CN111487040A - 一种光学系统的点源透射比测量方法及系统 - Google Patents

一种光学系统的点源透射比测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学系统的点源透射比测量方法，包括通过激光光源产生脉冲激光光束向待测光学系统的光线入口入射；探测光学系统的焦面位置的焦面辐照度峰值；通过激光光源产生连续激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口入射，其中，脉冲激光光束的功率和连续激光光束的功率相等；透过衰减片探测光学系统的入瞳位置的入瞳辐照度平均值；根据辐照峰值信号和辐照平均值信号获得点源透射比。本申请中采用脉冲激光和连续激光作为测试激光，缩小焦面辐照度和入瞳辐照度测量的的数量级差距，降低了衰减片的衰减倍率，提高点源透射比的测量精度。本申请还提供了一种光学系统的点源透射比测量系统，具有上述有益效果。

Description

一种光学系统的点源透射比测量方法及系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种光学系统的点源透射比测量方法及系统。
背景技术
点源透射比定义为光学系统有效视场外某一视场角的平行光辐射，经光学系统后在像面产生的辐照度与其在光学系统入瞳处的辐照度的比值，是评价光学系统杂散光抑制能力的重要指标，在天文望远镜、星敏感器等暗弱目标探测光学系统中有着重要的应用，点源透射比的高精度定量化测量是评估光学系统性能的重要手段。
目前国内的高精度点源透射比测量设备的测量能力一般在10-8量级。由于单个光电探测器难以达到108量级的动态范围，因此目前的高精度点源透射比测试设备均采用高倍率的中性密度滤光片作为测量基准。测量光学系统焦面照度时，采用探测器直接测量；测量光学系统入瞳位置照度时，在探测器前加装固定倍率的衰减片，使得探测器处光信号仍然处于线性测量范围之内。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学系统的点源透射比测量方法和系统，能在一定程度上避免衰减片的衰减倍率过高对点源透射比的测量精度的影响，并扩大了对点源透射比的测量范围。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光学系统的点源透射比测量方法，包括：
通过激光光源产生脉冲激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射；
探测所述待测光学系统的焦面位置的辐照度，记录光电探测器探测的焦面辐照度峰值；
通过激光光源产生连续激光光束，以大于所述待测光学系统视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射，其中，所述脉冲激光光束的功率和所述连续激光光束的功率相等；
透过衰减片探测所述待测光学系统的光线入口对应的多个入瞳位置点的辐照度，获得入瞳辐照度平均值；
根据所述焦面辐照度峰值和所述入瞳辐照度平均值以及所述衰减片的衰减倍率，获得所述待测光学系统的点源透射比。
在本申请的一种可选地实施例中，根据所述焦面辐照度峰值和所述入瞳辐照度平均值以及所述衰减片的衰减倍率，获得所述待测光学系统的点源透射比，包括：
将探测获得的各个入瞳位置对应的辐照度平均值信号进行平均值运算，获得入瞳辐照度平均值Eic；
根据点源透射比公式：
Figure BDA0002469481930000021
获得所述待测光学系统的点源透射比；其中，Ef为所述焦面辐照度峰值，Eic为所述入瞳辐照度平均值，B为所述衰减片的衰减倍率，f为所述脉冲激光光束的频率，t为所述脉冲激光光束的脉冲宽度。
本申请还提供了一种光学系统的点源透射比测量系统，包括：
用于产生脉冲激光光束的脉冲激光器；
用于产生和所述脉冲激光光束相同功率的连续激光光束的连续激光器；
用于使所述脉冲激光光束和所述连续激光光束分别形成平行光，并均以大于待测光学系统的视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射的平行光管；
用于当所述脉冲激光光束形成的平行光向所述待测光学系统的光线入口入射时，探测所述待测光学系统的焦面位置的辐照度，生成焦面辐照度峰值的第一光电探测器；
用于对所述待测光学系统的入瞳位置光照度进行衰减的衰减片；
用于当所述脉冲激光光束形成的平行光向所述待测光学系统的光线入口入射时，透过衰减片探测所述待测光学系统的光线入口对应的多个入瞳位置点的辐照度，获得所述待测光学系统的入瞳辐照度平均值的第二光电探测器；
用于根据所述焦面辐照度峰值、所述衰减片的衰减倍率以及多个入瞳位置的所述辐照平均值，获得点源透射比的处理器。
在本申请的一种可选地实施例中，所述脉冲激光器和所述连续激光器为同一个激光器，其中所述激光器可进行脉冲激光模式和连续激光模式的切换。
在本申请的一种可选地实施例中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器为同一个光电探测器。
在本申请的一种可选地实施例中，还包括设置在所述待测光学系统入瞳位置的二维平移台，用于带动所述第二光电探测器移动至多个不同的入瞳位置点。
本发明所提供的一种光学系统的点源透射比测量方法，包括通过激光光源产生脉冲激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口入射；探测待测光学系统的焦面位置的辐照度，记录光电探测器探测的焦面辐照度峰值；通过激光光源产生连续激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口入射，其中，脉冲激光光束的功率和连续激光光束的功率相等；透过衰减片探测待测光学系统的光线入口对应的多个入瞳位置点的辐照度，获得入瞳辐照度平均值；根据焦面辐照度峰值和入瞳辐照度平均值以及衰减片的衰减倍率，获得待测光学系统的点源透射比。
本申请中在光学系统的点源透射比的测量过程中，先采用脉冲激光产生的平行光，作为产生辐照度的光源，测得待测光学系统的焦面位置上的焦面辐照度峰值，而采用和脉冲激光同样功率大小的连续激光产生的平行光作为产生辐照度的光源，测得待测光学系统的整个入瞳面区域的入瞳辐照平均值。因为焦面辐照度峰值相对于焦面位置的辐照平均值信号相当于扩大了一定的倍率，也即是缩小了探测的焦面位置的辐照度信号和入瞳位置的辐照度信号之间的数量级；那么在获得入瞳辐照度平均值时，所使用的衰减片的衰减倍率就可以适当减小，进而在一定程度上降低了衰减片的衰减倍率过高对点光源透射比产生的影响，同时也可以提高对光学系统的点源透射比进行测量的测量范围。
本申请还提供了一种光学系统的点源透射比测量系统，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的光学系统的点源透射比测量方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的点源透射比的测量系统光路示意图。
具体实施方式
测量光学系统的点源透射比需要测量光源照射到待测系统入瞳位置的辐照度以及在焦面位置产生的杂散光的辐照度。在常规的测量方法中，两个位置的辐照度均是在相同光源照射的情况下测量的。
为保证入瞳位置和焦面位置的辐照度值均在光电探测器的线性测量范围内，就需要在测量入瞳位置辐照度时，在光电探测器前加装已知倍率的衰减片，衰减片的衰减倍率应与待测的点源透射比量级相当。此时必须将衰减片的衰减倍率作为测量基准之一，然而衰减片的衰减倍率越高，其滤光片对于温度、表面洁净度等环境因素就越敏感，高倍率衰减片使用过程中容易出现实际衰减倍率偏离标定值的情况，造成点源透射比的测试误差。另一方面，我国目前尚无OD值＞8(即衰减倍率高于108)以上衰减片的衰减倍率标定基准。这也成为点源透射比测试设备精度进一步提高的障碍。
为解决高倍率衰减片易于产生倍率偏离导致点源透射比测量误差的问题，本发明提出了一种采用连续-脉冲两种体制激光作为测试光源的新型测量方法，利用脉冲激光峰值功率与平均功率之间的固定倍数关系，可以实现基于小倍率衰减片(如OD4)实现高精度点源透射比(如10-8)测量，能够降低衰减片倍率偏离造成的点源透射比测试误差，并为实现更高精度的点源透射比测量提供了技术途径。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本申请实施例提供的光学系统的点源透射比测量方法的流程示意图，该方法可以包括：
S11：通过激光光源产生脉冲激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口入射。
S12：探测光学系统的焦面位置的辐照度，记录光电探测器探测的焦面辐照度峰值。
激光器输出光经过平行光管准直为平行光，照射到待测系统入光口，并在待测系统焦面上形成杂散光，入射至光学系统的焦面位置，光电探测器即可感应探测到相应的辐照度。
但因为激光光源产生的是脉冲激光光束，仅仅只有脉冲激光光束的波峰位置时，光电探测器才能够探测到辐照并生成相应的信号，因此，此时光电探测器探测的信号为焦面辐照度峰值，是辐照强度最大时对应的辐照度。
相对于焦面辐照平均值的信号，焦面辐照度峰值显然更大。相应的激光的峰值功率和平均功率之间也满足：
Figure BDA0002469481930000051
其中P为激光平均功率，P1为激光峰值功率，f为脉冲激光光束的频率，t为脉冲激光光束的脉冲宽度。
由此可以确定焦面辐照度峰值和焦面辐照度平均值之间，也应当满足：
Figure BDA0002469481930000052
其中E1为焦面辐照度平均值，而Ef为焦面辐照度峰值。
S13：通过激光光源产生连续激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口入射。
其中，脉冲激光光束的功率和连续激光光束的功率相等，避免因光线功率大小不同，对辐照度的测量产生影响。
S14：透过衰减片探测光学系统的光线入口多个入瞳位置的辐照度，获得光学系统的入瞳辐照度平均值。
具体地，可以在光电探测器上设置衰减片，使得激光光束透过衰减片入射到光电探测器。
S15：根据焦面辐照度峰值和入瞳辐照度平均值以及衰减片的衰减倍率，获得光学系统的点源透射比。
具体地，可以在光学系统的光线入口的入瞳位置为一个平面区域，入瞳面区域为光学系统光线入口在垂直于激光光束入射方向的投影区域。
在采集入瞳位置的辐照度时，就需要在入瞳面区域内选取多个入瞳位置点，透过衰减片采集多个辐照度信号，因为此时采用的是连续激光光束，那么相应地该入瞳位置测得的辐照度信号即为各个入瞳位置点对应的辐照度平均值信号。但在实际计算点源透射比时，需要获得整个入瞳面区域的平均辐照度。为此，需要将多个入瞳位置点对应的辐照度平均值信号求平均值，获得入瞳辐照度平均值。
光电探测器在光学系统的焦面位置测得的是焦面辐照度峰值，而在入瞳位置测量获得的是入瞳辐照度平均值，为此需要将两种信号均转换为辐照度峰值或者均转换为辐照度平均值，再进行点源透射比运算。
如前所述，焦面位置的焦面辐照度峰值和焦面辐照度平均值之间满足：
Figure BDA0002469481930000061
因此，基于点源透射比公式：
Figure BDA0002469481930000062
可得
Figure BDA0002469481930000063
其中，Eic为入瞳辐照度平均值，B为衰减片的衰减倍率，由此，即可获得点源透射比。
目前常规的测量点源透射比的过程中，对光学系统的焦面位置和入瞳位置的辐照度测量时，均采用连续激光光束作为光源。那么光电探测器在焦面位置和入瞳位置测得的辐照度信号均为辐照平均值信号，基于
Figure BDA0002469481930000071
运算即可获得点源透射比。
相对于
Figure BDA0002469481930000072
而言，本申请中在焦面位置测得的焦面辐照度峰值缩小了f·t倍后即为焦面辐照度平均值，也即是说光电探测器测量焦面位置信号时，是测得相对焦面辐照度平均值放大后的信号，而通常情况下，对于调Q激光器而言，f·t的数量级大概在10-4左右。而在测得入瞳位置的入瞳辐照度平均值时之所以加上衰减片，也是因为入瞳位置的辐照度相对于焦面位置的辐照度相差的数量级过大。那么当焦面位置测得的不再是焦面辐照度平均值时，而是扩大了多个数量级的焦面辐照度峰值时，相当于减小了焦面位置和入瞳位置辐照度的数量级差距，那么，在测得入瞳位置的辐照度信号时，就可以采用衰减倍率更小的衰减片，进而在一定程度上避免了高倍率衰减片易产生误差的问题。
同时，对于相同倍率的衰减片，还能够实现数量级更大的点源透射比的测量，也相当于在一定程度上扩大了光学系统的点源透射比的测量范围。
综上所述，本申请中在对光学系统的点源透射比进行测量时，采用功率相同的两种不同的激光光束作为光源，使得在焦面位置测得的辐照度信号是在数量级上扩大了一定倍数的焦面辐照度峰值，而在入瞳位置依然测得是入瞳辐照度平均值；这在一定程度上缩小了光电探测器在焦面位置和入瞳位置测得的辐照度的数量级差距。而衰减片的主要作用就是缩小光电探测器在焦面位置和入瞳位置的测得的辐照度的数量级差距，因此本申请中可以采用衰减倍率更小的衰减片，从而一定程度上避免衰减片倍率高对测量精度的影响，于此同时扩大了对光学系统的点源透射比的测量范围。
本申请还提供了一种光学系统的点源透射比的测量系统，如图2所示，图2为本申请实施例提供的点源透射比的测量系统光路示意图，该系统可以包括：
用于产生脉冲激光光束的脉冲激光器；
用于产生和脉冲激光光束相同功率的连续激光光束的连续激光器；
用于使脉冲激光光束和连续激光光束分别形成平行光，并均以大于待测光学系统视场角的角度向待测光学系统的光线入口的平行光管2；
用于当脉冲激光光束形成的平行光向光学系统5的光线入口入射时，探测光学系统5的焦面位置的辐照度，生成辐照峰值信号的第一光电探测器3-1；
用于对光学系统5的入瞳位置光照度进行衰减的衰减片8；
用于当脉冲激光光束形成的平行光向光学系统5的光线入口入射时，透过衰减片8探测光学系统5的光线入口一圈的多个入瞳位置的辐照度，获得光学系统5的辐照平均值信号的第二光电探测器3-2；
用于根据辐照峰值信号、衰减片的衰减倍率以及辐照平均值，获得点源透射比的处理器6。
如图2所示，图2中激光器1所在位置即为设置脉冲激光器和连续激光器的位置，在实际测量中，两种激光器设置在同一位置。激光器1产生的激光入射至平行光管后形成平行光，以一定角度入射至光学系统5的光线入口，但入射角度大于光学系统5的视场角，图2中虚线即为表示光学系统5的视场角范围的线条。
可选地，为了尽可能的简化该测量系统的结构，对于脉冲激光器和连续激光器可以采用能够进行连续光谱和脉冲光谱切换的激光器，那么在实际测量过程中，也就无需进行对脉冲激光器替换连续激光器的操作，在很大程度上简化测量过程，另外，也能够更好的保证脉冲激光器和连续激光器的激光功率相等。
如图2所示，图2中包含有第一光电探测器3-1和第二光电探测器3-2，分别通过线缆7和处理器6相连接。一般第一光电探测器3-1和第二光电探测器3-2需要采用同一型号的探测器，但是即便是同一型号的探测器，也仍然存在个体差异。优选地，对于第一光电探测器3-1和第二光电探测器3-2也可以采用同一个光电探测器，避免因为光电探测器的个体差异对测量结果造成影响。在实际测量过程中，可以先将光电探测器固定，保证光电探测器的感应平面和光学系统5的焦面位于同一平面内，实现焦面位置的辐照度的测量，再将光电探测器拆卸后固定在光学系统5的入瞳位置进行辐照度的测量。
需要说明的是，在对光学系统5的入瞳位置进行辐照度的测量时，需要测量多个入瞳位置点的辐照度。因此，可以在光学系统5的入瞳位置设置二维平移台4，该二维平移台4可以带动位于光学系统5入瞳位置附近的第二光电探测器3-2移动，实现第二光电探测器3-2在多个入瞳位置点的光电探测。
本申请中的测量系统中，对进行光学系统5的焦面辐照度和入瞳辐照度的测量采用不同的激光光束进行辐照，在很大程度上降低了光学系统5在焦面测得的辐照度和入瞳面区域测得的辐照度的差距，进而使得在进行入瞳面区域的辐照度的测量时，可以采用衰减倍率更小的衰减片8，降低了衰减片8因衰减倍率过大影响点源透射比的精度的问题，并扩大了可测得的点源透射比的范围，有利于高数量级的点源透射比的光学系统的应用和研究。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

Claims (6)

1.一种光学系统的点源透射比测量方法，其特征在于，包括：
通过激光光源产生脉冲激光光束，以大于待测光学系统视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射；
探测所述待测光学系统的焦面位置的辐照度，记录光电探测器探测的焦面辐照度峰值；
通过激光光源产生连续激光光束，以大于所述待测光学系统视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射，其中，所述脉冲激光光束的功率和所述连续激光光束的功率相等；
透过衰减片探测所述待测光学系统的光线入口对应的多个入瞳位置点的辐照度，获得入瞳辐照度平均值；
根据所述焦面辐照度峰值和所述入瞳辐照度平均值以及所述衰减片的衰减倍率，获得所述待测光学系统的点源透射比。
2.如权利要求1所述的光学系统的点源透射比测量方法，其特征在于，根据所述焦面辐照度峰值和所述入瞳辐照度平均值以及所述衰减片的衰减倍率，获得所述待测光学系统的点源透射比，包括：
将探测获得的各个入瞳位置对应的辐照度平均值信号进行平均值运算，获得入瞳辐照度平均值Eic；
根据点源透射比公式：
Figure FDA0002469481920000011
获得所述待测光学系统的点源透射比；其中，Ef为所述焦面辐照度峰值，Eic为所述入瞳辐照度平均值，B为所述衰减片的衰减倍率，f为所述脉冲激光光束的频率，t为所述脉冲激光光束的脉冲宽度。
3.一种光学系统的点源透射比测量系统，其特征在于，包括：
用于产生脉冲激光光束的脉冲激光器；
用于产生和所述脉冲激光光束相同功率的连续激光光束的连续激光器；
用于使所述脉冲激光光束和所述连续激光光束分别形成平行光，并均以大于待测光学系统的视场角的角度向所述待测光学系统的光线入口入射的平行光管；
用于当所述脉冲激光光束形成的平行光向所述待测光学系统的光线入口入射时，探测所述待测光学系统的焦面位置的辐照度，生成焦面辐照度峰值的第一光电探测器；
用于对所述待测光学系统的入瞳位置光照度进行衰减的衰减片；
用于当所述脉冲激光光束形成的平行光向所述待测光学系统的光线入口入射时，透过衰减片探测所述待测光学系统的光线入口对应的多个入瞳位置点的辐照度，获得所述待测光学系统的入瞳辐照度平均值的第二光电探测器；
用于根据所述焦面辐照度峰值、所述衰减片的衰减倍率以及多个入瞳位置的所述辐照平均值，获得点源透射比的处理器。
4.如权利要求3所述的光学系统的点源透射比测量系统，其特征在于，所述脉冲激光器和所述连续激光器为同一个激光器，其中所述激光器可进行脉冲激光模式和连续激光模式的切换。
5.如权利要求3所述的光学系统的点源透射比测量系统，其特征在于，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器为同一个光电探测器。
6.如权利要求3所述的光学系统的点源透射比测量系统，其特征在于，还包括设置在所述待测光学系统入瞳位置的二维平移台，用于带动所述第二光电探测器移动至多个不同的入瞳位置点。
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