CN103149016A - 待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统，该方法包括以下步骤：1）获取待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；2）将待测光学系统更换为衰减片并获取含有该衰减片的辐射照度；3）根据步骤2）所得到的含有该衰减片的辐射照度获取待测光学系统在入瞳处的辐射照度；4）根据步骤1）以及步骤3）获取待测光学系统的点源透过率。本发明提供了一种能够对被测光系统杂散光抑制水平进行客观评价，避免目前采用杂散光系数评价的不确定性的待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统。

Description

待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种测试杂散光的方法及其系统，尤其涉及一种待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统。

背景技术

杂光辐射是指光学系统中除了目标（或成像光线）外扩散于探测器（或成像）表面上的其它非目标（或非成像）光线辐射能，以及经非正常光路到达探测器的目标光线辐射能。杂散辐射的危害性在于降低像面的对比度和调制传递函数，使整个像面层次减少，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辐射噪声所淹没。

为了保证相机具有清晰的图像、较高的传递函数，国内外研究人员将杂散光作为评价光学系统性能的一项重要指标。然而目前对光学系统杂散光测试方法的研究较为落后，以至于杂光问题已严重影响了其它方面的发展，成为光学系统设计水平进一步提高的“瓶颈”，一些系统由于没有很好地解决杂散光的抑制而导致整个系统的失败。对空间光学系统而言，杂散光的影响就更为严重，因此，开展杂散光测试方法研究已成为空间光学工程中的关键技术之一。

目前对杂光水平的评价方法主要有两种：

第一种：在设计阶段主要是采用ASAP、TracePro、OptiCAD等杂散光分析软件，把被分析光学系统的模型建立起来再利用光线追迹蒙特卡洛数值模拟法等对系统杂散光进行分析计算，其基本思想为：把杂光辐射能看作是由大量相互独立的能束光线组成的辐射能。光线的发射位置和方向、到达反射面的吸收或反射、进入半透明部件后的吸收、折射或投射，以及衍射等一系列传递过程均由相应的概率模型确定。跟踪一束光线直到它被吸收或溢出系统，然后再跟踪下一束光线，最后跟踪一定数量的光束后可得较为稳定的统计结果，由此计算给出系统的点源透过率PST（Piont Sources Transmittance）。

点源透过率PST定义：光学系统视场外视场角为θ的点源目标的辐射，经过光学系统后，在像面产生的辐射照度E_i(θ_i,λ)与入瞳处的辐射照度E(λ)的比值，其数学表达式为：

$\mathrm{PST}(\mathrm{\θ},\mathrm{\λ})=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(1\right)$

点源透过率PST体现了光学系统本身对杂光的衰减能力，而与杂光源的辐射强度无关。显然PST小，则表示系统杂光抑制能力强，系统性能好。于是，一个光学系统对视场外杂光的抑制指标常常表示为：杂光源在偏离光学系统光轴的临界限制角为θ_j时，系统的点源透过率pst(θ_j,λ)小于某个值。

第二种：光学系统集成后，在实验室进行杂散光测试，获得系统杂散光测试结果。目前主要是对光学系统杂散光系数V（Veiling Glare Index）进行测试。光学系统像面上照度是由成像光束引起的照度E₀和杂光引起的附加照度ΔE的总和。所谓杂光系数（V）是指像平面上杂光引起的附加照度ΔE和总照度E之比，即：

$V=\frac{\mathrm{\ΔE}}{E}\×100\%=\frac{\mathrm{\ΔE}}{E_0+\mathrm{\ΔE}}\×100\%---\left(2\right)$

目前对杂散光的实验室测试都是建立在杂散光评价标准中的第二种（杂光系数）之上，在这种定义之下实现杂光系数的测量是容易的，只要使待测光学系统对亮度均匀的背景下的一个亮度严格等于零的黑体目标成像，测量出目标像上的照度就是由杂光引起的附加照度ΔE，测量像面上背景照度就是像面总照度（E₀+ΔE），则可得杂光系数，这种测量杂光系数的方法称为黑斑法，具体装置参见图1所示，图中带有若干个照明灯泡3和吸收腔黑斑1的积分球提供一个均匀扩展的亮背景和黑体目标。吸收腔黑斑作为黑体目标与被测光学系统5相对地安装在积分球的直径两端。积分球的亮度均匀漫反射内壁相对待测光学系统入瞳构成一个尽可能接近180度的均匀亮视场。光电探测器7的光敏元件接收面位于吸收腔1通过被测光学系统所成的像平面上，并在其前安装限制光阑6，以限制光敏元件接收黑斑的大小。吸收腔黑斑可以更换成与周围亮背景涂层完全相同的“白塞子”，使积分球内壁又成为一个整体。

通过光电探测器7分别测出待测光学系统像平面上对应黑斑目标像和用“白塞子”时像的照度，即光电探测器对应测量值m1和m2，则杂光系数为：

$V\frac{\mathrm{\ΔE}}{E_0+\mathrm{\ΔE}}\×100\%=\frac{m1}{m2}\×100\%---\left(3\right)$

当需要测量轴外杂光系数时，可以将被测系统绕其入瞳并垂直于光轴的轴线旋转过一视场角，再进行测量。

在实际工作中发现此方法存在的缺点较多：1）没有基本意义。因为杂光系数的数值取决于实验装置特定的几何形状，再现性受黑斑大小、限制光阑大小的影响；2）不易正确进行比较。必须明确规定测量条件，才能使测量结果便于比较；3）实验条件与使用条件十分不相同，不能满意地预言使用效果；4）黑斑有照度等。因此杂散光系数测量结果不能如实而准确地反映被测系统的杂光情况。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种测量误差小、精度高以及可靠性强的待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述待测光学系统杂散光检测方法包括以下步骤：

1）获取待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

2）将待测光学系统更换为衰减片并获取含有该衰减片的辐射照度；

3）根据步骤2）所得到的含有该衰减片的辐射照度获取待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

4）根据步骤1）以及步骤3）获取待测光学系统的点源透过率。

上述步骤1）的具体实现方式是：

1.1）激光束转换为平行光束并入射至待测光学系统；

1.2）通过光电探测器测出待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度。

上述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）激光束转换为平行光束并入射至衰减片；

2.2）通过光电探测器测出含有该衰减片的辐射照度。

上述步骤3）是根据下述公式而具体实现的：

$E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长。

上述步骤4）是根据下述公式而具体实现的：

$\mathrm{PST}(\mathrm{\θ},\mathrm{\λ})=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}\×\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长；

θ_i表示不同视场角；

E_i(θ_i,λ)表示待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

PST(θ，λ)表示待测光学系统在不同视场角的点源透过率。

一种用于实现待测光学系统杂散光检测方法的杂散光测试系统，其特殊之处在于：所述杂散光测试系统包括激光器、平行光管以及探测器；所述激光器、平行光管以及探测器依次设置于同一光轴上。

上述杂散光测试系统还包括设置于平行光管和探测器之间的衰减片。

上述杂散光测试系统还包括设置于平行光管以及探测器之间用于对待测光学系统进行调整的调整平台。

上述杂散光测试系统还包括设置于旋转平台上用于对待测光学系统进行调整的调整机构。

上述杂散光测试系统还包括用于对探测器进行调整的探测器调整平台。

本发明的优点是：

本发明提供了一种待测光学系统杂散光检测方法及杂散光检测系统，该系统能够对被测光系统杂散光抑制水平进行客观评价，避免了目前采用杂散光系数评价的不确定性。同时采用此方法能够直接将测试数据与理论设计数据进行比对，能够直观反映实际被测光系统杂散光的抑制能力。

附图说明

图1是传统的杂散光测试装置示意图；

图2是本发明所提供的杂散光测试系统结构示意图；

其中：

1-吸收腔黑斑；2-积分球；3-灯；4-准直镜；5-待测光学系统；6-限制光阑；7-光电探测器；8-激光器；9-激光器调整支架；10-平行光管；11-调整机构；13-旋转平台；14-探测器调整平台；15-探测器；16-衰减片。

具体实施方式

从点源透过率的定义及表达式可以看出，它实际上是一个可检测的技术指标，只要测量出待测光学系统视场外不同视场角（θ）像面的辐射照度E_i(θ，λ)与入瞳处的辐射照度E(λ)，则根据公式（1）就可以计算出被测系统的点源透过率PST。因此，本发明提供了一种杂散光测试系统，该系统的结构示意图如图2所示。

本发明首先提供了一种待测光学系统杂散光检测方法，该待测光学系统杂散光检测方法包括以下步骤：

1）获取待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

1.1）激光束转换为平行光束并入射至待测光学系统；

1.2）通过光电探测器测出待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度。

2）将待测光学系统更换为衰减片并获取含有该衰减片的辐射照度；

2.1）激光束转换为平行光束并入射至衰减片；

2.2）通过光电探测器测出含有该衰减片的辐射照度。

3）根据步骤2）所得到的含有该衰减片的辐射照度获取待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

其根据下述公式而具体实现的：

$E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长。

4）根据步骤1）以及步骤3）获取待测光学系统的点源透过率，

其根据下述公式而具体实现的：

$\mathrm{PST}(\mathrm{\θ},\mathrm{\λ})=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}\×\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长；

θ_i表示不同视场角；

E_i(θ_i,λ)表示待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

PST(θ，λ)表示待测光学系统在不同视场角的点源透过率。

本发明在提供一种待测光学系统杂散光检测方法的同时还提供了杂散光测试系统，该杂散光测试系统包括激光器8、平行光管10以及探测器15、设置于平行光管10和探测器15之间的衰减片16；激光器8、平行光管10以及探测器15依次设置于同一光轴上。

杂散光测试系统还包括设置于平行光管10以及探测器15之间用于对待测光学系统5进行角度旋转的旋转平台13。

杂散光测试系统还包括设置于旋转平台13上用于对待测光学系统5进行调整的调整机构11以及用于对探测器15进行方位调整的探测器调整平台14。调整机构11能够对被测光学系统沿其光轴方向进行一维平移，同时能对被测光学系统进行水平及垂直方向的两维旋转调整，已达到将被测光学系统入瞳平面调整至与旋转平台13回转中心重合的目的。探测器调整平台14能在水平及垂直方向进行调整，以保证探测器15与被测光学系统5的像面重合。

本发明的使用方法是：1）通过激光调整支架9将激光器8安装于平行光管10像面处，激光器8出射光束通过平行光管10转换为平行光束；2）将待测光学系统5安装于旋转平台13上，通过调整机构11将待测光学系统5入瞳中心调整至旋转平台13回转中心；3）通过探测器调整平台14将探测器15安装于待测光学系统5像面位置；4）通过旋转转台13用光电探测器测出待测光学系统5不同视场角（θ_i）的像面的辐射照度E_i(θ_i,λ)；5）去掉待测光学系统5，在待测光学系统5入瞳位置安装衰减片16如果探测器动态范围足够高，完全可以省略衰减片16，本发明所提及的实施例以含有衰减片16为例，用探测器15测出此时的衰减片的辐射照度E'(λ)。在数据处理时：

首先计算待测光学系统5入瞳处的辐射照度E(λ)：

$E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(4\right)$

式中：β(λ)——衰减片的透过率；λ——激光波长。

其次，用公式（5）计算待测光学系统5点源透过率：

$\mathrm{PST}(\mathrm{\θ},\mathrm{\λ})=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}\×\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(5\right)$

Claims (10)

1.一种待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述待测光学系统杂散光检测方法包括以下步骤：

1）获取待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

2）将待测光学系统更换为衰减片并获取含有该衰减片的辐射照度；

3）根据步骤2）所得到的含有该衰减片的辐射照度获取待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

4）根据步骤1）以及步骤3）获取待测光学系统的点源透过率。

2.根据权利要求1所述的待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述步骤1）的具体实现方式是：

1.1）激光束转换为平行光束并入射至待测光学系统；

1.2）通过光电探测器测出待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度。

3.根据权利要求2所述的待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）激光束转换为平行光束并入射至衰减片；

2.2）通过光电探测器测出含有该衰减片的辐射照度。

4.根据权利要求3所述的待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述步骤3）是根据下述公式而具体实现的：

$E\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长。

5.根据权利要求4所述的待测光学系统杂散光检测方法，其特征在于：所述步骤4）是根据下述公式而具体实现的：

$\mathrm{PST}(\mathrm{\θ},\mathrm{\λ})=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E\left(\mathrm{\λ}\right)}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{\frac{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}}=\frac{E_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\λ})}{E^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)}\×\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中：

E(λ)表示待测光学系统在入瞳处的辐射照度；

E'(λ)表示含有衰减片的辐射照度；

β(λ)表示衰减片的透过率；

λ表示激光波长；

θ_i表示不同视场角；

E_i(θ_i,λ)表示待测光学系统在不同视场角的像面的辐射照度；

PST(θ，λ)表示待测光学系统在不同视场角的点源透过率。

6.一种用于实现权利要求1-5任一权利要求所述的待测光学系统杂散光检测方法的杂散光测试系统，其特征在于：所述杂散光测试系统包括激光器、平行光管以及探测器；所述激光器、平行光管以及探测器依次设置于同一光轴上。

7.根据权利要求6所述的杂散光测试系统，其特征在于：所述杂散光测试系统还包括设置于平行光管和探测器之间的衰减片。

8.根据权利要求6或7所述的杂散光测试系统，其特征在于：所述杂散光测试系统还包括设置于平行光管以及探测器之间用于对待测光学系统进行调整的调整平台。

9.根据权利要求8所述的杂散光测试系统，其特征在于：所述杂散光测试系统还包括设置于旋转平台上用于对待测光学系统进行调整的调整机构。

10.根据权利要求9所述的杂散光测试系统，其特征在于：所述杂散光测试系统还包括用于对探测器进行方位调整的探测器调整平台。

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