CN117232790A - 基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，具体提供一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统，评估方法包括：对光学元件的多个表面缺陷进行检测，导出二维散射数据进行拟合得到仿真数据；评估表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，并将建模后的结果导入到杂散光分析软件中，实现精确建模；根据出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据各表面缺陷的形状相对设置不同的光源，形成与表面缺陷相同的光线路径；设置匹配光源，并精确建模对各视场内光线进行追迹；对追迹后的各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，对光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化，对产生散射的各种情况及其对空间望远镜的性能影响做出准确计算。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，提出一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统。
背景技术
空间光学望远镜可以帮助人类更加准确地观察宇宙诞生初期的物质，是揭秘宇宙起源以及演化规律的重要工具，也为科学家们研究暗能量和暗物质提供了手段。为了实现对物体的无色差成像以及追求高分辨、大视场的同时实现，目前主流的空间光学望远镜均采用反射式结构，所以空间光学望远镜的功能实现离不开其中反射式光学元件的极端制造。但是在光学元件的加工制造过程中，研磨、抛光等往往会在光学元件表面留下缺陷，如常见的麻点、划痕等，其具体表现形式为光的散射，会对系统的成像性能或集光能力产生影响。因此，在研制空间天文望远镜时必须对其表面质量进行严格控制，尽量减少表面缺陷的出现，如詹姆斯-韦伯望远镜、哈勃望远镜都提出了相应指标抑制杂散光。在研的中国空间站巡天望远镜（CSTT，China Space Station Telescope）也对表面质量进行了严格要求：反射镜表面粗糙度小于1nm（纳米）且在轨正常工作时太阳产生的点源透过率PST要小于10-13量级。
早在1936年，在Schmaltz论述表面粗糙度的专著中，便对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议，其对表面粗糙度的定量评定参数进行研究。2020年，日本学者Jun-ichiro Sugisaka提出了使用矢量分析方法-差分场边界的重建算法得到光栅表面缺陷对系统波前的影响，并给出了矢量衍射理论下的计算精度和局限性。此前，有诸多学者研究了元件表面缺陷对于电场、磁场等近场影响，表明了表面缺陷对表面电场确实有增强作用，这有效解释了为何强激光系统更容易在表面缺陷处产生损坏，但是表面缺陷对远场的影响却不能被清晰地表征出来。2019年法国学者F.Tournemenne提出了一种基于衍射光学的方法来评估表面缺陷的影响，使用巴比涅原理进行计算，虽然其衍射过程较为简单，评估过程也比较顺利，但是实际缺陷中的随机相位（高度）很难用具体的数学表达式表示出来，以至于物理光学评估缺陷危害性仅仅存在于理论之中，这对于工程应用来说是远远不够的。2022年，中国学者冷荣宽提出基于光线追迹的方法来评估表面脏污对散射造成的影响，其从实测污染微粒散射的BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）出发，对污染物造成的散射进行光线追迹，得到此污染物对于光学系统的影响。但是这种方法具有一定的局限性，当微粒尺寸较大时，其造成的散射是具有多个方向的，而使用传统散射模型对其进行了简化，只用入射平面对散射进行描述，故这种模型描述散射不够准确。在过去的几十年里，基于物理光学与几何光学实现了对低频、中频以及部分高频面形误差的影响模型预测。但是具有方向性散射的表面缺陷尺寸更小，在计算散射影响方面出现了困难，所以亟需一种方法有效评估光学元件划痕或者其他表面缺陷对系统造成的影响。由上述，针对目前表面缺陷评估技术及计算方法存在计算精度低、无法定量评估等问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，所述评估方法包括：
基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据；
基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模；
以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状相对设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径；
根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹；
对追迹后的所述各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，根据所述像面杂光数据对所述光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。
优选的，在基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据中，所述评估方法还包括：
所述光学传感器为Horos散射仪，所述自控装置为六自由度机器人，所述预设散射模型为哈维各向异性散射模型；
基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为：
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳与像面之间的距离；
根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
其中，均为方向余弦，当所述反射半球面的表面为反射镜的半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：
；
其中，完成对所述多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为所述仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
优选的，在基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统性能的影响情况中，所述评估方法包括：
所述望远镜系统为天基望远镜系统；
基于杂散光PSF分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对所述天基望远镜系统性能的影响情况；
其中，所述杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF为双向反射分布函数。
优选的，在根据所述多个表面缺陷的形状相对设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径中，所述评估方法包括：
在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在所述光学元件的主镜上的情况下，在所述主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，/>为照明面积，/>为照明功率。
优选的，在根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，所述方法包括评估：
对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数和理想的点扩散函数，对于在散射影响下的光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
本发明提供的，具体，还包括：一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，所述评估系统包括：
第一检测模块，用于基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据；
第一评估模块，用于基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模；
赋予模块，用于以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状相对设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径；
设置模块，用于根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹；
分析模块，用于对追迹后的所述各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，根据所述像面杂光数据对所述光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。
优选的，所述评估系统还包括：
第一判断模块，控制所述干涉仪的计数器判断是否确定检测到所述多个采样点的最后一个采样点，若否，更换下一采样点并将根据被检光学表面的多个采样点按照预设规则进行排列后，按预设顺序进行检测，由所述干涉仪的影像获取装置最终确定当前采样点为所述多个采样点的最后第一个采样点；
第二判断模块，控制当所述干涉仪的所述计数器判断确定检测到所述多个采样点的最后一个采样点的情况下，输出所述光学系统光路的所述被检光学表面任一采样点的面形误差值。
优选的，所述评估系统还包括：
所述光学传感器为Horos散射仪，所述自控装置为六自由度机器人，所述预设散射模型为哈维各向异性散射模型；
第二检测模块，用于基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为：
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳与像面之间的距离；
其中，根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
其中，均为方向余弦，所述反射半球面的表面为反射镜半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：
；
其中，完成对所述多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为所述仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
优选的，所述评估系统包括：
所述望远镜系统为天基望远镜系统；
第二评估模块，用于基于杂散光PSF分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对所述天基望远镜系统性能的影响情况；
其中，所述杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF为双向反射分布函数。
优选的，所述评估系统包括：
计算模块，用于在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在所述光学元件的主镜上的情况下，在所述主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关计算公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，/>为照明面积，/>为照明功率。
优选的，所述评估系统包括：
追迹模块，用于对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数和理想的点扩散函数，对于在散射影响下的光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明涉及光学技术领域，具体提供本发明涉及光学技术领域，具体提供一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法包括：对光学元件的多个表面缺陷进行检测，导出二维散射数据述进行拟合得到仿真数据；评估表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，并将建模后的结果导入到杂散光分析软件中，实现精确建模；根据出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据各表面缺陷的形状相对设置不同的光源，形成与表面缺陷相同的光线路径；设置匹配光源，并精确建模对各视场内光线进行追迹；对追迹后的各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，对光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。本申请提出的评估方法，产生散射的各种情况及其对空间望远镜的性能影响做出准确计算。
本发明提出一种使用各向异性散射模型评估表面缺陷对空间望远镜影响的计算方法，并于散射检测实验结果进行对照，对局部缺陷的缺陷长度、宽度、存在位置、视场角等光学影响因素不同时相对产生散射的情况及其对空间望远镜的性能影响做出准确计算。本发明提出一种基于二维散射的表面缺陷评估方法，实现对光学元件加工过程中形成的表面缺陷产生的杂散光进行分析，结合杂散光抑制理论，能够较为准确的对望远镜系统杂光性能做出准确评估。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的表面缺陷对系统影响评估的方法流程图；
图2是根据本发明实施例提供的实际划痕散射的检测示意图；
图3是根据本发明实施例提供的仿真划痕及表面微粒造成的散射示意图；
图4是根据本发明实施例提供的Cook型天基望远镜示意图；
图5是根据本发明实施例提供的仿真表面缺陷在像面形成的杂光示意图；
图6是根据本发明实施例提供的像面杂光总量与入射波长的关系示意；
图7是根据本发明实施例提供的表面缺陷形成的PSF扰动示意图（已经做log处理）；
图8是根据本发明实施例提供的评估系统的方框示意图。
其中的附图标记包括：
步骤-S1-S5；
1-反射镜一；
2-像面一；
3-反射镜二；
4-像面二；
800-评估系统；
810-第一检测模块；
820-第一评估模块；
830-赋予模块；
840-设置模块；
850-分析模块。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
请同时参阅图1-图7，图1是根据本发明实施例提供的表面缺陷对系统影响评估的方法流程图，图2是根据本发明实施例提供的实际划痕散射的检测示意图，图3是根据本发明实施例提供的仿真划痕及表面微粒造成的散射示意图，图4是根据本发明实施例提供的Cook型天基望远镜示意图，图5是根据本发明实施例提供的仿真表面缺陷在像面形成的杂光示意图，图6是根据本发明实施例提供的像面杂光总量与入射波长的关系示意，图7是根据本发明实施例提供的表面缺陷形成的PSF扰动示意图（已经做log处理）。
本发明提供一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，所述评估方法包括：
S1、基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据。
在一实施例中，请看图1、图4，光学传感器为Horos散射仪（hight sensitiveoptical roughness sensor，一种小型且便于移动的光学传感器），自控装置为六自由度机器人（包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴），六自由度机器人的6个关节合成实现末端的6自由度动作，令本申请的评估方法具有高灵活性、超大负载、高定位精度等众多优点），预设散射模型为哈维（Harvey）各向异性（Anisotropy）散射模型，在其他实施例中，除了xyz垂直三维空间向量，还可以用圆柱形坐标或球型坐标为本申请评估方法的坐标定义，本申请不加以限制。本申请提出的评估方法可以将仿真数据与实际散射数据进行比对，以完成对多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合。在其他实施例中，电子装置（图未示）还可以无线或有线控制光源（可视为像面发出的光线，图未示）按照预设的不规则顺序分别检测光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，以下将以多个公式分别说明步骤S1、的计算流程。
基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为：
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳（aperture point）与像面(source point)之间的距离，/>为波长/>的倒数，图4中，反射镜一1、像面一2、反射镜二3和像面二4可示意性地解释Cook型天基望远镜的工作原理。
根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
在其他实施例中，反射半球面的光场分布（U）还可以表示为：；
；
；
；
，用于说明本申请的评估方法可应用xyz三维空间为坐标向量及距离。
其中，在为光学系统的出瞳坐标的情况下，/>均为方向余弦，当反射半球面的表面为反射镜一的半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：
；
其中，根据Wiener-Khinchin Theorem定律（维纳-辛钦定理）完成对多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
S2、基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模。
在一实施例中，望远镜系统为天基望远镜系统，评估方法基于杂散光PSF(pointspread function)分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对天基望远镜系统性能的影响情况。杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF（Bi-directional Reflectance Distribution Function）为双向反射分布函数。因此，当接受面为半球状时，系统的PSF为未收到表面误差干扰的PSF与散射引起的PSF的卷积，由于此时PSF为角度定义，在一些文献中也称为角扩散函数。
S3、以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状相对设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径。
在一实施例中，在相应的散射属性表面形成与多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在光学元件的主镜上的情况下，在主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，/>为照明面积，/>为照明功率。换言之，对像面为平面的系统PSF影响来说，对于真实工作情况，需要对入射光进行规划，考虑本缺陷为在主镜上的情况，其照明面积就要用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除，以取得相关公式经计算后得出P defect,ill，用于改善因镜面表面在制程上形成的缺陷或是人为操作不当而影响到望远镜影像获取的效果。另外，为了保证卷积的有效性，还需要对散射/>叠加斯特里尔比(Strehl Ratio)函数。下述公式中，/>为理想的点扩散函数，为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
S4、根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹。
在一实施例中，对匹配光源在建好的望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数（）和理想的点扩散函数（*），对于在整体光线收发过程中有散射影响下，光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。表面缺陷的尺寸和入射光的波长相差并不是很大，若使用单纯的几何光学方法，其不满足反射定律，很难对表面进行建模分析，光线也不是按照原来的反射定律来传播，当采用物理光学方法对此进行计算，表面缺陷的高度又会影响相位分布，这种高度分布不是规则的，故传统方法很难得到对于整个系统的杂光影响。如图5所示为表面缺陷在像面形成的杂光。
在一实施例中，光学元件的表面粗糙度形成的散射会使得像面整体亮度升高，如图2所示为实际检测粗糙度与划痕的散射，粗糙度散射不会造成局部的激增。而划痕形成的散射会在像面产生亮度不均匀现象。如图3所示，光学元件的表面缺陷散射会形成散射不均匀的现象，这种现象限制了系统能探测到空间目标的极限星等，并且妨碍了从星图背景中分割提取目标，同时也难以获得相对完整的目标区域，严重时会导致低信噪比目标在阈值分割的过程中就直接丢失，并且在参数构建的过程中如果存在误差会直接导致目标丢失，这将降低目标的识别精度。如图5所示，为仿真表面缺陷在像面形成的杂光形成散射不均匀现象。当反射镜的表面缺陷在离轴三反系统中的位置不同时，这种“非均匀”的程度也会有所不同。当“三镜”存在划痕时，造成的散射会呈现出一种不均匀性，其像面杂散光强度之差可能达到数十倍。当划痕位于望远镜的三镜上时，像面的杂光分布如图4所示，在单位功率的光照强度下，Cook离轴三反系统中杂散光最强之处可以达到7×10-5量级。如图4所示为Cook型望远镜的示意图。综上所述，本评估方法可对Cook式离轴三反空间望远镜存在表面缺陷时的成像性能进行分析，如图7所示可以计算表面缺陷与PSF的定量关系，为表面缺陷的评估提供重要依据。本评估方法不仅对划痕，而且对麻点、表面脏污及沉积型颗粒等同样适用，增加光学评估精确性。
请看图8，本申请提出一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，所述评估系统800包括：
第一检测模块810，用于基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据；
第一评估模块820，用于基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模；
赋予模块830，用于以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状相对设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径；
设置模块840，用于根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹；
分析模块850，用于对追迹后的所述各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，根据所述像面杂光数据对所述光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。
优选的，所述评估系统800还包括：
所述光学传感器为Horos散射仪，所述自控装置为六自由度机器人，所述预设散射模型为哈维各向异性散射模型；
第二检测模块，用于基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为：
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳与像面之间的距离；
其中，根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
其中，均为方向余弦，所述反射半球面的表面为反射镜半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：/>
；
其中，完成对所述多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为所述仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
优选的，所述评估系统800包括：
所述望远镜系统为天基望远镜系统；
第二评估模块，用于基于杂散光PSF分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对所述天基望远镜系统性能的影响情况；
其中，所述杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF为双向反射分布函数。
优选的，所述评估系统800包括：
计算模块，用于在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在所述光学元件的主镜上的情况下，在所述主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关计算公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，/>为照明面积，/>为照明功率。
优选的，所述评估系统800包括评估：
追迹模块，用于对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数和理想的点扩散函数，对于在散射影响下的光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括：
基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据；
基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模；
以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径；
根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹；
对追迹后的所述各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，根据所述像面杂光数据对所述光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。
2.如权利要求1所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，其特征在于，在基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据，所述评估方法包括：
所述光学传感器为Horos散射仪，所述自控装置为六自由度机器人，所述预设散射模型为哈维各向异性散射模型；
基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为:
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳与像面之间的距离；
根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
其中，均为方向余弦，当所述反射半球面的表面为反射镜的半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：
；
其中，完成对所述多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为所述仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
3.如权利要求2所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，其特征在于，在基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统性能的影响情况中，所述评估方法包括：
所述望远镜系统为天基望远镜系统；
基于杂散光PSF分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对所述天基望远镜系统性能的影响情况；
其中，所述杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF为双向反射分布函数。
4.如权利要求1所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，其特征在于，在根据所述多个表面缺陷的形状设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径中，所述评估方法包括：
在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在所述光学元件的主镜上的情况下，在所述主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，Aill为照明面积，/>为照明功率。
5.如权利要求1所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法，其特征在于，在根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，所述评估方法包括：
对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数和理想的点扩散函数，对于在散射影响下的光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
6.一种基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，其特征在于，所述评估系统包括：
第一检测模块，用于基于光学传感器并结合自控装置对光学元件的多个表面缺陷进行检测，根据检测后的多个表面缺陷导出二维散射数据，利用预设散射模型对所述多个表面缺陷导出的所述二维散射数据进行拟合得到仿真数据；
第一评估模块，用于基于杂散光分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对望远镜系统的影响情况，利用光学设计软件对所述望远镜系统的影响情况进行建模，并将建模后的结果导入到所述杂散光分析软件中，实现对所述望远镜系统的精确建模；
赋予模块，用于以精确建模后的望远镜系统作为基准，根据所述基准在所述光学元件的出射面区域的不同位置赋予不同的散射属性；根据所述多个表面缺陷的形状设置不同的光源，在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径；
设置模块，用于根据与所述多个表面缺陷相同的光线路径设置匹配光源，并对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹；
分析模块，用于对追迹后的所述各视场内光线进行分析得到的像面杂光数据，根据所述像面杂光数据对所述光学元件的辐照度进行归一化处理并进一步优化。
7.如权利要求6所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，其特征在于，所述系统方法包括：
所述光学传感器为Horos散射仪，所述自控装置为六自由度机器人，所述预设散射模型为哈维各向异性散射模型；
第二检测模块，用于基于所述Horos散射仪并结合所述六自由度机器人对所述光学元件的多个表面缺陷通过傅里叶光学理论进行检测；
由所述傅里叶光学理论得到光传递函数OTF表示为：
；
*号代表求共轭，为光学系统的出瞳坐标，τ为光学系统中出瞳与像面之间的距离；
其中，根据惠更斯叠加原理，在光学系统中反射半球面的光场分布U表示为：
；
其中，均为方向余弦，所述反射半球面的表面为反射镜半径为γ时，则反射的光通量Ф以积分的形式表达为：
；
其中，为立体角，由以下公式计算得到：
；
其中，完成对所述多个表面缺陷的真实散射的高进度拟合像面二维散射数据以作为所述仿真数据的辐射强度由以下公式表示为：
。
8.如权利要求7所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，所述评估系统包括：
所述望远镜系统为天基望远镜系统；
第二评估模块，用于基于杂散光PSF分析软件评估高进度拟合后的多个表面缺陷造成的杂散光对所述天基望远镜系统性能的影响情况；
其中，所述杂散光PSF分析软件由以下公式计算得到：
；
其中，BRDF为双向反射分布函数。
9.如权利要求6所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，其特征在于，所述评估系统包括：
计算模块，用于在相应的散射属性表面形成与所述多个表面缺陷相同的光线路径后，并同时考虑所述多个表面缺陷为在所述光学元件的主镜上的情况下，在所述主镜的照明面积用缺陷尺寸与整个镜面的面积相除的相关计算公式P defect,ill如下：
；
其中，为缺陷面积，/>为照明面积，/>为照明功率。
10.如权利要求6所述的基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估系统，其特征在于，所述评估系统包括评估：
追迹模块，用于对所述匹配光源在建好的所述望远镜系统的精确建模中对各视场内光线进行追迹后，形成具有划痕散射下的系统点扩散函数和理想的点扩散函数，对于在散射影响下的光学系统的PSF的公式如下：
；
其中，为理想的点扩散函数，/>为在具有划痕散射下的系统点扩散函数。
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|---|---|
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10206335A (ja) * | 1997-01-20 | 1998-08-07 | Ricoh Co Ltd | 表面欠陥検査装置及び検査方法 |
| US6603542B1 (en) * | 2000-06-14 | 2003-08-05 | Qc Optics, Inc. | High sensitivity optical inspection system and method for detecting flaws on a diffractive surface |
| TW201409021A (zh) * | 2012-08-31 | 2014-03-01 | Nat Applied Res Laboratories | 檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法 |
| CN104833679A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-08-12 | 浙江大学 | 一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法 |
| CN105092607A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 球面光学元件表面缺陷评价方法 |
| WO2016041456A1 (zh) * | 2014-09-18 | 2016-03-24 | 浙江大学 | 球面光学元件表面缺陷评价系统及其方法 |
| CN107356608A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-11-17 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法 |
| CN111899215A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-06 | 浙江大学 | 一种光学元件体缺陷的提取方法 |
| CN112883601A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-06-01 | 歌尔股份有限公司 | 表面缺陷检测方法、装置、设备及存储介质 |
| CN113686903A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-11-23 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种光学元件缺陷检测系统及检测方法 |
| CN114096834A (zh) * | 2019-07-09 | 2022-02-25 | 科磊股份有限公司 | 用于光学表面缺陷材料特性化的方法及系统 |
| CN115479951A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-16 | 齐鲁中科光物理与工程技术研究院 | 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统 |
| CN116315988A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-23 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种多程放大系统中非确定杂散光诱导预脉冲抑制方法 |
| CN116612106A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-08-18 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于yolox算法的光学元件表面缺陷检测方法 |
-
2023
- 2023-11-07 CN CN202311470300.1A patent/CN117232790B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10206335A (ja) * | 1997-01-20 | 1998-08-07 | Ricoh Co Ltd | 表面欠陥検査装置及び検査方法 |
| US6603542B1 (en) * | 2000-06-14 | 2003-08-05 | Qc Optics, Inc. | High sensitivity optical inspection system and method for detecting flaws on a diffractive surface |
| TW201409021A (zh) * | 2012-08-31 | 2014-03-01 | Nat Applied Res Laboratories | 檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法 |
| WO2016041456A1 (zh) * | 2014-09-18 | 2016-03-24 | 浙江大学 | 球面光学元件表面缺陷评价系统及其方法 |
| CN104833679A (zh) * | 2015-04-29 | 2015-08-12 | 浙江大学 | 一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法 |
| CN105092607A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-25 | 浙江大学 | 球面光学元件表面缺陷评价方法 |
| CN107356608A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-11-17 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法 |
| CN114096834A (zh) * | 2019-07-09 | 2022-02-25 | 科磊股份有限公司 | 用于光学表面缺陷材料特性化的方法及系统 |
| CN111899215A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-06 | 浙江大学 | 一种光学元件体缺陷的提取方法 |
| CN112883601A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-06-01 | 歌尔股份有限公司 | 表面缺陷检测方法、装置、设备及存储介质 |
| CN113686903A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-11-23 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种光学元件缺陷检测系统及检测方法 |
| CN115479951A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-16 | 齐鲁中科光物理与工程技术研究院 | 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统 |
| CN116315988A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-23 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种多程放大系统中非确定杂散光诱导预脉冲抑制方法 |
| CN116612106A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-08-18 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于yolox算法的光学元件表面缺陷检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 李凌众等: "光学元件亚表面缺陷表征与检测技术研究现状分析(特邀)", 红外与激光工程, no. 012, pages 219 - 241 * |
| 杨菲菲等: "全内反射技术检测大口径光学元件体内缺陷", 中国激光, no. 06, pages 214 - 223 * |
| 王忠生等: "大孔径空间探测系统的缺陷分布分析", 传感器与微系统, no. 01, pages 42 - 44 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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