CN107144421A - 一种基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统及方法，系统包括沿光路依次设置的脉冲激光光源系统、光源整形系统、平行光管、待测光机系统、探测系统，还包括转台和信号采集和处理系统，脉冲激光光源系统出射的光经平行光管进入待测光机系统，到达待测光机系统的焦面，探测系统测量待测光机系统焦面处辐射能量随时间的分布，信号采集和处理系统计算离轴角度θ的点源透过率PST(θ)，统计bji(θ)，求解LJj(θ)，转动转台角度，测量不同离轴角度下杂散光传输时间分布特性曲线、点源透过率PST(θ)及Jj(θ)。本发明分析待测光机系统杂散光传输的时间分布特性与杂散光路径的关系，对系统杂散光问题的分析、定位和控制具有重要指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及杂散光测试技术领域，尤其涉及一种基于时间分辨的点源透过率测试系统及方法。
背景技术
杂散光是指到达像面的非成像光线在探测系统上形成的背景噪声，它是光学噪声的一种，杂散光的存在会降低光电探测系统的探测能力，严重时会使目标信号被杂散辐射噪声湮没，导致仪器无法正常工作。
因此对光机系统杂散光抑制的水平及测试验证提出了更高的要求。目前，杂散光测试方法主要是面源法和点源法，其中点源法精度高，是空间光学技术发展的趋势。点源法采用点源透过率作为评价函数，点源透过率(PST,Point Source Transmittance)定义为：视场外离轴角θ的点源目标辐射，经光学系统后在焦面处的辐射照度Ed(θ)与光学系统入口处辐照度E0的比值。
在杂散光测试实践中，实际光机系统杂散光水平往往高于理论分析水平，究其原因主要是实际系统中存在加工、制造、装配等误差，或元件表面污染等，而根据PST定义，现有的测试系统只能测量光机系统的杂散光总量，因此从测试结果中很难分析、定位实际光机系统的杂散光。
发明内容
为了解决现有杂散光测试提供的信息量太少不足以准确分析及定位系统的杂散光问题，本发明提供一种基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统及方法，在杂散光测试中增加时间维信息，分析待测光机系统的杂散光传输时间分布特性与杂散光路径的关系，揭示系统内杂散光传输的因果关系，对系统杂散光问题的分析、定位和控制具有重要指导意义。
在杂散光测试中增加时间维信息主要是基于杂散光传输的时间分布特性，杂散光时间分布特性定义为光机系统内杂散光通过不同的杂散光路径，经历的光程不同，使其到达系统焦面的辐射能量随时间变化，从图1可以看出，在离轴角度为10°时，待测光机系统的杂散光时间分布特性曲线。
本发明的技术解决方案是提供一种基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的脉冲激光光源系统1、光源整形系统2、平行光管3和待测光机系统4与探测系统5；还包括转台6和信号采集和处理系统7，上述待测光机系统4或平行光管3位于转台6上；上述探测系统5位于待测光机系统4的焦面上，上述信号采集和处理系统7采集探测系统5的信号，上述探测系统5为具有时间分辨率的探测系统。
优选地，为扩展杂光测试系统的动态范围，该系统还包括光衰减装置，上述光衰减装置位于平行光管焦点处。
优选地，上述光源整形系统2包括扩束镜头、整形器和汇聚透镜。
优选地，该探测系统5的时间分辨率优于0.1ns。
优选地，上述具有时间分辨率的探测系统5为条纹相机。
本发明基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统采用具有高时间分辨率的探测系统置于待测光机系统焦面处，测试待测光机系统的杂散光，获取杂散光时间分布特性曲线。
定义探测系统在第i个时间采样点接收到的杂散光辐射能为TDi(θ)，探测系统共有m个采样点，则在该离轴角度θ下的点源透过率为PST(θ)为：
上式中，Ed(θ)为探测系统在待测光机系统焦面处接收到的辐照度，Ф(θ)为探测系统接收到的总杂散光辐射能，E0为待测光机系统入口处平行光束辐照度，A为探测系统光敏面面积，t为积分时间。
每个杂散光通道辐射能TDi(θ)是来自不同杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)的线性叠加，则有
其中LJj(θ)代表第j个杂散光路径的杂散光辐射能；
aij(θ)代表第j个杂散光路径对TDi(θ)贡献因子。
上式可表示成：
按照上述思路，也可将杂散光路径辐射能LJj(θ)表示成各杂散光通道辐射能的线性组合
bji(θ)是代表第i个杂散光通道的杂散光辐射能在第j个杂散光路径杂散光辐射能的得分因子。
上式可以表示成：
获得得分因子矩阵即公式(5)是求解杂散光传输路径辐射能的关键。在此，可通过杂散光分析软件追迹大量光线，统计分析不同时间杂散光通道辐射能在杂光路径上的得分因子bji(θ)，求解杂散光路径的辐射能LJj(θ)，同时可分析计算得到不同杂散光路径的辐射能对总杂散光辐射能水平贡献因子Jj(θ)：
通过上述分析，本发明还提供上述基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统的杂散光测试方法，包括以下步骤：
步骤一：定位待测光机系统，使得待测光机系统光轴与平行光管光轴重合，使得待测光机系统的入口中心过转台的旋转中心O；
步骤二：打开脉冲激光光源系统，待脉冲激光光源稳定后，标定平行光管出射平行光束均匀性、时间稳定性和辐照度E0；
步骤三：打开具有时间分辨率的探测系统，转动转台到指定离轴角度θ位置；
步骤四：平行光管出射的平行光进入待测光机系统，经系统内部元件的衍射、散射或透镜表面残余反射等方式达到待测光机系统的焦面，具有时间分辨率的探测系统测量待测光机系统焦面处辐射能量随时间的分布，获取不同时间采样点的杂散光辐射能TDi(θ)；
步骤五：信号采集和处理系统计算离轴角度θ的点源透过率PST(θ)：
其中A为探测系统光敏面面积，t为积分时间。
步骤六：通过杂散光分析软件追迹大量光线，统计不同采样点杂散光辐射能对各杂散光路径辐射能的得分因子bji(θ)，求解不同杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)：
计算各杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)对总杂散光辐射能Φ(θ)的贡献因子Jj(θ)；
步骤七：转动转台角度，重复步骤四至步骤六，测量不同离轴角度下杂散光传输时间分布特性曲线，计算不同离轴角度下点源透过率PST(θ)及主要杂散光路径的杂散光辐射对总杂散光辐射能的贡献因子Jj(θ)。
优选地，为保护探测系统，步骤二中还包括调节光衰减装置，令弱光出射的步骤。
本发明的有益效果是：
本发明通过具有高时间分辨率的探测系统测量待测光机系统焦面处辐射能随时间的分布，在杂散光测试中增加时间维信息，分析待测光机系统杂散光传输的时间分布特性与杂散光路径的关系，揭示系统内杂散光传输的因果关系，对系统杂散光问题的分析、定位和控制具有重要指导意义。
附图说明
图1某光机系统在离轴角度10°的杂散光传输时间分布特性曲线；
图2基于时间分辨点源透过率杂散光分析系统的原理图；
附图标记为：1-脉冲激光光源系统，2-光源整形系统，3-平行光管，4-待测光机系统，5-探测系统，6-转台，7-信号采集和处理系统。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
从图2可以看出，本发明系统包括沿光路依次设置的脉冲激光光源系统1、光源整形系统2(含扩束镜头、整形器和汇聚透镜)、平行光管3和待测光机系统4、具有高时间分辨率的探测系统5，还包括信号采集和处理系统7和转台6，待测光机系统4或平行光管3位于转台6上；探测系统5位于待测光机系统4的焦面上，信号采集和处理系统7采集和处理探测系统5的信号。
脉冲激光光源经光源整形系统后会聚于平行光管焦点处，光束由平行光管准直后出射平行光照亮待测光机系统的入口，进入待测光机系统的光束经系统内光学元件、机械结构件表面散射或孔径衍射等方式到达待测光机系统焦面，具有高时间分辨率的探测系统测量待测光机系统焦面处辐射能量随时间的分布，即获得待测光机系统的杂光传输时间特性曲线。转台带动待测相机转动实现不同离轴角度的杂光测量。
具体测试流程如下：
1)、定位待测光机系统，保证待测光机系统的光轴与平行光管光轴重合，同时保证待测光机系统的入口中心过转台的旋转中心O；
2)、打开光源，待激光光源稳定后，标定平行光管出射平行光辐射的均匀性、时间稳定性和辐照度E0；
3)、调整光源的强度令弱光出射(保护探测系统)；
4)、打开探测系统；
5)、转动转台到指定离轴角度θ位置；
6)、调整光源强度令强光出射；
7)、平行光管出射的平行光进入待测光机系统，经系统内部元件的衍射、散射或反射等方式达到待测光机系统焦面，具有高时间分辨的探测系统测量杂散光传输时间分布特性，获取不同时间杂散光通道即不同时间采样点的杂光辐射能TDi(θ)；
8)、信号采集和处理系统计算离轴角度θ的点源透过率PST(θ)：
9)、通过杂散光分析软件追迹大量光线，统计不同杂散光通道辐射能对各杂散光路径辐射能的得分因子bji(θ)，求解不同杂散光路径的辐射能LJj(θ)：
计算各杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)对总杂散光辐射能Φ(θ)的贡献因子Jj(θ)；
10)转动转台角度，重复步骤5)至9)，测量不同离轴角度下杂光传输时间分布特性曲线，计算不同离轴角度下点源透过率及相应杂散光路径的杂散光辐射对总杂散光辐射能的贡献因子。
Claims (7)
1.一种基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的脉冲激光光源系统(1)、光源整形系统(2)、平行光管(3)、待测光机系统(4)、探测系统(5)，还包括转台(6)和信号采集和处理系统(7)，所述待测光机系统(4)或平行光管(3)位于转台(6)上；所述探测系统(5)位于待测光机系统(4)的焦面上，所述信号采集和处理系统(7)采集探测系统(5)的信号，所述探测系统(5)为具有时间分辨率的探测系统。
2.根据权利要求1所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特征在于：还包括光衰减装置，所述光衰减装置位于平行光管焦点处。
3.根据权利要求1或2所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特征在于：所述光源整形系统(2)包括扩束镜头、整形器和汇聚透镜。
4.根据权利要求3所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特征在于：探测系统(5)的时间分辨率大于0.1ns。
5.根据权利要求4所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统，其特征在于：具有时间分辨率的探测系统为条纹相机。
6.一种利用权利要求1至5任一所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试系统的杂散光测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：定位待测光机系统，使得待测光机系统光轴与平行光管光轴重合，使得待测光机系统的入口中心过转台的旋转中心O；
步骤二：打开脉冲激光光源系统，待脉冲激光光源稳定后，标定平行光管出射平行光束均匀性、时间稳定性和辐照度E0；
步骤三：打开具有时间分辨率的探测系统，转动转台到指定离轴角度θ位置；
步骤四：平行光管出射的平行光进入待测光机系统，经系统内部元件的衍射、散射或透镜表面残余反射方式达到待测光机系统的焦面，具有时间分辨率的探测系统测量待测光机系统焦面处辐射能量随时间的分布，获取不同时间采样点的杂散光辐射能TDi(θ)；
步骤五：信号采集和处理系统计算离轴角度θ的点源透过率PST(θ)：
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其中A为探测系统光敏面面积，t为积分时间；
步骤六：通过杂散光分析软件追迹大量光线，统计不同采样点杂散光辐射能对各杂散光路径辐射能的得分因子bji(θ)，求解不同杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)：
<mrow>
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计算各杂散光路径的杂散光辐射能LJj(θ)对总杂散光辐射能Φ(θ)的贡献因子Jj(θ)；
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步骤七：转动转台角度，重复步骤四至步骤六，测量不同离轴角度下杂散光传输时间分布特性曲线，计算不同离轴角度下点源透过率PST(θ)及主要杂散光路径的杂散光辐射对总杂散光辐射能的贡献因子Jj(θ)。
7.根据权利要求6所述的基于时间分辨的点源透过率杂散光测试方法，其特征在于：
步骤二中还包括调节光衰减装置，令弱光出射的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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