CN110879134A - 一种点源透过率测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学系统杂散光测试领域，涉及一种用于光学系统点源透过率测试系统，以解决PST测试精度受杂光影响的问题。包括光源、平行光管及测试腔体，还包括设置在平行光管出光口与测试腔体入光口之间的可变光阑装置；可根据被测相机口径以及测试角度选择合适的光阑大小，以屏蔽测试孔径之外的入射光柱，减少杂光辐射量，同时设计用于点源透过率测试的双球型腔体，其横竖截面与双圆柱型腔体相同，该腔体结构的截面在方位和俯仰上同时兼顾双圆柱型腔体的消光优点，使得相机测试角度为非水平方向时，腔体内壁反射光线经过多次反射后，能够进入到相机内部的杂光几乎可以忽略向完全不受限，保证杂光测试的顺利进行。

Description

一种点源透过率测试系统

技术领域

本发明属于光学系统杂散光测试领域，涉及一种用于光学系统点源透过率测试系统，可有效屏蔽点源透过率测试过程中的环境杂散光以及屏蔽测试孔径之外的入射光柱，减少杂光辐射量。

背景技术

空间光学系统在轨工作时，受到来自太阳直射、地球漫反射等杂散光源的影响，因此在投入运行之前，必须在地面上对其进行杂光测试以评估其杂光抑制能力，点源透过率(PST)是目前常用的评价指标。

图1为点源透过率测试光路原理图，平行光束入射到相机进光口时，在相机探测面上得到的信号除了经过相机本身杂光抑制衰减之后的能量(即反映被测相机本身杂光抑制能力，也是我们需要探测的能量)，还叠加了一层由于其他途径进入相机的噪声能量，这些途径包括：(1)光源照射或散射到实验室墙壁以及地面引起的反射；(2)相机遮光罩外壁被平行光照射后引起的二次反射；(3)空气微粒引起的散射。

通过以上途径进入相机的能量我们称之为噪声，这些噪声在像面上的叠加降低了测试信噪比，影响PST测试精度及测试阈值，因此必须采取措施予以抑制。对于途径(1)和(2)引起的噪声，通常是将被测相机放置在一独立的测试腔体内，以屏蔽外界环境中的反射光；对于途径(3)引起的噪声，通过提高空气洁净度来减小。

目前最先进的测试腔体为双圆柱型结构，该结构具体公开在申请号为2017113524719的专利中。其结构如图2所示，腔体内壁材料使用具有高吸收率(优于95％)和低散射率(低于1％)的亚克力板，该结构两个对称的内壁分别对应两个不同的圆心C1和C2，两圆心分开一定距离，相机置于二者中间，如果一束杂散光线经过或靠近其中一个圆心C1，则经C1圆柱内壁反射后到达对面的内壁，由于C1和C2不重合，则二次反射光线肯定不会按原路返回，经过多次反射后，能够进入到相机内部的杂光几乎可以忽略。

然而，双圆柱型腔体结构在被测相机测试角度为方位水平方向进行时，可以有效抑制背景杂光，在被测相机进行俯仰角度的测试时，一次反射的杂散光线仍然存在很大几率直接进入到相机入瞳，因为在双圆柱型腔体的俯仰截面并不满足前述两离心圆的几何消杂光原理，因此使用双圆柱型腔体测试时，相机仅仅只能保证在方位方向进行偏转角度下的PST测量(方位方向是：以图1中图纸平面的法线为旋转轴，方位方向位于图纸平面，与法线垂直，即被测相机由图1中的实线转到虚线，转动方向即为方位方向)，俯仰或者其余方向的测量则无法兼顾，对于光轴对称设计的相机而言，仅仅进行方位方向的PST测量已经足够，双圆柱型腔体完全可以满足需求，但是对于光轴非对称设计的相机而言，双圆柱型腔体在测试上仍然有局限性。

且在工程应用中，实际进入到测试腔体的激光光柱尺寸主要由平行光管出瞳口径决定，同时通过测试腔进光口进入的激光能量柱由于在尺寸上必须完全覆盖被测相机的口径，因此被测相机在测试腔体内接收到的能量除了经过相机遮光罩本身衰减后进入的部分之外，还包括入射能量柱多余部分在腔体内反射进入相机的能量，这部分能量的产生，会降低PST测试的阈值，给正常测试造成干扰，使得测试值永远比实际值大，另外由于PST测试需要测试不同角度的数值，随着相机的转动，在大角度测试时相机入瞳截面为椭圆形状，此时入射能量柱的多余部分面积更大，对相机PST数值的影响也越大，尤其是在瑞利散射量级的PST测试(10^-8量级)时，入射能量柱的多余部分对系统PST测试的影响是颠覆性的。

发明内容

本发明的目的是提供一种点源透过率测试系统，以解决通过测试腔进光口进入的多余激光能量柱，对PST测试的影响以及双圆柱型腔体结构在被测相机测试角度为非水平方向的测量时，一次反射的杂散光线仍然存在很大几率直接进入到相机入瞳，影响PST测试精度的问题。本发明设计了一种可变光阑装置，可根据被测相机口径以及测试角度选择合适的光阑大小，以屏蔽测试孔径之外的入射光柱，减少杂光辐射量，同时设计用于点源透过率测试的双球型腔体，其横竖截面与双圆柱型腔体相同，该腔体结构的截面在方位和俯仰上同时兼顾双圆柱型腔体的消光优点，使得相机测试角度为非水平方向时，腔体内壁反射光线经过多次反射后，能够进入到相机内部的杂光几乎可以忽略向完全不受限，保证杂光测试的顺利进行。

本发明的技术解决方案是提供一种点源透过率测试系统，包括光源、平行光管及测试腔体，其特殊之处在于：还包括设置在平行光管出光口与测试腔体入光口之间的可变光阑装置；

上述测试腔体为双球型腔体，包括密封腔体；所述密封腔体由两个半球壳相对接而成，所述两个半球壳的球心均位于密封腔体内部，且两个半球壳的球心之间用于放置被测相机；在两个半球壳对接中心、距离地面一定高度处设有入光口，与入光口相对的两个半球壳对接处设有光陷阱；

所述可变光阑装置包括叠层光阑与推拉光阑；

所述叠层光阑包括至少两个挡板，所述挡板上开有通光孔，每个挡板的通光孔口径不同；各挡板叠层设置且确保各个通光孔同心；

所述推拉光阑包括两块平板，两块平板位于同一平面内且能够在该平面内相对或相向平移，两块平板的相对处设有弧形凹部；两块平板相接触即推拉光阑闭合时，相对处形成关于接触面对称的狭缝；

所述推拉光阑与叠层光阑平行设置且与光束传播方向相垂直，所述通光孔、狭缝与测试腔体入光口同轴，光源发出的光经平行光管出射后，经过可变光阑装置后通过入光口进入测试腔体。

进一步地，所述两个半球壳相互对称；所述通光孔为圆形；所述两块平板为相互对称的矩形平板。

进一步地，弧形凹部设置在平板长边上；所述推拉光阑还包括推拉槽，矩形平板能够沿推拉槽平移。

进一步地，所述叠层光阑与推拉光阑的尺寸满足如下约束条件：

Φ≥d，Φ1≥d1；

L≥Φ1，W≥Φ1；

L0≥Φ1；

其中，Φ为最大通光孔直径，d为入射能量柱最大直径，Φ1为针对最大口径被测相机的次大通光孔直径，d1为被测相机最大口径，L为推拉光阑的长边尺寸，W为推拉光阑闭合后的宽边尺寸，S为推拉光阑的推拉槽长度，L0为推拉光阑闭合后的狭缝长度。

进一步地，Φ与Φ1还满足如下约束：

Φ≤d+20，Φ1≤d1+20。

进一步地，Φi满足如下约束：

di≤Φi≤di+20；

其中i为2至n的正整数，n为挡板的数量，Φi为针对第i个被测相机的通光孔直径，di为第i个被测相机的口径。

进一步地，推拉光阑弧形凹部的曲率半径R0满足如下约束：

R0≥2Φ1。

进一步地，所述密封腔体的结构尺寸满足如下约束条件：

l＝2r+Δr≤J

2r≤M

其中a为被测相机的最大口径；h为平行光管中心高度；J为实验室的长度，M为实验室的宽度，H为实验室的高度；r为半球壳半径，Δr为两个半球壳的球心之间的距离，l为两个半球球心之间的间隔。

为了进一步地消除杂散光，所述挡板、平板及密封腔体的内壁材料均采用黑色亚克力板。

进一步地定义光束先经过的位置为前部；

所述叠层光阑中的各个挡板按照通光孔口径从大到小依次叠层设置；通光孔口径最小的挡板位于最前部；

所述推拉光阑位于叠层光阑的前部。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对PST测试系统光路工作的特点，在传统挡板结构光阑使用经验的基础上，利用了黑色亚克力材料表面的高吸收、低散射特性，设计了一种可变光阑装置，其叠层光阑的设计保证了有效通光区域能量无遮挡，多余能量几乎完全屏蔽，可针对不同口径相机进行设置更换，测试适应性强；推拉光阑配合叠层光阑使用，对入射能量柱边缘进行类椭圆遮挡，用来对相机大角度测试条件下的入射光柱进行边缘遮挡，进一步滤除有效测试区域之外的光能量，从而提高相机PST在大角度条件下的测试阈值。对于PST测试系统而言，可变光阑装置的使用是保证测试数据准确性的必备条件。

2、同时本发明在双圆柱型腔体的基础上，针对非对称相机PST的测试需求，利用球体在俯仰和方位方向截面相同的特点，设计了一种用于PST测试的双球型腔体，该腔体利用各截面双球心分离的几何特点，有效保证被测相机在各角度方向测试时，表面反射杂光光线至少经过两次以上反射才能进入相机本体，使腔体内部光线路径具备可控的优势，相比于传统双圆柱型测试腔体，相机测试角度方向完全不受限，保证了杂光测试的顺利进行。

附图说明

图1为点源透过率测试光路原理图；

图2为本发明实施例点源透过率测试系统原理图；

图3为本发明实施例叠层光阑结构示意图；

图4为本发明可变光阑装置遮挡原理图；

图5为本发明推拉光阑结构示意图；

图6为本发明可变光阑遮光原理图；

图7为本发明双球型腔体三维模型图；

图8为本发明双球型腔体横纵截面及消光原理示意图；

图中附图标记为：1-光源，2-平行光管，3-测试腔体，4-被测相机，5-光陷阱，6-可变光阑，7-入光口；

11-叠层光阑，12-推拉光阑，13-狭缝，14-推拉槽，15-平板长边；

21-第一挡板，22-第二挡板，23-第三挡板，24-第四挡板，25-第四通光孔，26-底板；

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地描述。

从图2可以看出，本实施例点源透过率测试系统包括沿光路依次设置的光源、平行光管、可变光阑及测试腔体，被测相机位于测试腔体内部。

本实施例整个可变光阑分为两个部分，其中图3所示同心圆部分称之为“叠层光阑”，方形部分称为“推拉光阑”。

如图4，叠层光阑主要通过设置一系列同心圆形通光孔来对入射能量柱进行遮挡，用来匹配不同口径的测试相机在小角度条件下的PST测试。本实施例中叠层光阑包括五块圆形挡板，分别为底板26、第四挡板24、第三挡板23、第二挡板22及第一挡板21，且第四挡板24、第三挡板23、第二挡板22、第一挡板21及底板26从上至下依次叠层设置，每一个挡板上均开设通光孔，各个通光孔构成一系列同心圆。因叠层原因，图4中只能看出第四挡板24上的通光孔25。其他实施例中挡板数量可根据需求设定。

如图5，本实施例推拉光阑主要由两块对称的矩形平板组成，两块平板位于同一平面内且能够在平面内平移，两块平板相对的两个长边处具有弧形凹部，当两块平板相对的长边相互接触时，也可以将该状态定义为推拉光阑的闭合状态，在两块平板的接触处形成类椭圆形狭缝。推拉光阑主要通过两个平移推拉的平板，在叠层光阑基础上，对入射能量柱边缘进行类椭圆(近似椭圆)遮挡，用来匹配相机大角度条件下的PST测试，两种光阑组成整个可变光阑装置，对入射能量柱的遮拦光路如图6所示，当入射光束相对相机近似正入射时，此时主要通过叠层光阑对大于相机口径外的光线进行遮挡，如图6所示最上和最下边缘阴影区域即为叠层光阑遮挡区域，当相机转动某一角度后，由于相机进光口截面相对入射光柱的方向为椭圆面，叠层光阑的圆形形状只能对椭圆的长轴方向进行遮挡，短轴方向无法完全遮挡，因此此时需要通过推拉光阑对椭圆截面的短轴方向进行补充遮挡，如图6所示中间阴影区域即为推拉光阑的遮挡区域，该区域随着相机转动角度增大，通过推拉光阑的相向运动而增加，反之减小当相机转到极限角度90°时，推拉光阑完全闭合。

本实施例整个可变光阑均采用与测试腔内壁材料相同的黑色亚克力来实现，该材料具有高吸收率(优于95％)和低散射率(低于1％)的特点。

如图3所示，可变光阑装置设计时，需获得如下参数：1)入射能量柱最大直径d；2)被测相机最大口径d1。根据图3和图5所示标注的符号，设叠层光阑底板26、第一挡板21、第二挡板22、第三挡板23及第四挡板24上的通光孔所对应的直径分别为Φ，Φ1，Φ2，Φ3，Φ4等，其中Φ为光阑支撑结构底板的最大开孔直径，Φ1为针对最大口径相机的光阑开口直径，Φ2，Φ3等为针对其余不同口径相机的开口直径，L为推拉光阑的长边尺寸，W为推拉光阑闭合时的宽边尺寸，S为推拉光阑的推拉槽长度，L0为推拉光阑闭合后的狭缝长度，R0为推拉光阑弧形边长的曲率半径。

按照上述约定的符号定义，根据几何关系，可以得到如下约束不等式：

Φ≥d，Φ1≥d1 公式(1)

L≥Φ1，W≥Φ1 公式(2)

L0≥Φ1 公式(5)

根据上述公式约束得到各尺寸的数据区间，然后在最节省材料的基础上做出选择，其中，公式(1)中限制了光阑支撑结构底板的最大开孔直径Φ和针对最大口径相机的光阑开口直径Φ1，在工程设计中，除了保证光阑开孔不得遮挡有效光束之外，还必须考虑开孔过大造成的遮拦作用的丧失，因此根据实践经验，光阑开孔直径相比于有效光柱直径在单边余量上不超过10mm，因此公式(1)修改如下公式(6)：

d≤Φ≤d+20，d1≤Φ1≤d1+20 公式(6)

上述公式(6)即为光阑开孔满足工程经验的约束条件，Φ2，Φ3等针对其余不同口径相机的开口直径在约束上与Φ1相同，即d2≤Φ2≤d2+20，关于Φ3Φ4这里不再赘述。

如图5所示，推拉光阑弧形凹部的曲率半径R0的设置主要是为了在推拉移动过程中使得光阑的通光孔径保持类椭圆的通光，与相机偏转角度后的截面形状尽可能匹配，从而最大限度的滤除入射能量柱多余部分，R0的尺寸限制没有准确的约定范围，本专利中根据项目研制经验，暂定R0需满足如下公式(7)范围：

R0≥2·Φ1 公式(7)

需要理解的是，本实施例中方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图7所示，本发明双球型腔体采用两个对称的半球壳对接而成，对接后两个半球壳的球心均位于双球型腔体内部，其中在两个球壳对接中心，距离地面一定高度处设计有进光口，与进光口相对的对面设有光陷阱，两个开口圆孔同轴，在工程使用中，将该双球型腔体简称为“双球罐”。

如图8所示，该腔体结构的截面在方位和俯仰上均与双圆柱型腔体的横截面相同，双球型腔体内壁材料使用强吸收黑色亚克力板，该腔体结构的截面在方位和俯仰上同时兼顾双圆柱型腔体的消光优点，两个对称的球壳分别对应两个不同的球心C1和C2，两球心分开一定距离，被测相机置于二者中间，如果一束杂散光线经过或靠近其中一个球心C1，则经C1球壳内壁反射后到达对面的内壁，由于C1和C2不重合，则二次反射光线肯定不会按原路返回，经过多次反射后，能够进入到相机内部的杂光几乎可以忽略。

如图8所示，双球型腔体设计时，需获得如下参数：1)被测相机最大口径a；2)平行光管中心高h；3)实验室尺寸长J宽M高H。设双球型腔体球壳半径为r，双球心距离为Δr，则根据几何关系，可以得到如下约束不等式：

l＝2r+Δr≤J 公式(8)

2r≤M 公式(10)

其中：公式(9)中，双球心距与相机最大口径比值要求大于等于3，该数值为仿真结果的近似值，经过工程实践证明是有效且可靠的，在实验室尺寸足够的情况下，该数值应尽量大一些。

根据公式(8)(9)(10)，可以得到双球型腔体两个最关键的参数，即半径r和双球心距Δr，需要注意的是，在实验室尺寸允许的条件下，这两个参数应该尽量取大一些，其他参数如下：1)双球型腔体开口直径Φ₀大于等于平行光管出光口径；2)双球型腔体中心高h₀等于平行光管中心高h；3)双球型腔体外轮廓高度H₀小于实验室高度H。

双球型腔体设计好之后，其内壁统一采用黑色亚克力板拼接，亚克力板表面粗糙度要求低于5nm，保护膜应保证在安装结束之后才能够去除，以防止划伤，结构设计时，内壁尺寸统一为正公差。

Claims (10)

1.一种点源透过率测试系统，包括光源、平行光管及测试腔体，其特征在于：还包括设置在平行光管出光口与测试腔体入光口之间的可变光阑装置；

所述测试腔体为双球型腔体，包括密封腔体；所述密封腔体由两个半球壳相对接而成，所述两个半球壳的球心均位于密封腔体内部，且两个半球壳的球心之间用于放置被测相机；在两个半球壳对接中心、距离地面一定高度处设有入光口，与入光口相对的两个半球壳对接处设有光陷阱；

所述可变光阑装置包括叠层光阑与推拉光阑；

所述叠层光阑包括至少两个挡板，所述挡板上开有通光孔，每个挡板的通光孔口径不同；各挡板叠层设置且确保各个通光孔同心；

所述推拉光阑包括两块平板，两块平板位于同一平面内且能够在该平面内相对或相向平移，两块平板的相对处设有弧形凹部；两块平板相接触即推拉光阑闭合时，相对处形成关于接触面对称的狭缝；

所述推拉光阑与叠层光阑平行设置且与光束传播方向相垂直，所述通光孔、狭缝与测试腔体入光口同轴，光源发出的光经平行光管出射后，经过可变光阑装置后通过入光口进入测试腔体。

2.根据权利要求1所述的点源透过率测试系统，其特征在于：所述两个半球壳相互对称；所述通光孔为圆形；所述两块平板为相互对称的矩形平板。

3.根据权利要求2所述的点源透过率测试系统，其特征在于：弧形凹部设置在平板长边上；所述推拉光阑还包括推拉槽，矩形平板能够沿推拉槽平移。

4.根据权利要求3所述的点源透过率测试系统，其特征在于：所述叠层光阑与推拉光阑的尺寸满足如下约束条件：

Φ≥d，Φ1≥d1；

L≥Φ1，W≥Φ1；

L0≥Φ1；

其中，Φ为最大通光孔直径，d为入射能量柱最大直径，Φ1为针对最大口径被测相机的次大通光孔直径，d1为被测相机最大口径，L为推拉光阑的长边尺寸，W为推拉光阑闭合后的宽边尺寸，S为推拉光阑的推拉槽长度，L0为推拉光阑闭合后的狭缝长度。

5.根据权利要求4所述的点源透过率测试系统，其特征在于，Φ与Φ1还满足如下约束：

Φ≤d+20，Φ1≤d1+20。

6.根据权利要求5所述的点源透过率测试系统，其特征在于，Φi满足如下约束：

di≤Φi≤di+20；

其中i为2至n的正整数，n为挡板的数量，Φi为针对第i个被测相机的通光孔直径，di为第i个被测相机的口径。

7.根据权利要求4所述的点源透过率测试系统，其特征在于，推拉光阑弧形凹部的曲率半径R0满足如下约束：

R0≥2Φ1。

8.根据权利要求4所述的点源透过率测试系统，其特征在于，所述密封腔体的结构尺寸满足如下约束条件：

l＝2r+Δr≤J

2r≤M

其中a为被测相机的最大口径；h为平行光管中心高度；J为实验室的长度，M为实验室的宽度，H为实验室的高度；r为半球壳半径，Δr为两个半球壳的球心之间的距离，l为两个半球球心之间的间隔。

9.根据权利要求1所述的点源透过率测试系统，其特征在于：所述挡板、平板及密封腔体的内壁材料均采用黑色亚克力板。

10.根据权利要求8所述的点源透过率测试系统，其特征在于：定义光束先经过的位置为前部；

所述叠层光阑中的各个挡板按照通光孔口径从大到小依次叠层设置；通光孔口径最小的挡板位于最前部；

所述推拉光阑位于叠层光阑的前部。

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