CN103308282A - 反射式望远系统透过率高效测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够较大提高测试效率，加快测试进度的反射式望远系统透过率高效测量系统及方法。准直系统设置在光源系统的出射光路上；星点单元设置在光源系统与准直系统之间并处于光源系统的焦平面上；旋转式光束折轴系统设置在准直系统的出射光路上；待测反射式望远系统设置于旋转式光束折轴系统的出射光路上，待测反射式望远系统的输出端与光谱采集系统连接；该方法，将准直光束经过旋转式光束折轴系统进行空间平移，再射入光谱采集系统。本发明绕过了反射式望远系统次镜加辐条筋的特殊结构，可在其辐条筋之间的区域，进行透过率的测量，而且经过一圈的旋转，便可以对望远系统整个口径范围的透过率进行全面测量。

Description

反射式望远系统透过率高效测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，尤其涉及一种针对反射式望远系统（如卡塞格林系统和RC系统）进行光谱透过率测试的测量系统及方法。

背景技术

随着人们对微观世界、遥远外太空的好奇程度与日俱增，光学成像系统也在这种强烈需求的大背景下飞速的发展。高倍率的电镜显微仪、大口径长焦距的天文望远镜、乃至空间用子孔径拼接式大口径空间望远镜都如雨后春笋般呈现在世人面前，这种蒸蒸日上、欣欣向荣的景象，使全球光学领域为之振奋。

现今星载探测、空载测绘、地对空光电经纬仪等光学系统，由于成像距离远、空间分辨率高、星等探测能力强等特点，主要采用的结构为反射式望远系统结构。这种结构由于没有色差、光谱范围广、较折射望远镜容易制作等优势，越来越多的受到光学设计者的青睐。其典型代表有：卡塞格林系统、R-C系统等。主镜加次镜式的反射结构使得此类望远系统对主次镜间隔和同轴度的要求非常高，次镜安装在主镜之前，次镜部件除了保证自身的刚性，主要是保证与主镜光轴的同轴度要求，以及主次镜的间距公差要求，并尽量减小拦光系数，所以次镜部件的设计一般采用三条或四条辐条筋的结构，并通过对心加工的形式，保证与主镜光轴的同轴度要求。

光学系统的光谱透过率和白光透过率是成像质量评价的一项重要指标，它反映了目标辐射或反射光谱经过光学系统后能被探测响应的能量损失程度，标志着光学系统传输接收光能辐射的强弱。而且通过对光学系统光谱透过率的精确测量，可以与探测器的光谱响应函数相乘间接计算出整机的光谱响应函数，这样可以为工程应用提供准确、可靠的数据支持，便于分析确认整机探测能力。

对光学系统光谱透过率和白光透过率的测试，传统的测试方式是：平行光管和单色仪提供准直光束，平行光管出光口处限制光束直径（光束直径小于被测系统入瞳直径），利用探测器测量空测数值（光路中不加待测反射式望远系统）和实测数值（光路中加入待测反射式望远系统），通过这两个数值，根据公式（1）计算得到不同波长下，光学系统的透过率。

其中：Φ_实代表光路中加入待测反射式望远系统后探测器（光谱采集系统）的响应值；

Φ_空代表光路中未加入待测反射式望远系统后探测器（光谱采集系统）的响应值；

Si代表i波长下，光学系统的透过率；

传统的光谱透过率和白光透过率的测量方式是针对中心无遮拦式的共轴透射系统、离轴反射系统设计的，通常是在光学系统中心测量，没有考虑到上述反射式望远系统具有次镜加辐条筋的特殊结构特性。由于辐条筋和次镜的影响，这类光学系统中心会有遮拦，使用传统的方式，需要根据辐条筋的形状，在不同的区域分别对光学系统进行透过率测量。然而，反射式望远镜一般都较为巨大、笨重，不适合来回上下左右移动。而相应的测试用平行光管也是固定式的，不便移动，不能满足不同区域测试的要求。

针对上述反射式望远系统具有次镜加辐条筋的特殊结构特性，拟在传统的光谱透过率和白光透过率测量设备的基础上进行改进，加入旋转式光束折轴装置，可以极大的提高整个测试的效率、加快测试进度、节省测试人员的劳动力。

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较大提高测试效率、加快测试进度的反射式望远系统透过率高效测量系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种反射式望远系统透过率高效测量系统，其特殊之处在于：所述反射式望远系统透过率高效测量系统包括光源系统、准直系统、星点单元、旋转式光束折轴系统、光谱采集系统、主控系统、数据处理单元以及显示单元；所述准直系统设置在光源系统的出射光路上；所述星点单元设置在光源系统与准直系统之间并处于光源系统的焦平面上；所述的旋转式光束折轴系统设置在准直系统的出射光路上；待测反射式望远系统设置于旋转式光束折轴系统的出射光路上，待测反射式望远系统的输出端与光谱采集系统连接；所述主控系统分别与光源系统、旋转式光束折轴系统以及光谱采集系统相连；所述数据处理单元分别与主控系统以及显示单元相连。

上述准直系统为离轴反射光学系统；所述离轴反射光学系统包括离轴抛物面主镜、第二折轴镜以及可变光阑；所述第二折轴镜以及离轴抛物面主镜依次设置在光源系统经星点单元后的出射光路上；所述旋转式光束折轴系统设置在经离轴抛物面主镜反射后的出射光路上；所述可变光阑设置在离轴抛物面主镜与旋转式光束折轴系统之间。

上述光源系统包括积分球、单色仪；单色仪发出的光经积分球匀光后，射入星点单元。

上述星点单元是由星点目标靶板组成的。

上述旋转式光束折轴系统包括支撑架、分光棱镜、第一折轴镜和旋转机构；第一折轴镜和分光棱镜均通过旋转机构与支撑架11连接，且第一折轴镜位于分光棱镜分束光的延长位置；旋转机构带动分光棱镜、第一折轴镜共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

上述光谱采集系统包括积分球式采集装置和光电倍增管；积分球式采集装置位于被测反射式望远系统焦面处，光电倍增管位于积分球式采集装置侧壁上。

上述主控系统、数据处理单元以及显示单元均封装于计算机内。

反射式望远系统透过率高效测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】提供准直光束，限制光束直径小于被测系统入瞳直径；

2】准直光束经过旋转式光束折轴系统进行空间平移；

3】空间平移后的准直光束射入光谱采集系统，利用光谱采集系统测量空测数值和实测数值，通过这两个数值，根据公式

计算得到不同波长下的光学系统的透过率。

上述旋转式光束折轴系统包括支撑架、分光棱镜、第一折轴镜和旋转机构；第一折轴镜和分光棱镜均通过旋转机构与支撑架连接，且第一折轴镜位于分光棱镜分束光的延长位置；旋转机构带动分光棱镜、第一折轴镜共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

本发明的优点是：

（1）本发明首次利用发明的旋转式光束折轴系统，通过光源系统、准直系统、采集系统等的配合，实现了对反射式望远系统光谱透过率的高效测量。解决了传统光谱透过率测量方式低效率，甚至无法对反射式望远系统进行测量的局限性，大大提高了对反射式望远系统透过率测量的能力。

（2）本发明中的旋转式光束折轴系统，是根据对反射式望远系统透过率测试的需求而自行设计研制的，其特点在于巧妙的利用分光棱镜的特点，将准直光束沿垂直于光轴的方向折转，利用旋转机构旋转，带动分光棱镜与第一折轴镜共同转动，实现了准直光束的空间平移。因此该装置的使用，绕过反射式望远系统次镜加辐条筋的特殊结构，可在其辐条筋之间的区域，进行透过率的测量，而且经过一圈的旋转，便可以对望远系统整个口径范围的透过率进行全面测量。

（3）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，光源系统中选用了积分球，提高了测试的稳定性和均匀性。

（4）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，光源是单色仪光源，单色仪光谱范围150～2500nm，光谱分辨率0.5nm，光源稳定度优于0.3%，可以为测试提供单色光，为完成光谱透过率的测试提供标准。

（5）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，准直系统选用1000mm离轴反射式平行光管，光谱范围可以完全覆盖单色仪的整个谱段，能覆盖紫外、可见、近红外波段的光谱透过率测量。

（6）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可根据不同空间相机的通光口径大小调整准直系统出射光束的口径，以满足不同相机测试的需要。

（7）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可以有效的遮挡杂散光，提高测试精度。

（8）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，光谱采集系统使用了积分球采集装置结构，可以消除光电倍增管等光电探测设备由于入射光角度的不同引入的对测试结果的影响。

（9）本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，光谱采集系统使用了光电倍增管，响应率高、噪声低，可以满足1%测试精度的需求。

附图说明

图1是本发明所提供的反射式望远系统透过率高效测量系统的结构示意图；

其中：

1-光源系统；2-积分球；3-单色仪；4-星点单元；5-离轴抛物面主镜；6-第二折轴镜；7-可变光阑；8-分光棱镜；9-第一折轴镜；10-旋转机构；11-支撑架；12-待测反射式望远系统；13-光谱采集系统；14光电倍增管；15-主控系统；16-准直系统；17-旋转式光束折轴系统；18-数据处理单元；19-显示单元；20-积分球式采集装置。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种反射式望远系统透过率高效测量系统，包括光源系统1、准直系统16、星点单元4、旋转式光束折轴系统17、光谱采集系统13、主控系统15、数据处理单元18以及显示单元19；准直系统16设置在光源系统1的出射光路上；星点单元4设置在光源系统1与准直系统16之间并处于光源系统1的焦平面上；所述的旋转式光束折轴系统17设置在准直系统16的出射光路上；待测反射式望远系统12设置于旋转式光束折轴系统17的出射光路上，待测反射式望远系统12的输出端与光谱采集系统13连接；所述主控系统15分别与光源系统1、旋转式光束折轴系统17以及光谱采集系统13相连；所述数据处理单元18分别与主控系统15以及显示单元19相连。

上述的光源系统1包括积分球3、单色仪2；所述单色仪发出的光经积分球匀光后，作为系统测试的光源。单色仪光谱范围150～2500nm，光谱分辨率0.5nm，光源稳定度优于0.3%，可以为测试提供单色光，为完成光谱透过率的测试提供标准。积分球可以提高测试的稳定性和均匀性。

上述的星点单元4是星点目标靶板，设置于积分球3的出射光路上，与准直系统配合形成准直光束。

上述的准直系统16为离轴反射光学系统；离轴反射光学系统包括离轴抛物面主镜5、第二折轴镜6以及可变光阑7；第二折轴镜6和离轴抛物面主镜5依次设置在光源系统1经星点单元4后的出射光路上，即透过星点单元的光经第二折轴镜6反射后射入离轴抛物面主镜5，离轴抛物面主镜5将光准直后经可变光阑7射入旋转式光束折轴系统17。可变光阑7是消杂散光光阑，可根据不同空间相机的通光口径大小调整准直系统出射光束的口径，以满足不同相机测试的需要；离轴反射光学系统是口径为Φ100mm、焦距为1000mm的离轴反射光学系统，光谱范围可以完全覆盖单色仪的整个谱段，能覆盖紫外、可见、近红外波段的光谱透过率测量。

上述的旋转式光束折轴系统17包括支撑架11、分光棱镜8、第一折轴镜9和旋转机构10；支撑架11用以对分光棱镜、第一折轴镜9和旋转机构进行支撑；分光棱镜8用于将准直光束沿垂直于光轴的方向折转，第一折轴镜9位于分光棱镜8分束光的延长位置，第一折轴镜9用于将分光棱镜分束的光线再转折，实现准直光束的空间平移；第一折轴镜9和分光棱镜8均通过旋转机构10与支撑架11连接，旋转机构10带动分光棱镜8和第一折轴镜9共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

上述的光谱采集系统13包括积分球式采集装置20和光电倍增管14；积分球式采集装置20位于待测反射式望远系统12焦面处，积分球采集装置可以消除光电倍增管等光电探测设备由于入射光角度的不同引入的对测试结果的影响，光电倍增管14位于积分球式采集装置20侧壁上，光电倍增管的感光面位于积分球式采集装置的内壁上，光电倍增管的响应率高、噪声低，可以满足1%测试精度的需求。

主控系统15、数据处理单元18以及显示单元19均封装于计算机内。

主控系统15分别与光源系统1、旋转式光束折轴系统17以及光谱采集系统13相连；主控系统15控制光源系统1调整中单色仪的输出波长和亮度值；主控系统控制旋转式光束折轴系统17按照设定速度进行转动；主控系统15控制光谱采集系统适时采集光谱响应数据。

数据处理单元18分别与主控系统15以及显示单元19相连。数据处理单元18处理光谱采集系统采集的空测、实测数据，并按照上述计算公式（1）计算光谱透过率。

单色仪发出的单色光经过积分球后变为均匀单色光，再经过准直系统准直，光束经过分光棱镜后，分为两路光束，一束沿原方向，另外一束沿垂直于原光束方向经由第一折轴镜反射，达到光束平移的功能。利用这个原理，实现对反射式望远系统辐条筋周围透光区域透过率全范围高效测量的目的。光谱采集系统完成对同一波长下，空测值和实测值的采集，通过公式（1）计算光谱透过率。

其中：Φ_实代表光路中加入待测反射式望远系统后探测器（光谱采集系统）的响应值；

Φ_空代表光路中未加入待测反射式望远系统后探测器（光谱采集系统）的响应值；

Si代表i波长下，光学系统的透过率；

反射式望远系统透过率高效测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】提供准直光束，限制光束直径小于被测系统入瞳直径；

2】准直光束经过旋转式光束折轴系统进行空间平移；

3】经空间平移后的准直光束射入光谱采集系统，利用光谱采集系统测量空测数值（光路中不加待测反射式望远系统）和实测数值（光路中加入待测反射式望远系统），通过这两个数值，根据公式

计算得到不同波长下的光学系统的透过率。

上述的旋转式光束折轴系统17包括支撑架11、分光棱镜8、第一折轴镜9和旋转机构10；第一折轴镜9和分光棱镜8均通过旋转机构10与支撑架11连接，且第一折轴镜9位于分光棱镜8分束光的延长位置；旋转机构10带动分光棱镜8、第一折轴镜9共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

本发明的反射式望远系统透过率高效测量系统，利用旋转式光束折轴系统巧妙的将平行光束进行平移，回避了大型反射式望远系统在透过率测试过程中难以移动，不便测试的问题，以一种新颖的方式高效、便捷的对反射式望远系统全口径范围内的光谱透过率进行了测量。为光学测试设备的设计提供一种新的理念、思路，发散的设计思路或能较大的将人的精力从繁重的测试活动中解放出来。设计不仅源于能解决问题，还应考虑较轻松的解决问题。

此测量系统相对于传统的透过率测量设备而言，功能上完全覆盖，使用范围广泛，不仅可以包含一般透射式、离轴式系统的测试，对反射式望远系统更能发挥出其能力，高效、准确的完成测试。其通用性强又兼有特殊性，是光谱透过率测试中值得被推广与借鉴的新型系统。

Claims (9)

1.一种反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：所述反射式望远系统透过率高效测量系统包括光源系统、准直系统、星点单元、旋转式光束折轴系统、光谱采集系统、主控系统、数据处理单元以及显示单元；所述准直系统设置在光源系统的出射光路上；所述星点单元设置在光源系统与准直系统之间并处于光源系统的焦平面上；所述的旋转式光束折轴系统设置在准直系统的出射光路上；待测反射式望远系统设置于旋转式光束折轴系统的出射光路上，待测反射式望远系统的输出端与光谱采集系统连接；所述主控系统分别与光源系统、旋转式光束折轴系统以及光谱采集系统相连；所述数据处理单元分别与主控系统以及显示单元相连。

2.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：所述准直系统为离轴反射光学系统；所述离轴反射光学系统包括离轴抛物面主镜、第二折轴镜以及可变光阑；所述第二折轴镜以及离轴抛物面主镜依次设置在光源系统经星点单元后的出射光路上；所述旋转式光束折轴系统设置在经离轴抛物面主镜反射后的出射光路上；所述可变光阑设置在离轴抛物面主镜与旋转式光束折轴系统之间。

3.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：所述光源系统包括积分球、单色仪；单色仪发出的光经积分球匀光后，射入星点单元。

4.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：所述星点单元是由星点目标靶板组成的。

5.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：所述旋转式光束折轴系统包括支撑架、分光棱镜、第一折轴镜和旋转机构；第一折轴镜和分光棱镜均通过旋转机构与支撑架连接，且第一折轴镜位于分光棱镜分束光的延长位置；旋转机构带动分光棱镜、第一折轴镜共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

6.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：光谱采集系统包括积分球式采集装置和光电倍增管；积分球式采集装置位于被测反射式望远系统焦面处，光电倍增管位于积分球式采集装置侧壁上。

7.根据权利要求1所述的反射式望远系统透过率高效测量系统，其特征在于：主控系统、数据处理单元以及显示单元均封装于计算机内。

8.反射式望远系统透过率高效测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】提供准直光束，限制光束直径小于被测系统入瞳直径；

2】准直光束经过旋转式光束折轴系统进行空间平移；

3】空间平移后的准直光束射入光谱采集系统，利用光谱采集系统测量空测数值和实测数值，通过这两个数值，根据公式计算得到不同波长下的光学系统的透过率。

9.根据权利要求8所述的反射式望远系统透过率高效测量方法，其特征在于：所述旋转式光束折轴系统包括支撑架、分光棱镜、第一折轴镜和旋转机构；第一折轴镜和分光棱镜均通过旋转机构与支撑架连接，且第一折轴镜位于分光棱镜分束光的延长位置；旋转机构带动分光棱镜、第一折轴镜共同旋转，转动不同角度皆可实现对准直光束的分光功能。

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