虑：
成像探测器的性能； 仪器的使用环境； 光学系统的功能和作用，如成像视场、选用透 射或反射系统及各个光学面的散射特性等； 结构设计，仪器的形状重量等； 红外仪器中的热辐射噪声等。
其中3个角度之间有如下大小关系： φb < φc < φt
光束入射角与光束照在光学件及拦光 光阑上的强度变化图
用拦光光阑减少杂散光照在光管内壁产生 漫反射杂散光
拦光光阑片环的位置
a.漫反射
b.镜面反射
光学件后拦光光阑的分布
有拦光光阑及没有拦光光阑时杂散光的衰 减随离轴角度的变化曲线
外侧拦光光阑
反射、折射型光学系统
a
b
c
d
反射、折射型光学系统的等效结构示意图 (其中a及b为有中继像系统，c及d为无中继像系统)
视场光阑及Lyot光阑的设置
透射型系统
反射型系统
镜筒及拦光光阑的设置
前反射光管 主光管
a
b
吸收体的反射率与多次衰减之间的关系曲线
杂散光在三维空间内的分布特性
镜面反射方向 镜面反射方向
带有消杂散光光阑的三反抛物镜红外光学成像系统
拦光光阑 不同表面 涂黑处理 工艺对杂 散光的衰 减比较
红外卡塞格林望远成像装置
红外卡塞格林望远成像装置—SIRTF原理示意图
杂散光强度
对阳角
来自于太阳2μm波段杂散光的强度衰减曲线
测量激光光束远场分布的装置
激光束远场测试仪结构示意图
中继像视场光阑及Lyot吸收型光阑设置
内侧拦光光阑
带有内外光管及拦光光阑的Gregorian望远光学系统
拦光光阑的参数设计
拦光光阑深度a与间隔s之间的比值与光束在其间的镜面反射次数， a的反射次数为2；b的反射次数为3； c的反射次数为4；d的反射次数为5
倾斜45度的拦光光阑中杂散光的镜面反射特性
三反抛物镜系统
红外三反抛物镜成像系统
正向BRDF分布
30°角BRDF分布
镜面反射方向
60°角BRDF分布
拦光光阑
光学元件前具有拦光光阑的基本结构参数
定义3个基本角度，用以反映图中整个系统 的特性。
φ t = tan − 1 ( D 0 / L ) φ c = tan −1 [( D 0 + D ) / 2 L ]
φ b = tan −1 [( D 0 − D ) / 2 L ]
杂散光的来源
光学系统中杂散光的来源有两大类：
非成像光束在像平面产生的亮背景； 光学系统中因为散射、衍射、寄生反 射等产生的非定向杂散光。
杂散光的具体现象
卡塞格林望远系统的光路示意图
卡塞格林望远系统中的非成像直接入射光束
主镜带有一定长度镜筒的卡塞格林望远系统
第二类杂散光的来源
单因素：
光学机械设计
OPTOMECHANICAL DESIGN
主讲：朱健强
中国科学院 上海光学精密机械研究所 二零零五年九月
光阑设计
简介 消杂散光光阑设计的基本要求和原 理 消杂散光光阑设计几个实例 远心光路及光阑 总结
简介
简单光学系统中的孔径光阑和视场光阑
复杂光学系统中的孔径光阑和视场光阑及瞳窗关系
一类光阑用于遮挡非成像光束； 一类则是利用杂散光在通光孔径中的无规特性 而设计遮挡吸收器件，形成消杂散光光阑。
必须对所有光学系统的种类加以基本概括和总 结，以便对各类消杂散光光阑有效使用，达到 高效降低杂散光的设计要求。
各类光阑设置
合理设计视场光阑、孔径光阑及Lyot光阑 （Lyot光阑为光学系统通光孔径光阑在其后光 学元件所成像面位置上设置的等效孔径光 阑），可以有效地降低光学系统中的散射及衍 射产生的杂散光。
一般光学系统中杂散光的控制设计分三个 步骤：
初始设计 过程设计 实验检测验证
光学零件表面散射； 孔径光阑衍射；
多因素：
Lyot光阑衍射； 消杂光光阑散射与光学表面散射共同作用； 消杂光光阑衍射与孔径光阑衍射共同作用； 消杂光光阑衍射与光学表面散射共同作用； 消杂光光阑散射与孔径光阑衍射共同作用。
第二类杂散光产生的原因
ห้องสมุดไป่ตู้杂光光阑的设计
消杂光光阑的设计根据杂散光的来源分为 两类：
远心光路及光阑
B1'
' B2
物方远心光路
像方远心光路
总结
光学系统中杂散光的抑制是把杂散光降低到可 以接受的程度。 要在系统设计开始就把如何降低杂散光一起考 虑，选取合理的光学系统，达到综合设计指 标。
在开系统设计时，与杂散光相关的因素必 须考虑：
成像探测器的性能； 仪器的使用环境； 光学系统的功能和作用，如成像视场、选用透 射或反射系统及各个光学面的散射特性等； 结构设计，仪器的形状重量等； 红外仪器中的热辐射噪声等。
其中3个角度之间有如下大小关系： φb < φc < φt
光束入射角与光束照在光学件及拦光 光阑上的强度变化图
用拦光光阑减少杂散光照在光管内壁产生 漫反射杂散光
拦光光阑片环的位置
a.漫反射
b.镜面反射
光学件后拦光光阑的分布
有拦光光阑及没有拦光光阑时杂散光的衰 减随离轴角度的变化曲线
外侧拦光光阑
反射、折射型光学系统
a
b
c
d
反射、折射型光学系统的等效结构示意图 (其中a及b为有中继像系统，c及d为无中继像系统)
视场光阑及Lyot光阑的设置
透射型系统
反射型系统
镜筒及拦光光阑的设置
前反射光管 主光管
a
b
吸收体的反射率与多次衰减之间的关系曲线
杂散光在三维空间内的分布特性
镜面反射方向 镜面反射方向
带有消杂散光光阑的三反抛物镜红外光学成像系统
拦光光阑 不同表面 涂黑处理 工艺对杂 散光的衰 减比较
红外卡塞格林望远成像装置
红外卡塞格林望远成像装置—SIRTF原理示意图
杂散光强度
对阳角
来自于太阳2μm波段杂散光的强度衰减曲线
测量激光光束远场分布的装置
激光束远场测试仪结构示意图
中继像视场光阑及Lyot吸收型光阑设置
内侧拦光光阑
带有内外光管及拦光光阑的Gregorian望远光学系统
拦光光阑的参数设计
拦光光阑深度a与间隔s之间的比值与光束在其间的镜面反射次数， a的反射次数为2；b的反射次数为3； c的反射次数为4；d的反射次数为5
倾斜45度的拦光光阑中杂散光的镜面反射特性
三反抛物镜系统
红外三反抛物镜成像系统
正向BRDF分布
30°角BRDF分布
镜面反射方向
60°角BRDF分布
拦光光阑
光学元件前具有拦光光阑的基本结构参数
定义3个基本角度，用以反映图中整个系统 的特性。
φ t = tan − 1 ( D 0 / L ) φ c = tan −1 [( D 0 + D ) / 2 L ]
φ b = tan −1 [( D 0 − D ) / 2 L ]
杂散光的来源
光学系统中杂散光的来源有两大类：
非成像光束在像平面产生的亮背景； 光学系统中因为散射、衍射、寄生反 射等产生的非定向杂散光。
杂散光的具体现象
卡塞格林望远系统的光路示意图
卡塞格林望远系统中的非成像直接入射光束
主镜带有一定长度镜筒的卡塞格林望远系统
第二类杂散光的来源
单因素：