CN108036928B - Pst测试中入瞳电压值标定方法、系统及pst测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学系统杂散光测试领域，具体涉及PST测试中入瞳电压值标定方法、系统及PST测试系统。通过将标准激光光源耦合进积分球中，从积分器出射的光束经过斩波器、离轴抛光管后进入PMT探测器；结合星点直径及积分球出光口处的辐亮度，计算经过离轴抛光管出射的辐照度；通过锁相放大器，测得此时PMT探测器输出电压值；更换不同孔径的星点板，重复上述步骤，得到多组不同的(U，E)点；根据辐照度和PMT输出电压的对应关系计算得到PMT探测器在增益M1下的响应度；PST测试时，结合平行光管出光口的照度及PMT探测器在增益M1下的响应度计算待测光学系统入瞳孔径处的电压值。解决了使用衰减片或计算标定时，入瞳电压难以准确获取的问题。

Description

PST测试中入瞳电压值标定方法、系统及PST测试系统

技术领域

本发明属于光学系统杂散光测试领域，具体涉及光学相机点源透过率(PST)测试过程中被测相机入瞳处光强值的标定方法及系统。

背景技术

点源透过率(PST)是光学系统杂光抑制能力的重要评价指标，光学系统尤其是空间光学系统投入运行之前，在地面实验室对其进行PST指标测试已经是不可省略的测试环节。

图1为点源透过率测试光路原理图，平行光束入射到被测相机进光口时，在相机焦面上得到的信号为经过相机本身杂光抑制衰减之后的能量，将该能量与相机入瞳处能量进行比较，即可得到所谓PST值，该值大小反映了被测相机的杂光抑制能力，实际测试过程中，相机焦面位置放置PST测试系统的标准探测器，探测器通过结构限位来保证安装精度。PST测试系统标准探测器通常使用高灵敏度的PMT器件，其探测能量大小通过输出电压值来表示，为了保证PST测试兼具大动态范围测量的特点，PMT的放大器电路在设计时会使用多个高压档位，高压电压值由低到高可分为M1，M2……，高压越低，探测器越不灵敏，可直接探测的光能量越强。标准探测器这样设计就会面临两个问题：1)各高压之间切换倍率标定问题，即探测器在不同放大倍率下探测曲线如何拼接的问题；2)高压电压值为M1条件下，相机入瞳电压的标定问题。第一个问题可以在标准光源下直接进行标定，本专利主要解决第二个问题。

按照PMT的基本参数特性，其自身探测动态范围约为10³量级，每一级高压增益下进行光能探测，有效输出电压范围在1mV～10V之间，即输出动态范围为10⁴，因此整个PMT能够发挥的极限探测动态范围最多不超过10⁷量级，对于PST杂散光测试而言，设计上都力求探测到更低量级，因此在入射光源的选择上，都会尽量选择高功率的激光器，按照前面的估算，在M1高压增益下，激光器满功率直接照射PMT靶面上，输出电压(即入瞳电压)为10V时，整个系统的PST探测极限为10^-7量级。

工程实际中，空间光学系统的PST一般要求为10^-10甚至更低，为了保证PMT能够探测到最弱能量，就需要更换更高功率的激光器，这时候同样在M1高压增益下，探测器入瞳电压将达到10000V以上，如此大的输出，未避免探测器饱和，标定时通常采取的措施是在探测器前加上衰减片，按照预估，衰减片倍率至少需要1000倍以上才能保证探测器不饱和，而现有的能够精确标定衰减片衰减倍率的测试设备精度最高只能到0.5％，低于1％的衰减倍率使用测试设备无法精确标定，因此入瞳电压通过衰减片标定无法准确获得。

发明内容

本发明的目的是提供一种点源透过率测试中入瞳电压值标定方法、系统，同时提供一种具有该标定系统的PST测试系统，解决了使用衰减片或计算标定时，入瞳电压难以准确获取的问题。

本发明的技术解决方案是提供一种PST测试中入瞳电压值标定方法，包括以下步骤：

步骤一：将PMT探测器的高压增益调节至M1；

步骤二：将标准激光光源耦合进积分球中；测定积分球出光口处的辐亮度L；

步骤三：从积分球出射的光束经过斩波器、离轴抛光管后进入PMT探测器；离轴抛光管的焦面处设置星点板，结合星点直径及积分球出光口处的辐亮度L，计算经过离轴抛光管出射的辐照度E；

步骤四：通过锁相放大器，测得此时PMT探测器输出电压值为U；

步骤五：更换不同孔径的星点板，重复步骤一至步骤四，得到多组不同的(U，E)点；

步骤六：根据辐照度E和PMT输出电压U的对应关系计算得到PMT探测器在增益M1下的响应度R；

步骤七：PST测试时，结合平行光管出光口的照度Eˊ及PMT探测器在增益M1下的响应度R计算待测光学系统入瞳孔径处的电压值Uˊ＝EˊR。

优选地，通过辐亮度计测定积分球出光口处的辐亮度L。

优选地，步骤六具体为：使用线性公式拟合不同的(U，E)，得到斜率值即为PMT探测器在增益M1下的响应度R。

优选地，离轴抛光管出射的辐照度E通过公式(1)计算：

式中，m为锁相放大器的直流/交流转换系数，τ为离轴抛光管透过率，f为离轴抛光管焦距，为星点板星点直径。

本发明还提供一种PST测试中入瞳电压值标定系统，其特殊之处在于：沿光路依次设置激光器、积分球、斩波器、离轴抛光管及PMT探测器；

还包括锁相放大器与设置在离轴抛光管焦面处的星点板；

上述锁相放大器与PMT探测器及斩波器电连接；

激光器光束耦合进积分球，积分球的出射光依次经过斩波器、离轴抛光管后进入PMT探测器。

本发明还提供一种PST测试系统，其特殊之处在于：包括上述的入瞳电压值标定系统，上述PMT探测器位于待测相机焦面位置。

本发明的有益效果是：

PST测试时，探测器测量被测系统入瞳的电压非常高，因此必须通过使用衰减片或计算标定的方法来间接获得，由于高衰减条件下，衰减片的衰减率无法精确测定，使用衰减片容易引入非常大的误差。

而本发明提出的方法中，星点孔直径的测量精度可达到微米级，同时辐亮度计测试精度可达万分之一，通过采集多个点来计算拟合探测器的响应度是准确可靠的，可确保计算得到的入瞳电压值的准确性，根据工程实践，标定得到的入瞳电压误差在1.2倍以内，远远超过使用衰减片标定的精度。

附图说明

图1为点源透过率测试原理图；图中，11-光源，12-平行光管，13-测试腔，14-光陷阱，15-被测相机；

图2为本发明PMT标定光路原理图；

图中附图标记为：1-激光器，2-积分球，3-斩波器，4-星点板，5-离轴抛光管，6-PMT探测器，7-锁相放大器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

从图2中可以看出，点源透过率测试中入瞳电压值标定系统主要包括沿光路依次设置的激光器1、积分球2、斩波器3、星点板4、离轴抛光管5及PMT探测器6；星点板4设置在离轴抛光管5焦面处；还包括锁相放大器7，锁相放大器7与PMT探测器6及斩波器3电连接。其中锁相放大器7和斩波器3的使用是为了与杂散光测试保持一致，即PMT探测到的光能量是经过斩波之后的交流信号。

利用上述标定系统标定入瞳电压的具体操作步骤如下：

1)将PST标准激光器光束耦合进积分球，确保激光器和积分球相对固定，使用辐亮度计测量积分球出光口辐亮度，得到辐亮度L，注意整个光路需放置在暗室进行；

2)将斩波器，离轴抛光管按照图2所示顺序依次放置在积分球出光口附近，星点板放在离轴抛光管焦面处，探测器放置在光管出光口附近；

3)将星点直径为的φ₁星点板置于离轴抛光管焦面上，已知离轴抛光管焦距为f，透过率为τ；

4)开启斩波器和锁相放大器，此时探测器输出电压值可在锁相放大器上得到，为U₁；

5)根据公式(1)计算得到离轴抛光管出光口辐照度为E₁，其中m为锁相放大器的直流/交流转换系数：

6)更换不同孔径的星点，重复上述步骤1)至步骤5)，得到(U₁,E₁)，(U₂,E₂)，……(U_i,E_i)，条件允许的话，应该尽量多测试几个点；

7)使用线性公式拟合U_i和E_i，得到斜率值，即为PMT探测器的响应度R；

8)实际PST测试时，先使用功率计测试平行光管出光口的照度E′，则被测光学系统入瞳孔径处的电压值为U′＝E′R。

以上即为点源透过率测试过程中入瞳电压标定的全部过程。

Claims (4)

1.一种PST测试中入瞳电压值标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将PMT探测器的高压增益调节至M1；

步骤二：将标准激光光源耦合进积分球中；测定积分球出光口处的辐亮度L；

步骤三：从积分球出射的光束经过斩波器、离轴抛光管后进入PMT探测器；离轴抛光管的焦面处设置星点板，结合星点直径及积分球出光口处的辐亮度L，计算经过离轴抛光管出射的辐照度E；

步骤四：通过锁相放大器，测得此时PMT探测器输出电压值为U；

步骤五：更换不同孔径的星点板，重复步骤一至步骤四，得到多组不同的(U，E)点；

步骤六：根据辐照度E和PMT输出电压U的对应关系计算得到PMT探测器在增益M1下的响应度R；

步骤七：PST测试时，结合平行光管出光口的照度Eˊ及PMT探测器在增益M1下的响应度R计算待测光学系统入瞳孔径处的电压值Uˊ＝EˊR。

2.根据权利要求1所述的PST测试中入瞳电压值标定方法，其特征在于：通过辐亮度计测定积分球出光口处的辐亮度L。

3.根据权利要求2所述的PST测试中入瞳电压值标定方法，其特征在于：步骤六具体为：使用线性公式拟合不同的(U，E)，得到斜率值即为PMT探测器在增益M1下的响应度R。

4.根据权利要求1-3任一所述的PST测试中入瞳电压值标定方法，其特征在于：离轴抛光管出射的辐照度E通过公式(1)计算：

式中，m为锁相放大器的直流/交流转换系数，τ为离轴抛光管透过率，f为离轴抛光管焦距，为星点板星点直径。