CN202710290U

CN202710290U - 大视场杂散光pst测试装置

Info

Publication number: CN202710290U
Application number: CN 201220325628
Authority: CN
Inventors: 徐亮; 赵建科; 周艳; 刘峰; 张周峰; 胡丹丹; 张洁
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2022-07-06

Abstract

一种大视场杂散光PST测试装置，包括大动态范围光源、平行光管、洁净室、高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统；平行光管设置在大动态范围光源的出射光路上；EMCCD设置在高负载转台上并与数据采集及处理系统电性相连；大动态范围光源与数据采集及处理系统电性相连；高负载转台设置在经平行光管后的出射光路上；大动态范围光源、平行光管、高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统设置在洁净室内部。本实用新型提供了一种能够有效的在地面对航天相机遮光罩的杂散光抑制能力进行考核、对相机的整机信噪比进行估算、可保证航天相机发射上天后能够清晰成像以及具有超大视场和高精度的大视场杂散光PST测试装置。

Description

大视场杂散光PST测试装置

技术领域

本实用新型属于光学领域，涉及一种光学系统视场外杂散光抑制能力的测试装置，尤其涉及一种主要用于各类光学相机在光机对接前对其杂散光抑制能力的考核，尤其是在航天弱目标探测类相机在发射前的性能测试，保证了相机光机对接及发射上天后能够清晰成像的目的的大视场杂散光PST测试装置。

背景技术

近年来，随着高灵敏度，低探测阈值探测器的发展，对空间光学系统杂散光的抑制有了更高的要求，这就要求杂散光测量系统有更高的精度。

杂散光辐射是指光学系统中除了目标（或成像光线外）扩散于探测器（或成像）表面上的其它非目标（或非成像）光线辐射能，以及经非正常光路到达探测器的目标光线辐射能。星载各种相机大多工作在系统视场外有强烈辐射源的恶劣环境中，同时，被探测目标信号又非常微弱，这些强烈杂光辐射比所探测目标辐射强度常常高出几个数量级，经过光学系统孔径的衍射，以及结构与光学元件表面的散射、反射到达像面探测器形成杂散光。它产生的原因错综复杂，不仅与制造光学系统的工艺、材料有关，还与像差特性、衍射现象、目标特征有关，它使相机对比度和调制传递函数明显降低，整个像面层次减少，清晰度变坏，甚至形成杂光斑点，严重时使目标信号完全被杂散光辐射噪声淹没。

杂散光是影响光学系统成像的主要因素之一，它使探测器面背景变亮，导致像面对比度和调制传递函数下降，系统信噪比降低，从而影响图像清晰度，严重时甚至会使系统失效。研究的视场外杂散光测试方法是以航天在轨高像质探测类相机为背景，展开对航天相机在地面杂散光抑制能力定标技术进行研究的。目前众多航天光学载荷上天后，都存在杂散光问题带来的图像质量下降，这样将直接降低其传递函数，影响成像质量。

杂散光产生的原因主要有3个：光学系统视场外部辐射、光学系统内部辐射以及成像光线的散射。传统光学系统杂散光测量普遍使用的是整体包覆后用积分球测试的黑斑法。这种测试方法只能验证目标源经过光学系统后产生的杂散光辐射，然而对于航天高灵敏度探测类相机会受视场外其他辐射源产生的杂散光辐射，造成的目标对比度下降。比如，视场外明亮物体（太阳、月亮、地气系统等）的强烈辐射经相机光学系统后以杂散光形式在探测器上产生背景噪声辐射，影响相机光学系统的探测能力，因此须研究光学系统视场外杂散光的抑制问题。点源透过率PST（Point Source Transmittance）是一个科学的、可检测的光学系统杂光指标，它已被广泛用于设计和评价高灵敏的目标探测系统，并取得了良好的结果。

目前，在各种航天相机的研制中，常见的杂散光测试方法要么就是黑斑法视场内杂散光系数测试，要么就是小口径、小视场PST测试，以往的这些测试方法虽然能在一定程度上满足相应的使用，然而对于高灵敏度、衍射极限级相机来说，以往的测试方法显得就测试范围较小、测试精度太低，从而不能满足这类相机的视场外杂散光抑制能力可靠性评估。

以往的PST测试系统采用的都是高灵敏度PMT探测器作为接收器，激光器作为光源来完成测试；若采用PMT作为探测器，由于其自身在单光子量级探测时动态范围较小，往往采用衰减片组来进行光能衰减，然而采用衰减片组会使光能在衰减片组件内部产生多次反射而造成的测量误差；同时PMT在探测微弱光时，其稳定性较差，往往会受环境温度及电磁干扰的影响，因此针对PMT探测器具有的缺陷，应研究另外一种弱光探测方法。另外，若采用激光器作为光源，虽能得到较高的出射光能，但是在不同复色光相机测试中，则不能满足测试条件与使用条件一致，且光能不能实时线性调节，即输出光能动态范围小；与此同时，这种高功率激光器的使用，往往会使平行光管主镜玻璃表面烧伤。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种能够有效的在地面对航天相机遮光罩的杂散光抑制能力进行考核、对相机的整机信噪比进行估算、可保证航天相机发射上天后能够清晰成像以及具有超大视场和高精度的大视场杂散光PST测试装置。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种大视场杂散光PST测试装置，其特殊之处在于：所述测试装置包括大动态范围光源、平行光管、洁净室、用于调整待测光学系统不同离轴角的高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统；所述平行光管设置在大动态范围光源的出射光路上；所述EMCCD设置在高负载转台上并与数据采集及处理系统电性相连；所述大动态范围光源与数据采集及处理系统电性相连；所述高负载转台设置在经平行光管后的出射光路上；所述大动态范围光源、平行光管、高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统设置在洁净室内部。

上述大动态范围光源包括积分球、氙灯、可变光阑以及亮度检测器；所述氙灯设置在积分球内部；所述积分球的内壁上设置有光源入口以及光源出口；所述光源入口处设置有可变光阑；所述光源出口处设置有亮度检测器。

上述大视场杂散光PST测试装置还包括斩光器以及数字锁相放大器；所述斩光器设置在大动态范围光源的出射光路上；所述EMCCD通过数字锁相放大器与斩光器相连；所述数据采集及处理系统分别与斩光器和数字锁相放大器电性相连。

上述大视场杂散光PST测试装置还包括用于消除和减少待测光学系统的出口反射光造成的环境杂散光对目标源杂散光测试影响的双柱罐；所述EMCCD以及待测光学系统设置在双柱罐内部。

上述大视场杂散光PST测试装置还包括罩接于待测光学系统并用于抑制杂散光对待测光学系统的光学性能影响的消杂光遮光罩，所述消杂光遮光罩设置在双柱罐内部。

上述洁净室是不低于100级的洁净室。

上述平行光管是离轴平行光管。

本实用新型的优点是：

本实用新型分析了航天相机上天后由于视场外杂散光所带来的问题，结合传统的黑斑法及低精度视场外杂散光测试原理，提出了一种在地面定标航天相机杂散光抑制能力的装置，能够有效的在地面对航天相机遮光罩的杂散光抑制能力进行考核，对相机的整机信噪比进行估算，提出遮光罩修改型设计方案，保证了航天相机发射上天后能够清晰成像，其有益效果是：

本实用新型所提供的装置可精确验证相机杂散光在不同视场的抑制能力，其测试PST测试范围可扩展至10^-1～10^-12，完全保证航天相机在上天后能清晰成像，这种在地面对航天相机杂散光精确测试的将成为航天相机在轨清晰成像的关键技术，考虑到该课题的研究是用于对在轨航天相机杂散光测试的关键技术，该项技术的研究成功，将预示着国内航天相机杂散光地面标定技术进入一个新的台阶。因此，开展航天相机大视场、高精度杂散光技术的研究，将对我国航天光学载荷的发展起着推动性作用。

本实用新型所所提供的高精度大视场杂散光PST测试装置，利用点源透过率原理，结合传统的杂散光测试装置，提出了一种高精度大视场视场外杂散光测试装置，其测试精度突破以往测试精度，PST测量值从原来的10^-8提高至10^-12；同时，为了消除环境杂散光的影响，首次将整个实验装置设置在100级洁净室，从而减少空气中微尘颗粒造成瑞利散射而产生的环境杂散光对测试的影响；第三，本实用新型利用光学斩波技术与数字锁相技术，实现了亮背景暗目标微弱杂散光信号提取的目的；第四，本实用新型采用了一种大动态范围光源，并在光源内部设置一种可实时监控出口光能的探测器，保证了出射光能在10^-4～10⁴W/m²/sr动态精确调整，这种装置完全替代了以往的衰减片衰减光能法，从而提高了测量精度；第五，本实用新型采用特制的双柱罐舱体结构，将被测相机光学系安装在双柱罐内，可有效的消除和减小待测光学系统反射产生的环境辐射杂散光对测量的影响；第六，本实用新型还配置了大口径平行光管，突破了以往可测杂散光视场小的缺陷±30°，其杂散光可测视场范围扩大至±65°。

附图说明

图1是本实用新型所提供的测试装置的结构示意图；

1-100级洁净室；2-双柱罐；3-高负载转台；4-EMCCD；5-待测光学系统；6-消杂光遮光罩；7-离轴平行光管；8-数据采集及处理系统；9-数字锁相放大器；10-大动态范围光源；11-斩光器。

具体实施方式

本实用新型在提供一种大视场杂散光PST测试装置。参见图1，本实用新型所提供的大视场杂散光PST装置包括：100级洁净室1、双柱罐2、高负载转台3、EMCCD4、待测光学系统5、消杂光遮光罩6、离轴平行光管7、数字锁相放大器9、大动态范围光源10、斩光器11以及数据采集及处理系统8组成。

平行光管设置在大动态范围光源10的出射光路上；EMCCD4设置在高负载转台3上并与数据采集及处理系统8电性相连；大动态范围光源与数据采集及处理系统电性相连；高负载转台设置在经平行光管后的出射光路上；大动态范围光源、平行光管、高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统设置在洁净室内部。

大动态范围光源包括积分球、氙灯、可变光阑以及亮度检测器；氙灯设置在积分球内部；积分球的内壁上设置有光源入口以及光源出口；光源入口处设置有可变光阑；光源出口处设置有亮度检测器。

大视场杂散光PST测试装置还包括斩光器11以及数字锁相放大器9；斩光器11设置在大动态范围光源10的出射光路上；EMCCD4通过数字锁相放大器9与斩光器11相连；数据采集及处理系统8分别与斩光器11和数字锁相放大器9电性相连。EMCCD4以及待测光学系统5设置在双柱罐内部，消杂光遮光罩6设置在双柱罐2内部，并罩接在待测光学系统5上。

洁净室可以是不低于100级的各种洁净室，平行光管是离轴平行光管。

本实用新型的工作原理是：选用大动态范围积分球（大动态范围光源10）为平行光管（离轴平行光管7）点光源，将大功率氙灯设置在积分球内，同时在积分球内壁光源入口处设置可变光阑，由其控制器控制其出口辐亮度，并在出口附近设置辐亮度检测器，可实时监测出口辐亮度的大小，其出射光辐亮度可调整范围为0～10⁴W/m²/sr。此时将积分球出口设置在平行光管（离轴平行光管7）焦面处，通过平行光管（离轴平行光管7）准直为一均匀的大口径光束，能够完全充满被测光学系统（待测光学系统5）入瞳。

在杂散光测试前，先将整个测试装置安置在100级洁净室1中，这样可减小空气中灰尘颗粒导致瑞利散射所产生的环境杂散光的影响。首先将高灵敏度EMCCD4放置在高精度转台（高负载转台3）旋转中心处，调整积分球出口辐亮度大小，并设置EMCCD4增益及其曝光时间，使其CCD的响应在饱和度范围内，此时对出射的准直光束进行测量，即为被测光学系统入瞳处照度的响应度。再将待测光学系统5放置于双柱罐2内高精度转台（高负载转台3）上，使被测相机入瞳与高精度转台（高负载转台3）回转中心重合，同时保证被测相机光轴与平行光管（离轴平行光管7）光轴重合。在光学系统（待测光学系统5）像面处安装EMCCD4，EMCCD4与光学系统（待测光学系统5）两者位置相对固定，并随转台（高负载转台3）一起转动。由待测光学系统5视场外开始，每隔一固定角度，调整光源处辐亮度及EMCCD4的增益和曝光时间，保证在不同位置处的像面辐照度均小于EMCCD4的饱和度，采集不同视场位置杂散光辐照的响应度，该响应度与待测光学系统入瞳处的响应度的比值即为其视场外视场角为θ的PST值：

PST (θ) = \frac{E_{d} (θ)}{E_{o}} - - - (1)

式中：θ为光学系统视场外视场角的点源目标，PST(θ)为被测相机杂散光抑制比，E_d(θ)为点目标经光学系统在像面处产生的照度，E_O为光学系统入瞳出的照度。

测试时，为了保证在离轴角较大时，EMCCD4能够响应极弱的杂散光光能，在光源出口处设置斩光器11，使用斩光器11将光源信号调制为频率为1500HZ的高频信号，通过数字锁相放大器9从强低频信号中提取频率为1500HZ的目标杂散光高频信号，从而可保证EMCCD4在极弱杂散光情况下，能从环境杂散光中分离出目标信号杂散光。最后利用数据采集及处理系统8将不同视场采集到的光能信号，按照公式（1）可计算出各离轴角对应的PST值。

其中各部分的功能如下介绍：

100级洁净室1主要是为了降低空气中微尘颗粒分子所产生的瑞利散射，进而造成环境杂散光引起的测量误差。

双柱罐2主要为了消除和减少被测相机出口反射光造成的环境杂散光对目标源杂散光测试的影响；

高负载转台3主要提供被测相机不同的离轴角，满足不同视场角的杂散光测试。

EMCCD4的作用主要是由于其具有高灵敏度单光子量级的探测能力，很适用于这种极弱杂散光的探测，另外，EMCCD4具有大动态范围探测性能线性响应一致的特性，即可满足大动态范围PST测试的要求。

待测光学系统5是该测试装置的试验件，用于验证该测试装置的可行性。

消杂光遮光罩6与待测光学系统5连接在一起，主要为了抑制杂散光对被测相机光学性能的影响，该试验主要是为了验证待测光学系统5与消杂光遮光罩6的杂散光抑制能力。

离轴平行光管7主要提供无穷远处的点目标源。

数据采集及处理系统8主要完成待测光学系统5在不同离轴角的杂散光采集，同时完成PST测试的数据处理、曲线绘制。

数字锁相放大器9主要用于从强低频信号中提取目标杂散光高频信号。

斩光器11是将光源目标信号调制为高频信号；数字锁相放大器9配合斩光器11可完成微弱目标杂散光信号与环境杂散光的剔除，满足亮背景暗目标提取的作用。

大动态范围光源10主要为了提供模拟测试光谱范围用的光能辐射，同时可准确模拟10^-4～10⁴W/m²/sr光能的动态变化，彻底改善了以往用衰减片来实现大动态范围光能变化的缺陷，配合大动态范围探测能力的EMCCD，可实现PST值为10^-12的测试。

Claims

1.一种大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述测试装置包括大动态范围光源、平行光管、洁净室、用于调整待测光学系统不同离轴角的高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统；所述平行光管设置在大动态范围光源的出射光路上；所述EMCCD设置在高负载转台上并与数据采集及处理系统电性相连；所述大动态范围光源与数据采集及处理系统电性相连；所述高负载转台设置在经平行光管后的出射光路上；所述大动态范围光源、平行光管、高负载转台、EMCCD以及数据采集及处理系统设置在洁净室内部。

2.根据权利要求1所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述大动态范围光源包括积分球、氙灯、可变光阑以及亮度检测器；所述氙灯设置在积分球内部；所述积分球的内壁上设置有光源入口以及光源出口；所述光源入口处设置有可变光阑；所述光源出口处设置有亮度检测器。

3.根据权利要求1或2所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述大视场杂散光PST测试装置还包括斩光器以及数字锁相放大器；所述斩光器设置在大动态范围光源的出射光路上；所述EMCCD通过数字锁相放大器与斩光器相连；所述数据采集及处理系统分别与斩光器和数字锁相放大器电性相连。

4.根据权利要求3所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述大视场杂散光PST测试装置还包括用于消除和减少待测光学系统的出口反射光造成的环境杂散光对目标源杂散光测试影响的双柱罐；所述EMCCD以及待测光学系统设置在双柱罐内部。

5.根据权利要求4所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述大视场杂散光PST测试装置还包括罩接于待测光学系统并用于抑制杂散光对待测光学系统的光学性能影响的消杂光遮光罩，所述消杂光遮光罩设置在双柱罐内部。

6.根据权利要求5所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述洁净室是不低于100级的洁净室。

7.根据权利要求6所述的大视场杂散光PST测试装置，其特征在于：所述平行光管是离轴平行光管。