雜散光抑制

本中心於九十三年度進(jìn)行大口徑光電遙測(cè)系統(tǒng)研製，系統(tǒng)採(cǎi)用折反射式望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，入瞳直徑為 300 mm，光圈值為 F/# = 5，包含石英玻璃鏡片組成之修正像差鏡組，半視角為 1.7 度，使用線型 CCD 為感測(cè)器。系統(tǒng)在光學(xué)設(shè)計(jì)階段除了以提升成像品質(zhì)為目標(biāo)外，同時(shí)也進(jìn)行雜散光分析，在設(shè)計(jì)初期一併進(jìn)行雜散光抑制，以降低雜散光對(duì)成像品質(zhì)的影響。

雜散光是光學(xué)系統(tǒng)不需要或是額外衍生出來(lái)的光線。雜散光的出現(xiàn)會(huì)降低對(duì)比、影像品質(zhì)，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)或是任務(wù)失敗，因此抑制雜散光在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是相當(dāng)重要的課題。一般引發(fā)雜散光的因素眾多，經(jīng)驗(yàn)上大致可分類為：一、光源直射 (straight-shots)；二、光學(xué)元件反射產(chǎn)生的鬼影 (ghost reflection)；三、光學(xué)表面及機(jī)械表面的散射光，即散射雜散光 (scatter stray light)；四、其他，如光圈 (stop) 及擋光板 (baffles) 的邊緣繞射 (edge diffraction)，光柵所產(chǎn)生多餘光線 (unwanted diffraction orders)，甚至紅外線系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)與光學(xué)元件的溫度輻射效應(yīng) (thermal emission effect) 也是雜散光的來(lái)源。

在現(xiàn)實(shí)上，雖然雜散光無(wú)法完全消失，但配合適當(dāng)?shù)墓鈾C(jī)設(shè)計(jì)將可有效的抑制雜散光在合理的程度內(nèi)，雜散光抑制必須在系統(tǒng)層級(jí)的角度優(yōu)先考量，配合光學(xué)設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)抑制雜散光，因?yàn)槭箩岬男薷�，將�?huì)增加許多成本。通常選擇適當(dāng)?shù)墓馊ξ恢�、增加擋光板與擋光舵板 (vanes) 等遮光系統(tǒng)以及黑化機(jī)構(gòu)表面，可以有效抑制雜散光的發(fā)生。

望遠(yuǎn)鏡遮光系統(tǒng)

折反射式望遠(yuǎn)鏡之遮光系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：一、必須能排除光源直射效應(yīng)，防止望遠(yuǎn)鏡組中的主反射鏡、次反射鏡與後端的修正鏡組受到視角外光源，如日光的直接照射。二、阻隔視角外或是未遵循設(shè)計(jì)光路徑，直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過(guò)的光線。三、減少系統(tǒng)內(nèi)的散射雜光 (scatter stray light)，或是主反射鏡與次反射鏡之間的二次反射 (double pass) 光線於焦平面成像。四、規(guī)範(fàn)望遠(yuǎn)鏡組的可視範(fàn)圍。依據(jù)上述條件，遮光系統(tǒng)可分類為外鏡筒 (sun-shield)、位於主反射鏡中央缺孔的主擋光板 (primary baffle)、環(huán)繞於次反射鏡週邊的次擋光板 (secondary baffle)，另有位於各遮光元件與機(jī)構(gòu)上防止結(jié)構(gòu)表面散射雜光的次結(jié)構(gòu)，稱之為擋光舵板，如圖一。

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圖一、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與遮光系統(tǒng)。

外鏡筒可提供望遠(yuǎn)鏡組適當(dāng)?shù)恼诒危�隔絕光線直接照射主反射鏡與次反射鏡，使得雜散光的來(lái)源主要限制於來(lái)自小角度的光源直射與散射雜光，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)仍然存在著設(shè)計(jì)視角值之外光源直射的問(wèn)題。如前所述，這些視角外的光線並未受到主、次反射鏡之作用，便直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過(guò)，而直接抵達(dá)焦平面。此時(shí)消除光源直射效應(yīng)最有效的方法便是增加擋光板，直接阻擋這些直射的光線，在此擋光舵板可充分發(fā)揮其抑制雜散光的功能，特別是對(duì)於光源在較大離軸角度所產(chǎn)生的散射雜光，在增加擋光舵板後可降低一到三個(gè)級(jí)數(shù)的雜散光能量。

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圖二、特徵光束之光束覓跡圖。

擋光板的尺寸與位置除了要考慮其抑制雜散光的效能外，也要考慮其系統(tǒng)成像品質(zhì)的影響，過(guò)多的遮蔽會(huì)使得系統(tǒng)入光量降低而減低成像對(duì)比度，若系統(tǒng)視角受到阻隔則會(huì)有成像平面能量分布不均勻的情況。一般而言，主反射鏡中央缺孔延伸而出的稱之為主擋光板、環(huán)繞於次反射鏡週邊的則稱為次擋光板。值得注意的是設(shè)計(jì)時(shí)主擋光板不可阻擋到由主反射鏡反射至次反射鏡的光線，或者是由次反射鏡反射的成像光線；而次擋光板是不可阻擋到主反射鏡反射至次反射鏡的光線，並且要能確定其中央遮蔽率足夠大，以避免次擋光板之邊緣在焦平面成像。

擋光板的位置、形狀尺寸、開(kāi)口大小關(guān)係到光學(xué)設(shè)計(jì)及感測(cè)器，在做法上可以先行利用軸上入射光束的初階計(jì)算出擋光板需要的預(yù)留長(zhǎng)度，並當(dāng)成初始設(shè)計(jì)值。接著再根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的視角與感測(cè)器規(guī)格，配合特徵光線的光束追蹤，如主反射鏡最邊緣所入射的光線與恰好通過(guò)次擋光板邊緣的入射光線來(lái)檢視次擋光板與主擋光板的輪廓，如圖二所示，並估計(jì)組裝與製作公差以決定正確尺寸。

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