基于BRDF的光机系统杂散辐射研究

摘要

良好的杂散光抑制是光学系统能够获得高性能成像质量的前提和基础，这就要求光学系统设计成型前必须进行杂散光分析。然而由于光机表面散射特性数据的缺失，在以往的杂散光分析中常采用漫反射模型（机械结构表面）或者镜面反射模型（光学镜面、抛光面）来描述光机结构表面的散射，这与实际情况不符，因而基于此获得的杂散光分析结果不准确，杂光抑制设计也就达不到预期的效果。
　　为了提高杂散光分析的精度，进而提出更为合理的杂光抑制措施，本文从杂散光的传输机理出发，对污染镜面的散射进行了理论建模，并对几种结构表面的双向散射分布函数（BRDF）进行了测量和建模。分析结构表面的散射分布情况发现，其BRDF主要集中在镜反射方向周围10°范围内。以R-C光学系统为例，在杂光分析软件TracePro中建立其光学系统模型以及基本的杂光抑制结构。在此基础上，本文进行了光机系统的视场内和视场外杂光分析，并分别用杂光系数和点源透射比（PST）评价杂光的大小。基于镜面散射、颗粒污染以及镜面衍射的视场内杂光分析结果表明，主镜对衍射杂光贡献最大，折镜对散射杂光贡献最大，并且欲保证视场内杂光系数低于1％，反射镜面的均方粗糙度不得高于5nm，颗粒污染水平（CL）不得高于500；针对杂光抑制结构进行的视场外杂光分析结果表明，结构表面采用漫反射模型与实测 BRDF模型时分析结果有较大差异，说明实际分析时采用实测的散射属性所得结果更准确，此外基于散射在镜反射方向周围10°范围内集中分布的特点设计的挡光环具有最好的杂光抑制效果。
　　最后根据杂光分析结果，提出了几点杂光抑制措施，并对采取相关措施后的光机结构进行杂散光分析。结果表明，采取相关措施后的光机系统杂光系数为1.13%，降低了1%；PST下降了两个数量级，达到10-9，验证了改进措施的有效性。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2杂散光分析的发展概况

1.3本文主要研究内容和研究思路

第2章 杂散光分析理论基础

2.1杂散光传输理论

2.2双向散射分布函数BRDF

2.3杂散辐射计算方法

2.4杂散光评价指标

2.5本章小结

第3章 光机表面BRDF建模

3.1引言

3.2光学镜面散射

3.3结构表面散射

3.4本章小结

第4章 光机系统杂散光分析

4.1视场内杂光分析

4.2视场外杂光

4.3改进措施及效果验证

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

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