CN114235346A - 一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统及方法，属于航天光学技术领域。本发明系统由太阳模拟器、普通照度计、微光照度计、信号采集处理系统、光陷阱、吸光罩以及待测前挡光板组件系统组成。该系统基于光腔吸收的杂散光测试方法，采用高洁净度环境杂散光测试平台，放置光陷阱内部覆盖超黑材料用于吸收穿过前挡光板顶部直接入射的光，整个系统采用多级挡光板串联方式，具备衍射光杂光抑制能力，在非真空环境中抑制比优于10‑9～10‑11。本发明可以为天基空间太阳探测杂散光抑制提供一种新的手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统及方法，属于航天光学技术领域。
背景技术
空间光学遥感系统在实际应用中都会受到杂散辐射的影响。空间系统几种常见的杂散光包括反射杂散光、散射杂散光、衍射杂散光和环境杂散光，对空间光学系统成像质量带来较严重的影响。其中衍射杂散光指入射光线照射在机械结构边缘，主要指挡光环边缘、机械加工形成的边缘、及光学系统边缘发生衍射，而形成的杂散光。衍射杂散光具有不规则性，针对这一特性，可以通过提升制造工艺水平、合理设计挡光环边缘结构来加以有效抑制衍射杂光。
在太阳CME观测中，杂散光抑制设计极为重要。相较于对地观测载荷或深空载荷，由于探测目标光强与背景光强的巨大差异，任何的杂散来源都有可能对信号进行湮没，导致探测任务的失败，太阳日球层CME与太阳的亮度比值由于观测角度的差异，其比值在10-7～10-15B0之间，对于CME观测有极大的影响，因此，需要在日球层成像仪挡光组件设计上对太阳日球进行遮挡。
日面与日球层亮度相差15个数量级，为防止日冕杂散干扰，需要测量日球层特征的空间光学仪器具有很强的背景光抑制能力，因此前挡光板成为了日球层成像仪上的关键组件，其设计、布局决定了相机能否实现在极高背景/目标亮度比下对CME的观测成像，因此为了验证挡光环边缘结构的衍射杂散光抑制效果。
综上，现有衍射杂光抑制比测试系统主要包括激光器、可见光镜头和SCMOS探测器，但是此方法中不确定因素包括激光稳定性和相机镜头透过率，且需要使用标准光源(积分球)与探测器进行辐射标定，测试数据的读取需要进行转化，测试过程较繁琐。另外激光光束能量较强，极易击穿探测器，且在空气环境中易产生大气散射光，对杂光抑制测试结果有较大影响，受空气微粒子散射光和测试设备表面反射光影响，目前杂光抑制比只能达到10-8。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统及方法，解决现有衍射杂光抑制比测试方法的不足的问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，包括太阳模拟器光源系统、待测前挡光板组件系统、参考照度计、普通照度计、微光照度计、光阑、光陷阱和信号采集处理系统；其中待测前挡光板组件系统和微光照度计位于吸光罩内，吸光罩位于光学平台上；
所述太阳模拟器光源系统用于提供光源；
所述参考照度计用于持续监测太阳模拟器输出的光照度；
所述普通照度计接收太阳模拟器光源系统发出的光，对太阳模拟器输出的光照度范围进行测量，防止由于光强太强导致微光照度计接收到的能量超出其最大量程；
所述微光照度计用于接收太阳模拟器输出的光辐射在待测前挡光板组件系统边缘产生的衍射光光照度；
所述可调节矩形光阑位于吸光罩前端开口处，用于调整太阳模拟器进入吸光罩入口的光束大小，并调整矩形光阑下表面与待测前挡光板组件系统第一片挡光板的上边缘平行，以保证太阳模拟器发出光线照射到待测前挡光板组件系统上边缘位置发生衍射；
所述光陷阱位于吸光罩后端开口处，用于吸收穿过待测前挡光板组件系统顶部直接入射的光；
所述信号采集处理系统用于采集普通照度计及微光照度计的信号，以及参考照度计的信号。
进一步地，所述微光照度计安装在可活动的转台上，使得微光照度计接收探头可在一定角度范围内进行调整。
进一步地，所述待测前挡光板组件系统叶片通过将多个板堆叠而成，具有准各向同性，单片挡板叶片总厚度为1毫米。
进一步地，所述待测前挡光板组件系统叶片上边缘为刀口，以45°角加工顶部边缘来制作每个叶片上边缘轮廓到叶片的平面，然后从上方进行加工以形成0.1-0.2mm的宽度平面。
进一步地，所述待测前挡光板组件系统的每个叶片的高度将其相邻叶片控制在65μm以上，以保持五个级联挡板可消除杂散光水平下所需的几何形状；单个叶片结构顶端均做成斜劈形，并进行抛光和染黑处理，以减少端面的边缘散射和衍射。
进一步地，所述参考照度计和普通照度计采用同一种测量照度的仪器仪表。
进一步地，所述参考照度计和普通照度计的测试范围高端为1350W/m2，也即106lux；微光照度计测试范围高端为2lux，最小探测能力为10-6lux。
进一步地，所述吸光罩为由钛合金材料加工而成的盒体，其盒体内部经过特殊涂层做发黑处理，且内表面为磨砂粗糙表面。
进一步地，所述光陷阱内壁喷涂黑漆或粘贴黑色消光布、黑色消光薄膜，内壁经消光处理后，表面近似服从朗伯体散射，光吸收效率介于95％～98％之间。
根据所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统实现的基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试方法，包括如下步骤：
步骤1.将太阳模拟器光源系统、待测前挡光板组件系统、参考照度计、普通照度计、微光照度计、光阑、光线阱、吸光罩按照仿真计算参数安装于光学平台；
步骤2.开启太阳模拟器光源系统，打开参考照度计对太阳模拟器光源系统输出的光辐射进行实时监测，其输出值用以进行参考比较；
步骤3.打开普通照度计，对太阳模拟器光源系统输出的光辐射进行测量，其输出值用以对太阳模拟器光源系统辐射强度的量程进行测量，防止用于光强太强导致微光照度计接收到的能量超出其最大量程；
步骤4.待普通照度计输出值小于2lux时，开启微光照度计，关闭吸光罩，开始测试，微光照度计输出值与参考照度计输出值的比值为待测前挡光板组件系统衍射杂光抑制比。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明中衍射杂光抑制比测试系统由太阳模拟器、普通照度计和微光照度计组成，该测试方法可以在空气环境中测试衍射杂光抑制比达到10-9-10-11量级；能够直接通过读取普通照度计和微光照度计的光强度数值得到杂光抑制比，数据读取简单容易；太阳模拟器可以直接看成太阳光，与激光光束比较，大气散射可以通过将天阳光束上边沿与挡光板上边沿平行来减弱甚至消除。采用基于光腔吸收的杂散光测试方法，放置光陷阱吸收穿过待测前挡光板组件系统顶部直接入射的光。
附图说明
图1为本发明一种探测太阳CME的基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统。图中：1太阳模拟器光源系统、2待测前挡光板组件系统、3参考照度计、4普通照度计、5微光照度计、6光阑、7光陷阱、8吸光罩、9转台、10光学平台、11信号采集处理系统、12暗室。
图2为本发明待测前挡光板组件系统示意图。
图3为本发明五阶挡光板组件工作原理图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)：由连续的太阳模拟器光源系统1、待测前挡光板组件系统2、参考照度计3、普通照度计4、微光照度计5，还包括转台5、信号采集处理系统6和光陷阱7组成；其中待测前挡光板组件系统2和微光照度计4位于吸光罩8内，吸光罩8位于光学平台9上。安装可活动的转台9使得微光照度计5接收探头可在一定角度范围内进行调整，吸光罩8内壁采用磨砂表面并经发黑处理，以抑制从待测前挡光板组件系统2第一片挡光板正面散射的光；信号采集处理系统11分出一路采集普通照度计4及微光照度计5的信号，另一路采集参考照度计3的信号；吸光罩8后端放置光陷阱7可以吸收穿过待测前挡光板组件系统2顶部直接入射的光。为了能实现微弱杂散光的检测，整个测试系统采取了严格的预防措施以防止暗室12内散射的光进入接收端参考照度计3、普通照度计4和微光照度计5。
待测前挡光板组件系统2对太阳直射及衍射光抑制的理论基础是半无限半屏的菲涅耳-柯希霍夫衍射积分原理。光源在单片挡光板边缘产生的衍射光能量，当采用多片挡光板级联时，前一片的上边缘位置作为下一片的光源位置。太阳直射光会在挡光板边缘产生直边衍射，光线绕过挡板在后方进行传播，根据相机放置位置的不同，其接收到的衍射能量也有所差异。当接收端放置的离挡板越近、距离挡板上边缘越深，衍射的强度越弱，越有利于观测CME。
待测前挡光板组件系统2叶片是通过将多个板堆叠而成，具有准各向同性，单片挡板叶片总厚度约1毫米。值得注意的是，待测前挡光板组件系统(2)叶片上边缘是一个刀口，以45°角加工顶部边缘来制作每个叶片上边缘轮廓到叶片的平面，然后从上方进行加工以形成0.1-0.2mm的宽度平面。
待测前挡光板组件系统2的尺寸特别重要，即每个叶片的高度必须将其相邻叶片控制在65μm以上，以保持五个级联挡板可消除杂散光水平下所需的几何形状。单个叶片结构顶端均做成斜劈形，并进行抛光和染黑处理，以减少端面的边缘散射和衍射。测试系统设置了光陷阱7，确保没有外部杂光进入测量系统。
太阳模拟器光源系统1是一种重要空间环境模拟设备，可以在实验室内模拟不同测试条件下太阳光辐射的总辐照度、辐射稳定性、辐照均匀性、光谱辐照分布等物理特性，以及准直角和大尺寸的光束直径等几何特性，以满足以科学试验、仪器标定与性能测试的特殊需求。太阳模拟器光源系统1可以提供稳定、均匀、近似于太阳光谱的光辐射，不受时间和外界天气的影响，可用于太阳辐射计量仪器的高精度检校与实验室定标。准直式太阳模拟器光源系统1可以同时满足辐照均匀性、准直性、能量利用率等指标要求，应用范围较广，是空间环境模拟实验、光学遥感器的杂散光测试、空间目标特征测试等多个领域中必不可少的设备。
参考照度计3和普通照度计4或称勒克斯计采用同一种专门测量照度的仪器仪表。就是测量物体被照明的程度，即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池配合滤光片和微安表组成。测量原理是光电池是把光能直接转化成电能的光电元件。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上产生光电效应。产生的光生电流的大小与光电池受光表面上的照度有一定的比例关系。光电流的大小取决于入射光的强弱。参考照度计3和普通照度计4的测试范围高端为1350W/m2(一个太阳常数)，可以换算为106lux。微光照度计5测试范围高端为2lux，最小探测能力为10-6lux。
吸光罩8是由钛合金材料加工而成的盒体，其盒体内部经过特殊涂层做发黑处理，且内表面为磨砂粗糙表面，这样可以更好的吸收杂光和散射光。
光陷阱7是用于困住或者俘获光线的器件。在杂散光测试中，光陷阱7主要用于收集光线，并将其衰减，达到抑制背景辐射、提高系统测试精度的目的。光陷阱7抑制的对象有方向随机性的入射光，如测试系统或待测设备的表面散射光，也有平行光或准平行光，主要是入射光的残余光束。光陷阱7内壁喷涂黑漆或粘贴黑色消光布、黑色消光薄膜，内壁经消光处理后，表面近似服从朗伯体散射，光吸收效率介于95％～98％之间，入射光进入光陷阱后经过一次(一次散射水平在5％～2％之间)或多次散射后再返回入射光传输空间。
在本申请实施例所提供的方案中，具体包括：
待测前挡光板组件系统2放置的吸光罩8内，吸光罩8放置在光学平台10上，光学平台10和吸光罩8均放置在暗室12中，暗室12内壁经消光处理，光吸收效率介于95％～98％之间，以抑制背景杂散光辐射、提高系统测试精度。
太阳模拟器光源系统1提供光源。接收端采用两路进行采集信号：一路为稳定不变的参考照度计3，主要用于持续监测太阳模拟器输出的光照度，保证有一个稳定的光源数值记录；另一路采用普通照度计4和微光照度计5接受探测信号，并安装可活动遥控转台9，使得微光照度计5接收探头可在一定角度范围内进行调整。
在吸光罩8前端开口处放置可调节矩形光阑6，用于调整太阳模拟器1进入吸光罩8入口的光束大小，并调整矩形光阑下表面与待测前挡光板组件系统2第一片挡光板的上边缘平行，以保证太阳模拟器1发出光线尽量照射到待测前挡光板组件系统2上边缘位置发生较强衍射。
为了能实现微弱杂散光的检测，测试采取了严格的预防措施以防止吸光罩8内散射的光进入接收端：在后端放置光陷阱7用于吸收穿过待测前挡光板组件系统2顶部直接入射的光；除此之外，将吸光罩8内壁做发黑处理以抑制从待测前挡光板组件系统2第一片挡光板正面散射的光。
太阳模拟器光源系统1放置在暗室10外，在暗室10合适位置开孔，将光束引入暗室10，暗室10中放置光学平台9，光学平台9上放置吸光罩8；吸光罩8合适位置开孔，与暗室10开孔位置同光轴，此开孔位置可以通过不同尺寸光阑调节光束大小；杂光测试在特殊暗室10环境下进行，暗室10内壁镀有吸光材料，吸光率为95％-97％，用以消除大气尘埃粒子的散射影响。
将待测前挡光板组件系统2放置在吸光罩8内，光陷阱7放置在待测前挡光板组件系统2后方，用于吸收开孔位置直射光线；接收端首先使用普通照度计3接收，测试入瞳辐照度值，再平移至直射光线中心位置，测试范围高端为1350W/m2(一个太阳常数)，可以换算为106lux；在接收端再用微光照度计4接收(高端为2lux)，在转台5平台上固定夹具，使用夹持工具夹住微光照度计4探头，保证微光照度计4探头上边缘对准待测前挡光板组件系统2最后一片挡板上边缘，保证微光照度计4探头与转台5平台表面垂直，保证探头位置不变，微光照度计4最小探测能力为10-6lux；普通照度计3和微光照度计4量程最小比值为10-12，满足杂光抑制比10-9-10-11量级要求。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：包括太阳模拟器光源系统(1)、待测前挡光板组件系统(2)、参考照度计(3)、普通照度计(4)、微光照度计(5)、光阑(6)、光陷阱(7)和信号采集处理系统(11)；其中待测前挡光板组件系统(2)和微光照度计(5)位于吸光罩(8)内，吸光罩(8)位于光学平台(10)上；
所述太阳模拟器光源系统(1)用于提供光源；
所述参考照度计(3)用于持续监测太阳模拟器输出的光照度；
所述普通照度计(4)接收太阳模拟器光源系统(1)发出的光，对太阳模拟器输出的光照度范围进行测量，防止由于光强太强导致微光照度计(5)接收到的能量超出其最大量程；
所述微光照度计(5)用于接收太阳模拟器输出的光辐射在待测前挡光板组件系统(1)边缘产生的衍射光光照度；
所述可调节矩形光阑(6)位于吸光罩(8)前端开口处，用于调整太阳模拟器(1)进入吸光罩(8)入口的光束大小，并调整矩形光阑下表面与待测前挡光板组件系统(2)第一片挡光板的上边缘平行，以保证太阳模拟器(1)发出光线照射到待测前挡光板组件系统(2)上边缘位置发生衍射；
所述光陷阱(7)位于吸光罩(8)后端开口处，用于吸收穿过待测前挡光板组件系统(2)顶部直接入射的光；
所述信号采集处理系统(11)用于采集普通照度计(4)及微光照度计(5)的信号，以及参考照度计(3)的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述微光照度计(5)安装在可活动的转台(9)上，使得微光照度计(5)接收探头可在一定角度范围内进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述待测前挡光板组件系统(2)叶片通过将多个板堆叠而成，具有准各向同性，单片挡板叶片总厚度为1毫米。
4.根据权利要求3所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述待测前挡光板组件系统(2)叶片上边缘为刀口，以45°角加工顶部边缘来制作每个叶片上边缘轮廓到叶片的平面，然后从上方进行加工以形成0.1-0.2mm的宽度平面。
5.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述待测前挡光板组件系统(2)的每个叶片的高度将其相邻叶片控制在65μm以上，以保持五个级联挡板可消除杂散光水平下所需的几何形状；单个叶片结构顶端均做成斜劈形，并进行抛光和染黑处理，以减少端面的边缘散射和衍射。
6.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述参考照度计(3)和普通照度计(4)采用同一种测量照度的仪器仪表。
7.根据权利要求6所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述参考照度计(3)和普通照度计(4)的测试范围高端为1350W/m2，也即106lux；微光照度计(5)测试范围高端为2lux，最小探测能力为10-6lux。
8.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述吸光罩(8)为由钛合金材料加工而成的盒体，其盒体内部经过特殊涂层做发黑处理，且内表面为磨砂粗糙表面。
9.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统，其特征在于：所述光陷阱(7)内壁喷涂黑漆或粘贴黑色消光布、黑色消光薄膜，内壁经消光处理后，表面近似服从朗伯体散射，光吸收效率介于95％～98％之间。
10.根据权利要求1所述的一种基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试系统实现的基于光腔吸收的衍射杂光抑制比测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.将太阳模拟器光源系统(1)、待测前挡光板组件系统(2)、参考照度计(3)、普通照度计(4)、微光照度计(5)、光阑(6)、光线阱(7)、吸光罩(8)按照仿真计算参数安装于光学平台(10)；
步骤2.开启太阳模拟器光源系统(1)，打开参考照度计(3)对太阳模拟器光源系统(1)输出的光辐射进行实时监测，其输出值用以进行参考比较；
步骤3.打开普通照度计(4)，对太阳模拟器光源系统(1)输出的光辐射进行测量，其输出值用以对太阳模拟器光源系统辐射强度的量程进行测量，防止用于光强太强导致微光照度计(5)接收到的能量超出其最大量程；
步骤4.待普通照度计(4)输出值小于2lux时，开启微光照度计(5)，关闭吸光罩(8)，开始测试，微光照度计(5)输出值与参考照度计(3)输出值的比值为待测前挡光板组件系统(2)衍射杂光抑制比。
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2021
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