CN103234734A - 大口径杂散光测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径杂散光测试装置及测试方法，该大口径杂散光测试装置包括目标模拟器、球形平行光管、探测系统以及数据采集与处理系统；目标模拟器设置在球形平行光管的入射光路上；待测光学系统设置在球形平行光管的出射光路上；探测系统设置在待测光学系统的像面处；探测系统与数据采集与处理系统相连。本发明提供了一种能够有效的对光学系统结构的杂散光抑制能力进行考核的大口径杂散光测试装置及测试方法。

Description

大口径杂散光测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种大口径杂散光测试装置及测试方法，尤其涉及一种主要用于各类光学相机在光机对接前光学系统性能的考核时所采用的大口径杂散光系数的测试装置及测试方法。

背景技术

近年来，随着高灵敏度，低探测阈值探测器的发展，对光学系统杂散光的抑制有了更高的要求，这就要求杂散光测量系统有更高的精度。

光学系统成像时，在像面上除了按正常光路成像外（或非成像），尚有一些非成像光线落在像面上，这些不参与成像的有害光称为杂散光。杂散光对光学系统像质的影响很大，由于系统中光学元件、机械部件等对光的反射与散射，造成非成像光线在像面上扩散的现象，使得系统所成像清晰度差、对比度降低。光学系统的调制传递函数在整个空间频率范围内将随着杂光系数的增大而降低。因此，杂散光系数是反映光学系统成像质量的重要指标，杂散光检测是光学系统像质检测的重要方面之一。

星载各种航天相机大多工作在探测极弱目标信号的情况下，而目标源和环境光经过光学系统孔径的衍射，以及结构与光学元件表面的散射、反射到达像面探测器形成杂散光。它产生的原因错综复杂，不仅与制造光学系统的工艺、材料有关，还与像差特性、衍射现象、目标特征有关，它使相机对比度和调制传递函数明显降低，整个像面层次减少，清晰度变坏，甚至形成杂光斑点，严重时使目标信号完全被杂散光辐射噪声淹没。

目前研究的大口径、长焦距杂散光测试方法主要针对大口径光学系统的杂散光测试，是以航天在轨高像质探测类相机为背景，展开对航天相机在地面杂散光抑制能力定标技术进行研究的。

传统光学系统杂散光测量普遍使用的是整体包覆后用积分球测试的黑斑法，这种测试方法可验证目标源经过光学系统后产生的杂散光辐射。传统的测量装置只能评价轴上目标光源产生的杂散光辐射对探测能力的影响，缺少轴外杂散光测量的能力；然而对于航天高灵敏度探测类相机会受轴外其他辐射源产生的杂散光影响，造成的目标对比度下降，因此，轴外杂散光测试装置的研究，对于评价光学系统轴外杂散光抑制水平来说显得尤为重要。

目前，在各种大口径、长焦距航天相机的研制中，常见的杂散光测量装置（黑斑法测量系统）只能对小口径光学系统的杂散光进行测试，如口径小于等于Φ300mm的光学系统，然而对于口径超过Φ300mm的光学系统的杂散光系数无法进行全口径测试。这主要由于大口径、长焦距光学系统的口径太大、焦距太长，而测量装置由于光学材料的原因，无法选用大口径透射式光学玻璃来制作消色差准直物镜；同时对于长焦距光学系统的杂散光测量，若不采用准直物镜，将无法模拟无穷远处的目标辐射，从而不能真实反映光学系统杂散光的抑制水平。因此，以往的杂散光系数测量装置需进一步的改进，以满足当前光学系统杂散光测量的需要。

另外，以往的杂散光测量装置的目标模拟器均采用“牛角塞子”作为消光系统，以提供高对比度的黑斑目标，其消光效率为1000:1；而对于高精度杂散光系数的测量，1000:1的目标对比度就显得消光能力太差，从而影响最终的杂散光测量精度（往往会由于黑斑不黑的原因，造成杂散光测量结果偏大）。

综上所述，考虑到该课题的研究是用于对大口径、长焦距光学系统杂散光测试的关键技术，该项技术的研究成功，将预示着国内大口径、长焦距杂散光地面标定技术进入一个新的台阶。因此，开展大口径、长焦距、高精度杂散光测量技术的研究，将对我国光学系统杂散光测量领域的发展起着推动性作用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够有效的对光学系统结构的杂散光抑制能力进行考核的大口径杂散光测试装置及测试方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种大口径杂散光测试装置，其特殊之处在于：所述大口径杂散光测试装置包括目标模拟器、球形平行光管、探测系统以及数据采集与处理系统；所述目标模拟器设置在球形平行光管的入射光路上；待测光学系统设置在球形平行光管的出射光路上；所述探测系统设置在待测光学系统的像面处；所述探测系统与数据采集与处理系统相连。

上述球形平行光管包括积分球、设置在积分球球壁上的准直物镜以及设置在积分球内部的光源；所述积分球包括入光口以及出光口；所述目标模拟器设置在积分球的入光口处；待测光学系统设置在积分球的出光口处；所述光源发出的光线照亮目标模拟器后通过准直物镜准直至待测光学系统。

上述目标模拟器设置在积分球的入光口处并处于准直物镜的焦点处。

上述准直物镜是离轴抛物面镜。

上目标模拟器是黑目标源以及白目标源。

上述黑目标源与白目标源的目标对比度至少是10000:1。

上述大口径杂散光测试装置还包括设置在待测光学系统与探测系统之间的可变光阑。

上述大口径杂散光测试装置还包括转台；所述待测光学系统以及探测系统均设置在转台上。

一种基于如上所述的大口径杂散光测试装置的测试方法，其特殊之处在于：所述测试方法包括以下步骤：

1）将待测光学系统设置在积分球的出射光路上，并使待测光学系统与离轴抛物面镜处于同一光轴；

2）选用白目标源作为目标模拟器并经过球形平行光管与待测光学系统后，在探测系统的探测面得到的白目标源的像；

3）通过数据采集与处理系统对步骤2）所形成的白目标源的像进行数据采集及读取，得到白目标源的像的照度值；

4）将白目标源更换为黑目标源，并经过球形平行光管与待测光学系统后，在探测系统的探测面得到的黑目标源的像；

5）通过数据采集与处理系统对步骤4）所形成的黑目标源的像进行数据采集及读取，得到黑目标源的像的照度值；

6）根据步骤3）所得到的白目标源的像的照度值以及步骤5）所得到的黑目标源的像的照度值计算得到待测光学系统的杂散光系数。

上述步骤6）的中待测光学系统的杂散光系数是白目标源的像的照度值与黑目标源的像的照度值之间的比值。

本发明优点是：

本发明为了解决大口径、长焦距光学系统全视场杂散光测量所带来的问题，结合传统的黑斑法杂散光测试原理，提出了一种大口径、长焦距光学系统全视场杂散光高精度测量方法，能够有效的对光学系统结构的杂散光抑制能力进行考核，对相机的整机信噪比进行估算，提出结构修改型设计方案，保证了光学系统能够清晰成像，本发明具有的优点具体如下：

1）本发明利用经典的黑斑法测量原理，提出了一种高精度、大口径、长焦距光学系统全视场杂散光测试方法，其测试精度突破以往测试精度，杂散光测量值从原来的1%提高至0.5%；

2）本发明针对大口径消色差准直物镜的设计，解决了以往大口径、长焦距光学系统杂散光系数无法测量的难题，可对光学系统口径Φ300mm以上的杂散光系数进行测量；

3）本发明利用离轴抛物面镜作为准直物镜，可有效的降低由透射式准直物镜引入的杂散光，而造成的系统测量精度不高的影响；

4）本发明首次配合转台可实现光学系统全视场杂散光系数的测量；

5）本发明所采用的目标模拟器采用特殊的多面吸收腔体设计形式，可使以往白斑与黑斑的目标对比度从1000:1提高至10000:1，有效的降低了由于目标模拟器产生的杂散光造成测量的误差。

附图说明

图1是本发明所提供的大口径杂散光测试装置的原理示意图；

其中：

1-目标模拟器；2-光源；3-积分球；4-离轴抛物面镜；5-转台；6-探测系统；7-待测光学系统；8-数据采集与处理系统。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种大口径杂散光测试装置，该大口径杂散光测试装置包括目标模拟器1、球形平行光管、探测系统6以及数据采集与处理系统8；目标模拟器1设置在球形平行光管的入射光路上；待测光学系统7设置在球形平行光管的出射光路上；探测系统6设置在待测光学系统7的像面处；探测系统6与数据采集与处理系统8相连。

球形平行光管包括积分球3、设置在积分球3球壁上的准直物镜以及设置在积分球3内部的光源2；积分球3包括入光口以及出光口；目标模拟器1设置在积分球3的入光口处；待测光学系统7设置在积分球3的出光口处；光源2发出的光线照亮目标模拟器1后通过准直物镜准直至待测光学系统7。

目标模拟器1设置在积分球3的入光口处并处于准直物镜的焦点处。

准直物镜是离轴抛物面镜4。上目标模拟器1是黑目标源以及白目标源。黑目标源与白目标源的目标对比度至少是10000:1。大口径杂散光测试装置还包括设置在待测光学系统7与探测系统6之间的可变光阑。大口径杂散光测试装置还包括转台5；待测光学系统7以及探测系统6均设置在转台5上。

一种基于如上的大口径杂散光测试装置的测试方法，其特殊之处在于：测试方法包括以下步骤：

1）将待测光学系统7设置在积分球3的出射光路上，并使待测光学系统7与离轴抛物面镜4处于同一光轴；

2）选用白目标源作为目标模拟器1并经过球形平行光管与待测光学系统7后，在探测系统6的探测面得到的白目标源的像；

3）通过数据采集与处理系统8对步骤2）所形成的白目标源的像进行数据采集及读取，得到白目标源的像的照度值；

4）将白目标源更换为黑目标源，并经过球形平行光管与待测光学系统7后，在探测系统6的探测面得到的黑目标源的像；

5）通过数据采集与处理系统8对步骤4）所形成的黑目标源的像进行数据采集及读取，得到黑目标源的像的照度值；

6）根据步骤3）所得到的白目标源的像的照度值以及步骤5）所得到的黑目标源的像的照度值计算得到待测光学系统7的杂散光系数。

步骤6）的中待测光学系统7的杂散光系数是白目标源的像的照度值与黑目标源的像的照度值之间的比值。

本发明的工作原理是：选用目标模拟器1为黑白目标源，将其设置在积分球3的侧壁上，位于离轴抛物面镜4的焦点处，点亮积分球3内壁出的光源，从积分球3出口看去尤如来自无穷远处的亮暗目标辐射，同时在积分球3出口可形成2π立体角的光能辐射，即可形成球形平行光管。

测量前，先将待测光学系统7设置在球形平行光管出口处（积分球），并使其光轴和物镜光轴一致（轴上杂散光测试）。球形平行光管目标模拟器1处装上黑塞子，通过待测光学系统7在其焦面上可以看到球形平行光管黑塞子孔的像。将黑斑调到视场中央，通常可按在待测光学系统7视场内见到的黑斑直径小于分划板直径的1/5来选取黑塞子直径，在待测光学系统7像面上设置探测系统6，在探测系统6窗口前设置可变光阑，调节其直径应小于平行光管黑塞子孔像的直径。

测量时，先在球形平行光管黑塞子处换上一个不带孔的白塞子，此时经过平行光管物镜和待测光学系统后，在探测系统6入射孔处得到的是该白塞子的像，在入射孔处的照度即为由成像光束的照度和杂散光照度两部分之和，这时可从数据采集与处理系统8上得到一读数m₁。取下白塞子换上黑塞子，可在探测系统入射孔处得到黑斑像，如果系统没有杂散光则黑斑像的照度为零，由于杂散光的存在黑斑像内有一定的照度，此时又可在数据采集与处理系统上得到一读数m₀，则待测光学系统的杂散光系数为：

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{m_0\left(\mathrm{\θ}\right)}{m_1\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(1\right)$

式中：θ为光学系统不同视场角的点源目标，η（θ）为待测光学系统杂散光系数，m₀(θ)为目标模拟器中的黑塞子经光学系统在像面处产生的照度，m₁(θ)目标模拟器中的白塞子经光学系统在像面处产生的照度。测试时，配合转台，可实现对光学系统全视场杂散光系数的测量，具体测量方法和轴上杂散光系数测量方法一样。

其中各部分的功能如下介绍：

目标模拟器1主要是为了提供高对比度的目标模拟源；其通过多面吸收腔体的设计，可使黑塞子和白塞子的目标对比度达到10000:1，进而可消除目标模拟杂散光引起的测量误差。光源主要为了提供积分球3的照明，模拟待测光学系统的辐射源。积分球3构成球形平行光管的主要部件之一，可提供模拟均匀的出口辐射光，形成2π立体角的光能分布。离轴抛物面镜4的作用是提供模拟无穷远处的目标源；由于传统的透射式准直物镜无法满足大口径消色差的目的，所以这里突破以往透射式设计方法，采用离轴抛物面镜来实现大口径、长焦距、消色差型球形平行光管装置的设计。转台5主要提供待测光学系统不同视场角模拟。探测系统6主要用于接收来自待测光学系统像面处的光能，其探测器窗口前设置可变光阑可有效的抑制环境杂散光对测量精度的影响。待测光学系统7是该测试方法的试验件，用于验证该测试方法的可行性。数据采集及处理系统8主要完成待测光学系统在不同视场角的光能采集，同时完成杂散光测试的数据处理、曲线绘制。

Claims (10)

1.一种大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述大口径杂散光测试装置包括目标模拟器、球形平行光管、探测系统以及数据采集与处理系统；所述目标模拟器设置在球形平行光管的入射光路上；待测光学系统设置在球形平行光管的出射光路上；所述探测系统设置在待测光学系统的像面处；所述探测系统与数据采集与处理系统相连。

2.根据权利要求1所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述球形平行光管包括积分球、设置在积分球球壁上的准直物镜以及设置在积分球内部的光源；所述积分球包括入光口以及出光口；所述目标模拟器设置在积分球的入光口处；待测光学系统设置在积分球的出光口处；所述光源发出的光线照亮目标模拟器后通过准直物镜准直至待测光学系统。

3.根据权利要求2所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述目标模拟器设置在积分球的入光口处并处于准直物镜的焦点处。

4.根据权利要求3所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述准直物镜是离轴抛物面镜。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述目标模拟器是黑目标源以及白目标源。

6.根据权利要求5所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述黑目标源与白目标源的目标对比度至少是10000:1。

7.根据权利要求6所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述大口径杂散光测试装置还包括设置在待测光学系统与探测系统之间的可变光阑。

8.根据权利要求7所述的大口径杂散光测试装置，其特征在于：所述大口径杂散光测试装置还包括转台；所述待测光学系统以及探测系统均设置在转台上。

9.一种基于权利要求5-8任一权利要求所述的大口径杂散光测试装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：

1）将待测光学系统设置在积分球的出射光路上，并使待测光学系统与离轴抛物面镜处于同一光轴；

2）选用白目标源作为目标模拟器并经过球形平行光管与待测光学系统后，在探测系统的探测面得到的白目标源的像；

3）通过数据采集与处理系统对步骤2）所形成的白目标源的像进行数据采集及读取，得到白目标源的像的照度值；

4）将白目标源更换为黑目标源，并经过球形平行光管与待测光学系统后，在探测系统的探测面得到的黑目标源的像；

5）通过数据采集与处理系统对步骤4）所形成的黑目标源的像进行数据采集及读取，得到黑目标源的像的照度值；

6）根据步骤3）所得到的白目标源的像的照度值以及步骤5）所得到的黑目标源的像的照度值计算得到待测光学系统的杂散光系数。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于：所述步骤6）的中待测光学系统的杂散光系数是白目标源的像的照度值与黑目标源的像的照度值之间的比值。

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