CN107830992A - 一种用于点源透射比测试的光陷阱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，该光陷阱系统采用四个散射面组成测试环境，并在测试环境侧边另设两个散射面而形成腔体，在预定散射面上开设通光口，等腰三角形棱柱散射面的底边紧贴该预定散射面，使得散射面覆盖待测系统的物方视场。本发明实施例所提供的光陷阱系统中背景环境杂散光至少经过六次内壁反射才能返回待测系统的成像视场，具有良好的杂散光抑制效果，从而能达到10‑10量级的测试精度。本发明实施例所提供的光陷阱系统结构紧凑，从而工程实现难度低且成本低。

Description

一种用于点源透射比测试的光陷阱系统
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种用于大型太空望远镜高精度的点源透射比测试的光陷阱系统。
背景技术
随着航天技术的发展，载人空间站工程已成为空间科学、应用和技术实现跨越式发展的重大契机。在空间站应用深化论证过程中，需要完成高角分辨率大天区多波段成像和无缝光谱深度巡天功能等观测任务。目前，采用具备AB26等以上恒星的高动态、高性能的探测能力的太空望远镜来实现上述观测任务。太空望远镜的光学系统的杂散光抑制能力通常采用点源透射比(PST)指标进行衡量，为了实现上述观测任务，太空望远镜相应的点源透射比(PST)需要小于等于4.6×10-9。点源透射比(PST)是太空望远镜的重要技术指标和强制检验点，且点源透射比(PST)的测试必须在地面研制阶段进行实验测试。
为了准确测量点源透射比(PST)，点源透射比的测试系统的灵敏度和测试误差必须优于10-10量级。目前，国内常用的测试点源透射比系统的测试精度仅能达到10-7量级。结合点源透射比测试原理和测试方法可知，制约提高点源透射比测试精度的瓶颈在于测试环境背景杂散光的抑制技术。
目前，该技术领域存在两种方式来提高点源透射比测试精度。第一种方式为，在测试环境的内壁表面喷涂黑漆或者悬挂黑布，通过提高内壁表面的光谱吸收效率以实现背景环境杂散光的吸收和抑制，从而提高点源透射比的测试精度。由于黑漆或者黑布的表面近似服从郎博散射模型，背景环境杂散光经过内壁的一次漫反射即返回待测系统的成像视场，因此，这种方法的杂散光抑制效果不够理想，无法达到10-10量级的测试需求。第二种方式为，采用光陷阱系统，通过增加背景环境杂散光返回待测系统的成像视场的散射次数，实现更好的杂散光吸收和抑制效果。不过，现有光陷阱系统难以同时满足杂散光抑制能力和结构紧凑性的双重需求。例如，国外DCC光陷阱系统应用于外包络尺寸为8.5m×2.7m×3.8m的大型太空望远镜的高精度点源透射比测试时，测试面积约为30m×20m＝600m2，从而工程实施难度大且成本高。
因此，需要提供一种用于测试点源透射比的测试系统，该测试系统既具光陷阱系统抑制杂散光良好的效果，从而满足应用于大型太空望远镜的高精度测量要求，也具备结构紧凑、工程实现难度低和成本低的优点。
发明内容
针对现有用于大型太空望远镜高精度点源透射比测试系统的确定，本发明实施例提供一种光陷阱系统。该光陷阱系统不仅具有良好的抑制杂散光的效果，还具有结构紧凑、工程实现难度低和成本低的优点。
该光陷阱系统的具体方案如下：一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，包括四个散射面组成一测试环境，所述测试环境用于放置待测系统；所述测试环境与待测系统之间布置两个另外的散射面，用于形成两个对称的腔体；等腰三角形棱柱散射面，所述等腰三角形棱柱散射面的底边位于组成所述测试环境的一散射面上，所述散射面覆盖待测系统的物方视场；所述等腰三角形棱柱散射面的底边所位于的散射面上设有一通光口，用于通过测试点源透射比的光束。
优选的，四个散射面组成一矩形测试环境，第一散射面为所述矩形测试环境的左侧面，第二散射面为所述矩形测试环境的顶面，第三散射面为所述矩形测试环境的右侧面，第四散射面为所述矩形测试环境的底面；第五散射面间隔平行于所述第一散射面，所述第五散射面与所述第一散射面形成第一腔体；第六散射面间隔平行于所述第三散射面，所述第六散射面与所述第三散射面形成第二腔体；所述等腰三角形棱柱散射面的底边位于所述第二散射面上，所述第二散射面上设有一通光口。
优选的，所述第一散射面的或所述第三散射面的长度大于所述待测系统的长度2倍。
优选的，所述第五散射面的长度小于等于所述第一散射面长度的3/4。
优选的，所述第二散射面或所述第四散射面的长度满足如下公式L24≥L13×tgθ+D/2，其中，L24为所述第二散射面或所述第四散射面的长度，L13为所述第一散射面或第三散射面的长度，θ为待测系统点源透射比测试的视场角度，D为待测系统入光口直径。
优选的，所述等腰三角形棱柱散射面的顶角与所述待测系统的入光口对齐。
优选的，所述散射面的材料为光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料。
优选的，所述等腰三角形棱柱散射面的材料为光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料。
优选的，所述等腰三角形棱柱散射面的粗糙度均方根优于0.005微米。
优选的，所述散射面的粗糙度均方根优于0.02微米。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供的光陷阱系统采用四个散射面组成测试环境，并在测试环境侧边另设两个散射面而形成腔体，在预定散射面上开设通光口并将等腰三角形棱柱散射面的底边紧贴该预定散射面，使得散射面覆盖待测系统的物方视场。本发明实施例提供的光陷阱系统中背景环境杂散光至少经过六次内壁反射才能返回待测系统的成像视场，具有良好的杂散光抑制效果，从而能达到10-10量级的测试精度。本发明实施例提供的光陷阱系统结构紧凑，从而工程实现难度低且成本低。
附图说明
图1为本发明实施例中提供一种光陷阱系统的结构示意图；
图2为图1所示实施例的工作原理示意图。
附图中的标记说明：
100、光陷阱系统 12、通光口 10、第一散射面
20、第二散射面 30、第三散射面 40、第四散射面
50、第五散射面 60、第六散射面 15、第一腔体
36、第二腔体 70、等腰三角形棱柱散射面
200、待测系统
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
原理说明：
测试点源透射比(PST)时，测试平行光束受到待测系统遮光罩的后向散射，后向散射光束返回测试环境成为主要的背景环境杂散光来源。部分背景环境杂散光经过测试环境的内壁散射后，返回待测系统的成像视场，进而导致点源透射比的测试误差。
本发明实施例提供一种光陷阱系统，该光陷阱系统通过四个散射面和一个等腰三角形棱柱散射面的结构布置有效地增加散射次数，从而有效地抑制背景环境杂散光，提高点源透射比的测试精度。该光陷阱系统包括四个散射面，所述四个散射面组成一用于放置待测系统的测试环境；在组成测试环境与待测系统之间布置两个另外的散射面，用于形成两个对称的腔体；将等腰三角形棱柱散射面的底边紧贴组成所述测试环境的一散射面上，所述散射面覆盖待测系统的物方视场，并且在该散射面上设有一通光口，用于通过测试点源透射比的光束。散射面的具体形状也可根据需求进行变换，具体如矩形散射面、曲面形散射面、棱形散射面等。
下文选取简单且易于工程实施的由4个散射面组成一矩形测试环境作为具体实施例进行详细阐述。如图1所示，本发明实施例中提供一种光陷阱系统的结构示意图。在该实施例中，光陷阱系统100包括组成矩形测试环境左侧的第一散射面10，矩形测试环境右侧的第三散射面30，矩形测试环境顶面的第二散射面20，矩形测试环境底面的第四散射面40；待测系统200放置于该矩形测试环境内，待测系统200的入光口中心与矩形环境的几何中心大体重合；第二散射面20上设有通光口12，通光口12用于通过测试点源透射比的平行光束，且与待测系统200的光轴成一定的测试视场角度；等腰三角形棱柱散射面70的底边紧贴第二散射面20放置，等腰三角形棱柱散射面70的顶角朝向待测系统200并且和待测系统200的入光口中心对齐；第五散射面50平行且间隔地设置在第一散射面10的内侧，与第一散射面10组成第一腔体15。
在优选实施例中，光陷阱系统100还包括第六散射面60，第六散射面60平行且间隔地设置在第三散射面30的内侧，与第三散射面30组成第第二腔体36。优选的，第五散射面50和第六散射面60对称地位于待测系统200的两侧，第一腔体15和第二腔体36的腔体宽度相同。优选的，第一散射面10、第二散射面20、第三散射面30、第四散射面40、第五散射面50和第六散射面60均为矩形散射面。在本发明实施例中，矩形含义包括长宽不等的四边形，也包括长宽相等的四边形；等腰三角形含义包括两腰长度相等的三角形，也包括三边都相等的三角形。
光陷阱系统100的具体几何参数需要依据待测系统200的情况具体确定，因此，不对光陷阱系统100的具体几何参数进行限制。为了有效增加散射次数和提高背景环境杂散光的抑制效果，本实施提供一些光陷阱系统设计的优选条件。
第一散射面10或第三散射面30的长度大于待测系统200沿定义长度方向的长度的两倍。
第二散射面20或第四散射面40的长度应满足式1：
L24≥L13×tgθ+D/2 (式1)
其中，L24为第二散射面20或第四散射面40的长度，L13为第一散射面10或第三散射面30的长度，θ为待测系统200点源透射比测试的视场角度，D为待测系统200入光口直径。
第五散射面50或第六散射面60的长度应小于或等于第一散射面10或第三散射面30的长度的3/4。第五散射面50和第六散射面60紧邻待测系统200的遮光罩外轮廓对称放置。
等腰三角形棱柱散射面70的顶角需要满足如图2所示的边缘光线A1B1和A2B2经过等腰三角形棱柱散射面70和第一散射面10的反射后能够进入第一腔体15的区域内。此时，等腰三角形棱柱散射面70的顶角应满足式2：
其中，ω为等腰三角形棱柱散射面70的顶角，d为A1和B1沿X方向的距离。
如图2所示，为图1所示实施例的工作原理示意图。图2中O1A1和O2A2表示测试平行光束，A1B1和A2B2表示待测系统200物方视场范围内的后向散射边缘光束，A1B1C1D1和A2B2C2D2分别表示待测系统200后向散射边缘光束在光陷阱系统100中的传播路径。由图2可知，待测系统200遮光罩的后向散射光束被等腰三角形棱柱散射面70散射至待测系统200物方视场之外的区域，无法经过一次内壁散射返回待测系统的成像视场。采用式2所示的等腰三角形棱柱散射面70的顶角，可使后向散射光束经等腰三角形棱柱散射面70和第一散射面10反射后进入第一腔体15而难以逸出。背景环境杂散光返回待测系统的成像视场前，需要经过至少6次光陷阱系统的内壁反射，因此能够满足10-10量级的点源透射比测试精度要求。
本发明实施例所示的光陷阱系统100，背景环境杂散光在返回待测系统200的成像视场前，至少经过的6次散射，能够满足10-10的点源透射比测试精度要求。相对于相同的待测系统而言，本发明实施例所提供的光陷阱系统100的尺寸较DCC光陷阱系统减小约1/3，大大节约了试验空间。例如将本实施例的光陷阱系统100应用于外包络尺寸8.5m×2.7m×3.8m的大型太空望远镜的高精度点源透射比测试时，测试面积约为20m×20m＝400m2。
在一优选实施例中，第一散射面10、第二散射面20、第三散射面30、第四散射面40、第五散射面50、第六散射面60和等腰三角形棱柱散射面70均采用光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料制成，具体如光谱吸收率等于90％的黑色亚克力材料、光谱吸收率等于95％的黑色亚克力材料、光谱吸收率等于97％的黑色亚克力材料或光谱吸收率等于98％的黑色亚克力材料。当光陷阱系统100的散射表面采用光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料，背景环境杂散光在返回待测系统200成像视场前每经过一次内壁散射，其辐射能量即被大幅吸收一次，散射次数越多，背景环境杂散光的吸收和抑制效果越好。
在一优选实施例中，第一散射面10、第二散射面20、第三散射面30、第四散射面40、第五散射面50和第六散射面60的粗糙度均方根优于0.02微米，洁净度优于1000级。等腰三角形棱柱散射面70的粗糙度均方根优于0.005微米，洁净度优于500级。该实施例所提供的光陷阱系统100的散射表面具有良好的粗糙度和表面洁净度，近似服从理想镜反射特性，利用光陷阱系统100的散射表面的这一散射特性可以对光陷阱系统100内背景环境杂散光的传输路径进行合理规划，从而增加背景环境杂散光返回待测系统200成像视场前所经过的散射次数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述光陷阱系统包括：
四个散射面组成一测试环境，所述测试环境用于放置待测系统；
所述测试环境与待测系统之间布置两个另外的散射面，用于形成两个对称的腔体；
等腰三角形棱柱散射面，所述等腰三角形棱柱散射面的底边位于组成所述测试环境的一散射面上，所述散射面覆盖待测系统的物方视场；
所述等腰三角形棱柱散射面的底边所位于的散射面上设有一通光口，用于通过测试点源透射比的光束。
2.根据权利要求1所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，
四个散射面组成一矩形测试环境，第一散射面为所述矩形测试环境的左侧面，第二散射面为所述矩形测试环境的顶面，第三散射面为所述矩形测试环境的右侧面，第四散射面为所述矩形测试环境的底面；
第五散射面间隔平行于所述第一散射面，所述第五散射面与所述第一散射面形成第一腔体；
第六散射面间隔平行于所述第三散射面，所述第六散射面与所述第三散射面形成第二腔体；
所述等腰三角形棱柱散射面的底边位于所述第二散射面上，所述第二散射面上设有一通光口。
3.根据权利要求2所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述第一散射面的或所述第三散射面的长度大于所述待测系统的长度2倍。
4.根据权利要求2所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述第五散射面的长度小于等于所述第一散射面长度的3/4。
5.根据权利要求2所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述第二散射面或所述第四散射面的长度满足如下公式
L24≥L13×tgθ+D/2，其中，L24为所述第二散射面或所述第四散射面的长度，L13为所述第一散射面或第三散射面的长度，θ为待测系统点源透射比测试的视场角度，D为待测系统入光口直径。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述等腰三角形棱柱散射面的顶角与所述待测系统的入光口对齐。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述散射面的材料为光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述等腰三角形棱柱散射面的材料为光谱吸收率大于等于90％的黑色亚克力材料。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述等腰三角形棱柱散射面的粗糙度均方根优于0.005微米。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种用于点源透射比测试的光陷阱系统，其特征在于，所述散射面的粗糙度均方根优于0.02微米。
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