CN116559074B - 一种涂层原位大角度散射测试系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种涂层原位大角度散射测试系统及其测试方法，属于空间光学系统杂散光测试领域。解决了如何开发新型涂层立体表面大角度散射测试，对涂层实施在遮光罩表面后的实际杂散光抑制性能评估的问题。该系统的双柱罐、挡光屏、平行光管和光源集成系统均位于实验室内，光源集成系统通过平行光管发出光照向双柱罐，双柱罐内设置有转台，转台上设置有三维平移台，三维平移台上设置有遮光罩，遮光罩的内壁涂有待测涂层样品，遮光罩的出口端安装有通光口调整板，遮光罩的后方设置有探测器，光源集成系统与双柱罐间设置有挡光屏。本发明能够贴近涂层在遮光罩上实际应用时所展现出的效果，从而更加准确地评估涂层的杂散光抑制综合能力。
Description
技术领域
本发明属于空间光学系统杂散光测试领域，涉及一种涂层原位大角度散射测试系统及其测试方法，特别是涉及一种基于点源透过率测试原理的涂层原位大角度散射测试系统与方法。
背景技术
航天探测相机在进行暗弱目标探测时易受到视场外杂散光的影响，为了抑制其影响，提高系统的信噪比，需要对探测系统进行杂散光抑制处理。目前，常采用遮光罩对视场外的光线进行遮挡，并在遮光罩表面进行消光涂层处理以提升其杂散光抑制能力。因此，该涂层的关键指标在于其杂散光抑制性能，涂层对设计目标波段(紫外光波段、可见光波段、近红外波段)的吸收率越高，杂光抑制性能就越好。不仅如此，在涂层高吸收率的要求基础上，其应表现出良好的朗伯散射特性，即对作用其表面未被吸收的光线应形成漫反射并尽可能在大角度入射光作用下也接近朗伯散射，这样可以减少到达探测器的净反射通量，并减少镜面反射产生的水波纹、条纹等焦散现象，提升后期数据处理的准确性。因此为了掌握喷涂处理后遮光罩表面对杂光的抑制情况，除了测量涂层的表面吸收率，也应需要测量经过涂层处理的遮光罩三维立体表面对杂光的大角度散射特性。
双向反射分布函数(BRDF)可以描述粗糙面的散射与辐射特性，在目标探测、跟踪、识别、特征提取和隐身技术等领域具有重要的应用价值。实际应用中，通常采用BRDF测试针对消光涂层平面散射与辐射特性进行测量研究，然而对于立体目标的大角度散射与辐射特性，BRDF测试较为不适用，具有无法避免的较大测试误差，存在一定的局限性。对于遮光罩的内壁立体表面，其大散射与辐射特性也有相当迫切的研究需求，以便更加精确分析涂层在遮光罩内壁的实际应用效果。
因此，开发新型涂层立体表面大角度散射测试，对涂层实施在遮光罩表面后的实际杂散光抑制性能评估具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种涂层原位大角度散射测试系统，及其测试方法，在遮光罩杂散光抑制性能常用评价系统——点源透过率测试系统的基础上，设计研制涂层原位大角度散射测试系统，为涂层在遮光罩表面实际应用的杂散光抑制性能构建综合性评价体系。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种涂层原位大角度散射测试系统，包括实验室、双柱罐、挡光屏、平行光管、光源集成系统、三维平移台、遮光罩和转台，所述双柱罐、挡光屏、平行光管和光源集成系统均位于实验室内，所述光源集成系统通过平行光管发出光照向双柱罐，所述双柱罐内设置有转台，所述转台上设置有三维平移台，所述三维平移台上设置有遮光罩，所述遮光罩的内壁涂有待测涂层样品，所述遮光罩的出口端安装有通光口调整板，所述遮光罩的后方设置有探测器，所述光源集成系统与双柱罐间设置有挡光屏。
更进一步地，所述实验室内设置有洁净设备间和监控室。
更进一步地，所述双柱罐包括顶部桥架、封板和底板平台，所述顶部桥架作为双柱罐的结构支撑，所述封板嵌于顶部桥架之中与顶部桥架共同连接成包围式罐体结构，所述底板平台位于顶部桥架下方。
更进一步地，所述遮光罩为躺倒的圆筒形。
更进一步地，所述实验室的实验室顶棚贴黑色壁纸，光吸收率>90％，实验室地板为黑色哑光PVC，光吸收率>80％，洁净室洁净度不低于千级。
更进一步地，所述双柱罐总体尺寸：4300mm×3700mm×2600mm，其上设置有黑色光陷阱，所述光陷阱的口径>300mm，消光比高于0.1％，内壁的散射率<0.1％，吸收率>93％，双柱罐的腔体通光口径为330mm。
更进一步地，所述转台负载>80Kg，光轴高度为1200mm，台面尺寸>300mm×1000mm，转动运动范围的方位角在0～±80°，定位精度：≤0.1°。
更进一步地，所述遮光罩采用铝合金材质，为包络尺寸φ100mm×240mm的圆柱筒型，内壁涂有待测涂层样品厚度为100μm。
更进一步地，所述双柱罐内设置有风机，所述风机与风机过滤机组连接。
一种利用涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，具体包括以下步骤：
(1)环境保证：
测试前必须保证实验室通风，开启洁净设备间的洁净设备净化实验室，要求洁净度为一万～十万级，测试过程中，双柱罐内风机和风机过滤机组也保持开启，同时使用粒子计数器实时监测罐内环境是否达标；
(2)机械安装：
相机进入双柱罐后，根据尺寸合理进行固定，保证遮光罩入口端面与转台的回转中心在同一平面上，若尺寸不允许，则在测量过程中需要进行相应的平移补偿，以保证遮光罩入口处始终被光束覆盖，安装完毕后，调整遮光罩以保证被测遮光罩光轴与设备光轴重合，安装好遮光罩出口端的通光口调整板，确保通光口调整板的圆孔阵列与水平平面平行，用两块活动挡板调整圆孔位置，将探测器固定于圆孔后方，记录当前圆孔位置X作为通光口位置数据；
(3)开始测试：
按PST系统测试要求启动机柜电源、转台电源、光源集成系统电源，对系统进行预热，进入软件，将转台角度设置成θ度，此时待测涂层曲面的入射角为一切准备就绪之后，开始测试，点击测试软件PST测试，按照要求输入相机名称、入瞳电压、光源波长、规避角、步长、扫描方向，扫描范围控制在0-30°，点击确定即可进行测试；
测试后读取一系列锁放幅度与PST值，该系列数值为不同入射角φ情况下，遮光罩出口固定位置处所有入射散射能量的总和，能够衡量该大角度入射方向下涂层对入射光的综合散射能力，记录数据，将激光器衰减片倍率调至最大，关闭激光器之后进入暗室调整探测器出口位置，再次进行测试，改变探测器出口位置重复测试多次，得到不同位置的涂层原位大角度散射率T数据；
(4)数据分析
系统测试得到的涂层原位大角度散射率T是基于涂层入射角φ与通光口相对位置X的关系，揭示了不同入射角φ的情况下，涂层在通光口相对位置X处的各部分散射能量之和的变化关系，亦可根据通光口相对位置X的变化，揭示出同一入射角φ下不同相对位置X与散射能量之和的关系。
与现有技术相比，本发明所述的一种涂层原位大角度散射测试系统的有益效果是：
本发明利用点源透过率测试系统，配以本发明提出的新型测试模块(自主设计的通光口调整板的遮光罩)与测试方法，能够实现涂层在遮光罩平面的原位散射特性测试，相比于传统的涂层平面散射测试，传统的涂层散射测试通常采用BRDF测试在半球平面内对涂覆在平面基体上的涂层进行散射特性评估，而本发明提出的原位测试则是将涂层涂覆在遮光罩内表面三维弯曲平面上进行散射测试，入射光从通光口射入进遮光罩入口，与遮光罩内壁涂层进行吸收散射作用，散射出的光线共同被出口特定位置探测器接收，使得其能够测试出涂层在遮光罩三维平面圆柱形内壁上的散射情况，从而更加准确地揭示涂层在弯曲平面上的综合散射特性与杂散光抑制性能，能够贴近涂层在遮光罩上实际应用时所展现出的效果，从而更加准确地评估涂层的杂散光抑制综合能力。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的涂层原位大角度散射测试系统的结构简图；
图2为本发明所述的双柱罐的结构分解图；
图3为探测器与整系统布局图；
图4为涂层原位大角度散射测试系统的工作原理示意图；
图5为遮光罩的立体结构图；
图6为遮光罩的俯视示意图；
图7为固定入射角φ下涂层散射率T与通光口相对位置X之间的关系示意图；
图8为固定通光口相对位置X下涂层散射率T与入射角φ之间的关系示意图。
图中：1-设备间，2-光陷阱，3-监控室，4-双柱罐，5-挡光屏，6-平行光管，7-光源集成系统，8-顶部桥架，9-封板，10-底板平台，11-三维平移台，12-遮光罩，13-转台，14-一级暗室，15-二级暗室，17-通光口调整板，18-活动遮挡板，19-圆孔阵列，20-滑轨。
具体实施方式
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
参见图1-8说明本实施方式，一种涂层原位大角度散射测试系统，包括实验室、双柱罐4、挡光屏5、平行光管6、光源集成系统7、三维平移台11、遮光罩12和转台13，所述双柱罐4、挡光屏5、平行光管6和光源集成系统7均位于实验室内，所述光源集成系统7通过平行光管6发出光照向双柱罐4，所述双柱罐4内设置有转台13，所述转台13上设置有三维平移台11，所述三维平移台11上设置有遮光罩12，所述遮光罩12的内壁涂有待测涂层样品，所述遮光罩12的出口端安装有通光口调整板17，所述遮光罩12的后方设置有探测器，所述光源集成系统7与双柱罐4间设置有挡光屏5。
所述光源集成系统7提供入射光光源。
所述双柱罐4提供二级暗室环境，防止外部杂光进入影响测试。
所述转台13置于双柱罐4内，提供遮光罩12角度的变化。
所述遮光罩12置于转台13之上，所述遮光罩12的内壁涂有待测涂层样品，作为待测样品。测试时，遮光罩12置于双柱罐4内转台13的三维平移台13上方，保证外部杂散光因素最大限度被消除。
其中测试环境示意图如图1所示，包括总体实验室、双柱罐4和转台13。
其中总体实验室的实验室顶棚贴黑色壁纸，吸收>90％，实验室地板黑色(哑光)PVC，吸收>80％，洁净室洁净度不低于千级。
所述双柱罐4总体尺寸：4300mm×3700mm×2600mm(L×W×H)，其上设置有黑色光陷阱2，口径>300mm，消光比优于0.1％(可见光)，内壁：散射率<0.1％，吸收率>93％(可见光)，腔体通光口径：330mm。腔体通光口径是双柱罐4腔体前端中间位置的开口大小，入射光从开口处进入双柱罐体内与待测样品作用。
所述光陷阱2属于双柱罐4的结构之一，用于吸收入射光与遮光罩12作用后多余的光线，防止其在双柱罐4表面发生二次散射至探测器，使其测试出现不必要误差。
所述转台13负载：>80Kg，光轴高度：1200mm，台面尺寸：>300mm×1000mm(W×L)；转动运动范围方位角：0～±80°(自动控制)，定位精度：≤0.1°。
其中，本发明主要的发明点在于对测试转台区域上方遮光罩测试模块进行了修改，设计了遮光罩12和通光口调整板17。传统的点源透过率测试系统只针对不同结构的遮光罩进行杂散光抑制性能评估，测试的内容是遮光罩主体，评估的是遮光罩整体的杂散光抑制性能。
本发明通过在遮光罩像面处加装了新型的遮光罩测试组件(带周期性圆孔的通光口调整板17)，实现了对遮光罩12内壁涂层的三维散射特性测试并提出了一种针对遮光罩内壁涂层的杂散光抑制性能新型评价方法。因此首先介绍本系统所基于的高精度点源透过率测试系统的基本原理：
光源出射的光经过平行光管6准直后出射平行光模拟空间环境中的杂光光源，平行光进入遮光罩12后由光学元件、机械结构件表面散射或孔径衍射等方式到达像面，采用光电倍增管测量像面处接收到杂光辐射。获取像面处杂光辐照度，将其与入射平行光辐照度取比值即得目标数值。本系统经过对遮光罩测试模块的修改以及对目标数值的创新性处理，达成对吸光涂层在遮光罩12立体表面原位散射特性的测量，进而评估其杂散光抑制能力。
涂层原位大角度散射测试系统的工作原理如图4所示，光源出射的光经过平行光管6准直后出射平行光模拟空间环境中的杂光光源，平行光经活动挡光板遮盖直射探测器的光线，剩余光线进入遮光罩12后由遮光罩12表面大角度散射到达通光口调整板17的挡光孔控制位置的像面小孔，采用光电倍增管测量像面处接收到杂光辐射(光电倍增管是探测系统的核心探测组件，用于接收极微弱的光线信号)。获取像面处杂光照度，将其与入射平行光照度之比即得涂层原位大角度散射率T，转台提供遮光罩12方位角和俯仰角的运动，实现对遮光罩12不同入射角杂光辐射在像面的分布及测试。
针对空间光学系统的工作环境，考虑到其视场外有强烈辐射源(如太阳、月亮、星星等)，采用涂层原位大角度散射测试方法来验证待测涂层在遮光罩表面原位抑制杂光的能力。该测试方法与点源透过率(PST Point Source Transmission)测试方法类似，与点源透过率测试的区别在于，将原本视场外点源目标辐射为θ的离轴角的转换为离轴角法向的夹角(即/>)，该目标辐射经光学系统后在像面产生的辐射照度Ed/>与入瞳处辐照度Ei的比值，它描述了遮光罩内壁表面对视场外接近掠入射杂光的衰减(抑制)的能力，具体公式(1)如下：
测试用遮光罩样件采用铝合金材质，为包络尺寸100mm×100mm×240mm的圆柱筒型，内壁涂有厚度为100μm的待测涂层样品，内壁厚度为1mm，遮光罩12的出口端安装有通光口调整板17，如图5所示。
所述通光口调整板17上设置有滑轨20，所述滑轨20沿着周期排列的圆孔阵列19两侧分布，所述活动遮挡板18设置有两个，插入通光口调整板17的滑轨里边，左右各一块。通光口调整板17上各通光口为φ4的圆孔，沿调整板半径以间隔为2mm的周期沿水平地面方向排列。通光口调整板17上设置有2块可活动遮挡板18，用于控制遮光口开口位置。活动遮挡板18用于控制平行光进入遮光罩12口径的大小，避免入射光直射通光口处的探测器16。
通过调整活动遮挡板18的相对位置(可以手动调)，可以露出对应位置的圆孔，在圆孔后端放置探测器16，即可探测当前相对位置的散射光强度，从而测试出该相对位置涂层在遮光罩表面对入射光的散射情况。
所述涂层原位大角度散射测试系统的测试方法为：
(1)环境保证：
测试前必须保证实验室通风，开启洁净设备精净化实验室，一般要求洁净度为一万～十万级。测试过程中，双柱罐4内风机和风机过滤机组也需要保持开启，同时使用粒子计数器实时监测罐内环境是否达标。测试人员必须穿洁净服戴口罩，通过风淋门进入实验室。
(2)机械安装：
相机进入双柱罐后，根据尺寸合理进行固定，在尺寸允许情况下，保证遮光罩入口端面与转台回转中心在同一平面上(若尺寸不允许，则在测量过程中需要进行相应的平移补偿，以保证遮光罩入口处始终被光束覆盖)，安装示意图如图示，安装完毕后，调整遮光罩以保证被测遮光罩光轴与设备光轴重合，即所谓“穿轴”。安装好遮光罩12出口端的通光口调整板17，用于调整探测器测试特定位置散射光线强度的相对位置，确保通光口调整板17的圆孔阵列与水平平面平行，用两块活动遮挡板18调整圆孔位置，将探测系统固定于圆孔后方，记录当前圆孔位置X作为通光口位置数据。
(3)开始测试：
按PST系统测试要求启动机柜电源、转台电源、激光光源系统电源，对系统进行预热，进入软件，将转台角度设置成θ度，此时待测涂层曲面的入射角为一切准备就绪之后，即可开始测试，点击测试软件“PST测试”，按照要求输入相机名称，入瞳电压，光源波长，扫描范围(控制在0-30°)，规避角，步长，扫描方向，点击确定即可进行测试。
测试后读取一系列锁放幅度与PST值，该系列数值为不同入射角φ情况下，遮光罩出口固定位置处所有入射散射能量的总和，可以衡量该大角度入射方向下涂层对入射光的综合散射能力。记录数据，将激光器衰减片倍率调至最大，关闭激光器之后进入暗室调整探测器出口位置，再次进行测试，改变探测器出口位置重复测试多次，得到不同位置的涂层原位大角度散射率T数据。
(4)数据分析：
系统测试得到的涂层原位大角度散射率T是基于涂层入射角φ与通光口相对位置X的关系，揭示了不同入射角φ的情况下，涂层在通光口相对位置X处的各部分散射能量之和的变化关系(图6)。亦可根据通光口相对位置X的变化，揭示出同一入射角φ下不同相对位置X与散射能量之和的关系，如图7所示。
因此，本发明同时提出了针对固定大角度入射光作用下涂层不同方位散射性能，与不同大角度入射光作用下涂层特定方位散射性能的评价方法，从而综合评估涂层的半球大角度下的杂散光抑制能力。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (9)
1.一种涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述涂层原位大角度散射测试系统包括实验室、双柱罐(4)、挡光屏(5)、平行光管(6)、光源集成系统(7)、三维平移台(11)、遮光罩(12)和转台(13)，所述双柱罐(4)、挡光屏(5)、平行光管(6)和光源集成系统(7)均位于实验室内，所述光源集成系统(7)通过平行光管(6)发出光照向双柱罐(4)，所述双柱罐(4)内设置有转台(13)，所述转台(13)上设置有三维平移台(11)，所述三维平移台(11)上设置有遮光罩(12)，所述遮光罩(12)的内壁涂有待测涂层样品，所述遮光罩(12)的出口端安装有通光口调整板(17)，所述遮光罩(12)的后方设置有探测器，所述光源集成系统(7)与双柱罐(4)间设置有挡光屏(5)；
通光口调整板(17)上设置有周期性排列的圆孔和滑轨(20)，所述滑轨(20)沿着周期排列的圆孔阵列(19)两侧分布，通光口调整板(17)上设置有 2 块可活动遮挡板(18)，插入通光口调整板(17)的滑轨里边，左右各一块,可活动遮挡板(18)用于控制平行光进入遮光罩(12)口径的大小，避免入射光直射通光口处的探测器(16)，通光口调整板(17)上各通光口为 φ4 的圆孔，以间隔为 2mm的周期沿水平地面方向排列；
测试方法具体包括以下步骤：
(1)环境保证：
测试前必须保证实验室通风，开启洁净设备间1的洁净设备净化实验室，要求洁净度为一万～十万级，测试过程中，双柱罐(4)内风机和风机过滤机组也保持开启，同时使用粒子计数器实时监测罐内环境是否达标；
(2)机械安装：
遮光罩(12)放入双柱罐(4)后，根据尺寸合理进行固定，保证遮光罩(12)入口端面与转台(13)的回转中心在同一平面上，若尺寸不允许，则在测量过程中需要进行相应的平移补偿，以保证遮光罩入口处始终被光束覆盖，安装完毕后，调整遮光罩(12)以保证被测遮光罩光轴与设备光轴重合，安装好遮光罩(12)出口端的通光口调整板(17)，确保通光口调整板通光口调整板(17)的圆孔阵列与水平平面平行，用两块活动遮挡板(18)调整圆孔位置，将探测器(16)固定于圆孔后方，记录当前圆孔位置X作为通光口位置数据；
(3)开始测试：
按PST系统测试要求启动机柜电源、转台电源、光源集成系统电源，对系统进行预热，进入软件，将转台(13)角度设置成θ度，此时待测涂层曲面的入射角为φ＝90-θ，一切准备就绪之后，开始测试，点击测试软件PST测试，按照要求输入相机名称、入瞳电压、光源波长、规避角、步长、扫描方向，扫描范围控制在0-30°，点击确定即可进行测试；
测试后读取一系列锁放幅度与PST值，该系列数值为不同入射角φ情况下，遮光罩(12)出口固定位置处所有入射散射能量的总和，能够衡量该大角度入射方向下涂层对入射光的综合散射能力，记录数据，将激光器衰减片倍率调至最大，关闭激光器之后进入暗室调整探测器出口位置，再次进行测试，改变探测器出口位置重复测试多次，得到不同位置的涂层原位大角度散射率T数据；
(4)数据分析
系统测试得到的涂层原位大角度散射率T是基于涂层入射角φ与通光口相对位置X的关系，揭示了不同入射角φ的情况下，涂层在通光口相对位置X处的各部分散射能量之和的变化关系，亦可根据通光口相对位置X的变化，揭示出同一入射角φ下不同相对位置X与散射能量之和的关系。
2.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述实验室内设置有洁净设备间(1)和监控室(3)。
3.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述双柱罐(4)包括顶部桥架(8)、封板(9)和底板平台(10)，所述顶部桥架(8)作为双柱罐(4)的结构支撑，所述封板(9)嵌于顶部桥架(8)之中与顶部桥架(8)共同连接成包围式罐体结构，所述底板平台(10)位于顶部桥架(8)下方。
4.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述遮光罩(12)为躺倒的圆筒形。
5.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述实验室的实验室顶棚贴黑色壁纸，光吸收率>90％，实验室地板为黑色哑光PVC，光吸收率>80％，洁净室洁净度不低于千级。
6.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述双柱罐(4)总体尺寸：4300mm×3700mm×2600mm，其上设置有黑色光陷阱(2)，所述光陷阱(2)的口径>300mm，消光比高于0.1％，内壁的散射率<0.1％，吸收率>93％，双柱罐(4)的腔体通光口径为330mm。
7.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述转台(13)负载>80Kg，光轴高度为1200mm，台面尺寸>300mm×1000mm，转动运动范围的方位角在0～±80°，定位精度：≤0.1°。
8.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述遮光罩(12)采用铝合金材质，为包络尺寸φ100mm×240mm的圆柱筒型，内壁涂有待测涂层样品厚度为100μm。
9.根据权利要求1所述的涂层原位大角度散射测试系统的测试方法，其特征在于：所述双柱罐(4)内设置有风机，所述风机与风机过滤机组连接。
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