CN203479497U - 杂光系数和点源透过率复合测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及杂光系数和点源透过率复合测试系统，能够较大程度节约成本。本系统包括用于测杂光系数的第一系统以及用于测点源透过率的第二系统，第一系统与第二系统共用同一个准直反射镜。本实用新型创新式的使用了离轴反射镜机构，极大的节约了测试成本，通过光源系统、采集系统等的配合，实现了对大口径、长焦距相机光学部件杂散光抑制能力的准确、全面测试。

Description

杂光系数和点源透过率复合测试系统

技术领域

本实用新型属于光学检测领域，涉及一种低成本的杂光系数和点源透过率复合测试系统，尤其涉及一种针对同时具有杂光系数测试和点源透过率测试的实验室，建立的一套高精度、复合式、低成本的测试系统。

背景技术

近年来，随着高灵敏度、低探测阈值探测器的发展，人们对深空微弱目标的探测便成为了可能，而光学系统杂散光的抑制能力将直接影响到微弱目标的探测，为了寻求更好的抑制杂散光的技术，光学测试必不可少，一种能全面、高精度的对光学系统杂散光抑制能力进行测试的检测设备便呼之欲出了。

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。近地空间光学系统由于在太空中工作，各种目标背景复杂，变化多端，对于光学系统的视场外有强烈辐射源，工作环境恶劣。同时，被探测目标信号又非常微弱，这些强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。

当今在各种航天相机的研制中，杂散光的测试方法有两种，一种是采用积分球系统、大口径准直镜、黑斑目标和探测器测量相机视场内杂散光系数，评价相机杂光抑制能力。另一种是采用高亮度光源、大口径准直镜、转台和探测器测量相机视场外点源透过率PST(Point Source Transmittance)，评价杂散光抑制能力。对于弱目标探测用相机而言，不仅及易受视场外明亮天体太阳光、地气、星光、极光等的强烈辐射遮光罩表面产生杂光造成的目标对比度和成像质量下降，而且也极易受太阳光、地气光和月光在某个成像时刻进入视场内，经过镜面、镜筒和探测器表面散射产生的杂光造成的目标对比度和成像质量下降。因此，对这类相机既要评价视场内杂光的影响，还要测量视场外杂光的影响。

传统的黑斑法测试杂散光时，考虑到透射式准直物镜产生的杂光会对测试结果引入较大影响，使用离轴抛物式反射镜基本不引入杂光，可以有效的解决上述问题。点源透过率测试时，也需要使用到准直物镜。研究表明，大口径探测相机探测目标非常微弱，例如口径为Ф500mm、焦距5m的相机，极限探测星等可达15等星，这类相机在杂散光抑制方面需要多种措施。杂散光测试时需要的准直系统口径必须大于被测相机，而一款口径1m左右，焦距30m左右的离轴反射式准直系统的造价高达1000多万元，而系统主镜的成本接近系统总成本的80%，若按上述两种方法各自购置必须的准直物镜，设备购置费及其昂贵，无法负担，如此，将严重影响科研院所、企事业单位等测试实验室的发展和能力的提高。

发明内容

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较大程度节约成本的复合式杂散光和点源透过率测试系统。

本实用新型的技术解决方案是：

杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特殊之处在于，包括用于测杂光系数的第一系统以及用于测点源透过率的第二系统，第一系统包括积分球系统和准直反射镜，第二系统包括准直反射镜和次镜，所述第一系统与第二系统共用同一个准直反射镜；当测量杂光系数时，准直反射镜位于积分球系统的开口处，当测量点源透过率时，准直反射镜位于次镜的出射光路上。

第一系统放置准直反射镜的位置与第二系统放置准直反射镜的位置之间设置有滑轨；所述准直反射镜包括大口径离轴抛物镜和与滑轨匹配的滚轮。

复合测试系统还包括用于将大口径离轴抛物镜固定在测试位置的定位装置。

第一系统包括积分球系统、准直反射镜、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元；准直反射镜设置在积分球系统的开口处，被测光学系统设置在积分球系统的出光口处；被测光学系统的输出端与采集系统连接；控制系统分别与积分球系统、采集系统、数据处理单元以及显示单元相连。

第二系统包括激光器、星点单元、准直系统、转台、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元；星点单元设置在激光器与准直系统之间并处于准直系统的焦平面上，准直系统包括准直反射镜、次镜；次镜、准直反射镜依次设置在激光器经星点单元后的出射光路上；被测光学系统设置在经准直反射镜反射后的出射光路上，转台设置在被测光学系统下方，被测光学系统的输出端与采集系统连接；控制系统分别与激光器、准直反射镜、转台、采集系统、数据处理单元以及显示单元相连。

第一系统和第二系统共用一套采集系统、控制系统、数据处理单元和显示单元。

本实用新型的优点是：

（1）本实用新型首次创新式的使用了机动式准直反射镜，通过光源系统、采集系统等的配合，实现了对大口径、长焦距相机光学部件杂散光的准确、全面测量。解决了传统杂散光测试设备购置费用昂贵、测试不全面的局限性，极大程度的降低了设备成本，以上述Ф1m通光口径的测试设备而言，可节省至少1000万元的设备购置费用，非常适合在工程应用中推广和使用。

（2）本实用新型的机动式反射镜安装有可与滑轨光滑接触的滚轮，机动式反射镜在杂光系数测试、点源透过率测试过程中机动运动，在运动动前后，可以保证离轴反射镜的面形不发生变化，不会对测试精度产生影响。

（3）本实用新型在滑轨上为机动式反射镜设置了准确的定位机构，足以保证积分球系统和准直系统光束的准直度优于5″，从而不会影响测试结果。

（4）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统可完成光学系统视场内杂光系数的测量和视场外点源透过率的测量，可以全面涵盖光学系统杂散光抑制能力的测试。

（5）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，杂光系数测试精度可达0.5%，点源透过率测试精度可达10^-6。

（6）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，积分球系统内的光源选用多枚卤钨灯、氙灯，可以模拟3000K～6500K的色温。

（7）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，选用大功率激光器，可提高点源透过率的测试精度。激光器波长选用650nm、2.2μm、10.6μm，可满足可见、中波红外、长波红外波段的测试需求。

（8）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，准直系统选用口径为1m，焦距为30m的机动式离轴反射镜（抛物面镜），光谱范围与激光器波长匹配，可覆盖可见、红外波段的点源透过率测试。

（9）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可根据不同被测光学系统的通光口径大小调整准直系统出射光束的口径，以满足不同相机测试的需要。

（10）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，光谱采集系统使用了积分球采集装置结构，可以消除光电倍增管等光电探测设备由于入射光角度的不同引入的对测试结果的影响。

（11）本实用新型的低成本杂光系数和点源透过率复合测试系统，光谱采集系统使用了光电倍增管，响应率高、噪声低，可以满足点源透过率测试精度的需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

其中：1-卤钨灯、氙灯；2-可更换式黑白塞；3-牛角机构；4-激光器；5-星点单元；6-准直离轴反射镜；7-大口径离轴抛物镜；9-次镜；10-高精度滑轨；11-被测光学系统；12-转台；13-积分球采集装置；14-可变光阑；15光电倍增管；16-积分球系统；17-准直系统；18-采集系统；19-数据处理单元；20-显示单元；21-控制系统。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供了一种低成本的杂光系数和点源透过率复合测试方法，包括以下步骤，

1】调试出用于测杂光系数的第一系统中的准直反射镜的位置a并标记；调试出用于测点源透过率的第二系统中的准直反射镜的位置b并标记；

2】第一系统与第二系统共用一个准直反射镜，准直反射镜优选准直离轴反射镜6当测量杂光系数时，将准直反射镜移至第一系统中标记的位置a；当测量点源透过率时，将同一个准直反射镜移至第二系统中标记的位置b。

较佳的，在位置a与位置b之间设置高精度的滑轨，准直反射镜包括大口径离轴抛物镜和与滑轨匹配的滚轮，大口径离轴抛物镜通过滚轮置于滑轨上。准直反射镜可以是电动控制的，即机动式准直反射镜，也可以是手动控制的。

将准直反射镜移至第一系统中标记的位置a后，杂光系数具体是这样测量的：

1】第一系统中的积分球系统为测试提供2π立体角的均匀面光源；

2】在准直反射镜的光轴与积分球系统内壁交点处安装黑孔，黑孔尺寸的选取原则为：黑孔在被测光学系统上所成的像直径d，为被测光学系统线视场L的1/5～1/10；

3】在被测光学系统焦面处使用采集系统进行光照度测量，采集系统中的可变光阑位于黑孔所成焦面像的中心，可变光阑的直径为黑孔像直径的1/5～1/10，采集系统采集的黑孔像的光照度为E_黑；

4】将积分球系统内的黑孔替换为白板，白板涂层与积分球系统内壁涂层相同，使用采集系统采集白板所成像的光照度E_白；

5】根据公式η=E_黑/E_白 ^*100%计算被测光学系统的杂光系数η。

将准直反射镜移至第二系统中标记的位置b后，点源透过率具体是这样测量的：

1】激光器照亮准直系统焦面处星点单元，准直系统发出准直光束；准直系统包括准直反射镜和次镜，次镜、准直反射镜依次设置在激光器经星点单元后的出射光路上；

2】使用采集系统采集被测光学系统入瞳处的光照度E_入瞳；

3】移动采集系统使之位于被测光学系统焦面处，使采集系统、被测光学系统、准直系统同轴，将被测光学系统转动θ角；采集系统采集此时光学系统焦面处光照度E_θ；

4】根据公式PST=E_θ/E_入瞳计算不同视场角下，被测光学系统的点源透过率PST。

参见图1，本实用新型提供了一种低成本的杂光系数和点源透过率复合测试系统，包括用于测杂光系数的第一系统以及用于测点源透过率的第二系统，第一系统包括积分球系统和准直反射镜等，第二系统包括准直反射镜和次镜等，所述第一系统与第二系统共用同一个准直反射镜；当测量杂光系数时，准直反射镜位于积分球系统的开口处，当测量点源透过率时，准直反射镜位于次镜的出射光路上。

第一系统包括但不限于由以下部分组成的系统，第一系统包括积分球系统、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元。

积分球系统可以采用现有的系统，包括多枚卤钨灯、氙灯1、可更换式黑白塞2、牛角机构3、准直反射镜，卤钨灯、氙灯均匀分布于积分球系统球体内壁上，可更换式黑白塞位于准直反射镜的焦面位置，牛角机构位于黑白塞后端、积分球系统球体外部；所述准直反射镜设置在积分球系统16的开口处。积分球系统的直径为Ф10m，出光口开口直径为Ф1m，90%口径内面均匀性优于98%，角均匀性优于95%。被测光学系统11设置在积分球系统16的出光口处；被测光学系统11的输出端与采集系统18连接；所述控制系统21分别与积分球系统16、采集系统18、数据处理单元19以及显示单元20相连。

杂光系数测量时，根据需求设置积分球系统内氙灯、卤钨灯的开启个数来实现积分球系统输出亮度的调整。

第二系统包括但不限于由以下部分组成的系统，第二系统包括激光器、星点单元、准直系统、转台、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元。星点单元5设置在激光器4与准直系统17之间并处于准直系统的焦平面上，准直系统17为离轴反射光学系统，包括准直离轴反射镜6、次镜9；次镜、准直反射镜依次设置在激光器经星点单元后的出射光路上；被测光学系统设置在经准直反射镜反射后的出射光路上，转台12设置在被测光学系统11下方，承载被测光学系统并保证其在水平方向实现转动；被测光学系统11的输出端与采集系统18连接；控制系统21分别与激光器4、准直反射镜、转台12、采集系统18、数据处理单元19以及显示单元20相连。

上述准直系统的焦距为30m，口径为Ф1m，光谱范围可覆盖可见、近红外和长波红外。

上述采集系统18包括积分球系统式采集装置13、可变光阑14和光电倍增管15；可变光阑14位于被测光学系统11焦面处，可变光阑14、光电倍增管15分别位于积分球系统式采集装置13侧壁上。

上述控制系统21、数据处理单元19以及显示单元20均封装于计算机内。

在杂光系数和点源透过率分别测量过程中，第一系统与第二系统共用一个准直反射镜，成本可节省至少1000万元，也可以共用一套采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元。

较佳的，为保证积分球系统和准直系统的光束准直性，在积分球系统与准直系统之间设置高精度的滑轨，可使准直反射镜精密运动至既定位置。准直反射镜包括大口径离轴抛物镜和与滑轨匹配的滚轮，滚轮设置于大口径离轴抛物镜的下方，滚轮与滑轨光滑接触，此滚轮可保证大口径离轴抛物镜在滑轨上稳定运动，几乎不产生振动，不会对大口径离轴抛物镜的面形产生影响。

较佳的，复合测试系统还包括用于将大口径离轴抛物镜固定在测试位置的定位装置。

星点单元5是由星点目标靶板组成的。

本实用新型巧妙的抓住了杂光系数测试和点源透过率测试的精髓，通过对测试过程的深入分析，找出了一套既能保证测试精度，又能最大限度的节约测试设备购置成本的方案，并依此思想，设计了本复合测试系统。

上述构思的灵感来源是代代传承的工程经验，工程应用中要对研制设备进行全面测试，用以确定设备的各性能参数是否能满足需求。全面的指标测试，需要大量的测试系统予以支持。高精度测试系统的购置必然会提高项目的费用，为了解决以上的矛盾，在不删减测试指标的前提下，寻求相关指标测试的共性，选择、复合式、低成本的测试系统，便成为工程应用中不可或缺的部分。

本实用新型依据以上思想，依靠机动式准直反射镜，创造性的将杂光系数测试与点源透过率测试进行了统一，在高精度滑轨和滑轮的配合下，保证了离轴准直反射镜在两种测试中的精确位置，在不降低原有测试精度的基础上，大大节约了设备购置的费用，此系统实用新型过程中这种深挖共性、力降成本的设计思路，值得被推广和借鉴。此系统亦非常适合在工程应用中直接实施。

Claims (6)

1.杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，包括用于测杂光系数的第一系统以及用于测点源透过率的第二系统，第一系统包括积分球系统和准直反射镜，第二系统包括准直反射镜和次镜，所述第一系统与第二系统共用同一个准直反射镜；当测量杂光系数时，准直反射镜位于积分球系统的开口处，当测量点源透过率时，准直反射镜位于次镜的出射光路上。

2.根据权利要求1所述的杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，所述第一系统放置准直反射镜的位置与第二系统放置准直反射镜的位置之间设置有滑轨；所述准直反射镜包括大口径离轴抛物镜和与滑轨匹配的滚轮。

3.根据权利要求2所述的杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，所述复合测试系统还包括用于将大口径离轴抛物镜固定在测试位置的定位装置。

4.根据权利要求1或2或3所述的杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，第一系统包括积分球系统、准直反射镜、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元；准直反射镜设置在积分球系统的开口处，被测光学系统设置在积分球系统的出光口处；被测光学系统的输出端与采集系统连接；控制系统分别与积分球系统、采集系统、数据处理单元以及显示单元相连。

5.根据权利要求4所述的杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，第二系统包括激光器、星点单元、准直系统、转台、采集系统、控制系统、数据处理单元、显示单元；星点单元设置在激光器与准直系统之间并处于准直系统的焦平面上，准直系统包括准直反射镜、次镜；次镜、准直反射镜依次设置在激光器经星点单元后的出射光路上；被测光学系统设置在经准直反射镜反射后的出射光路上，转台设置在被测光学系统下方，被测光学系统的输出端与采集系统连接；控制系统分别与激光器、准直反射镜、转台、采集系统、数据处理单元以及显示单元相连。

6.根据权利要求5所述的杂光系数和点源透过率复合测试系统，其特征在于，第一系统和第二系统共用一套采集系统、控制系统、数据处理单元和显示单元。

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