雜光係數和點源透過率複合測試方法及系統的製作方法
2023-05-31 04:41:51 6
雜光係數和點源透過率複合測試方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及雜光係數和點源透過率複合測試方法及系統，能夠較大程度節約成本。本方法預先調試出準直反射鏡在第一系統和第二系統中的位置，當測量雜光係數時，將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置；當測量點源透過率時，將同一個準直反射鏡移至第二系統中標記的位置。本系統包括用於測雜光係數的第一系統以及用於測點源透過率的第二系統，第一系統與第二系統共用同一個準直反射鏡。本發明創新式的使用了離軸反射鏡機構，極大的節約了測試成本，通過光源系統、採集系統等的配合，實現了對大口徑、長焦距相機光學部件雜散光抑制能力的準確、全面測試。
【專利說明】雜光係數和點源透過率複合測試方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於光學檢測領域，涉及一種低成本的雜光係數和點源透過率複合測試方法及系統，尤其涉及一種針對同時具有雜光係數測試和點源透過率測試的實驗室，建立的一套高精度、複合式、低成本的測試方法及系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著高靈敏度、低探測閾值探測器的發展，人們對深空微弱目標的探測便成為了可能，而光學系統雜散光的抑制能力將直接影響到微弱目標的探測，為了尋求更好的抑制雜散光的技術，光學測試必不可少，一種能全面、高精度的對光學系統雜散光抑制能力進行測試的檢測設備便呼之欲出了。
[0003]雜散光輻射是指光學系統中除了目標(或成像光線外)擴散於探測器(或成像)表面上的其它非目標(或非成像)光線輻射能，以及經非正常光路到達探測器的目標光線輻射能。近地空間光學系統由於在太空中工作，各種目標背景複雜，變化多端，對於光學系統的視場外有強烈輻射源，工作環境惡劣。同時，被探測目標信號又非常微弱，這些強輻射比所探測目標輻射強度常常高出幾個數量級，經過光學系統孔徑的衍射，以及結構與光學元件表面的散射、反射到達像面探測器形成雜散光。它產生的原因錯綜複雜，不僅與製造光學系統的工藝、材料有關，還與像差特性、衍射現象、目標特徵有關，它使相機對比度和調製傳遞函數明顯降低，整個像面層次減少，清晰度變壞，甚至形成雜光斑點，嚴重時使目標信號完全被雜散光輻射噪聲淹沒。雜散光產生的原因主要有3個:光學系統視場外部輻射、光學系統內部輻射以及成像光線的散射。
[0004]當今在各種航天相機的研製中，雜散光的測試方法有兩種，一種是採用積分球系統、大口徑準直鏡、黑斑目標和探測器測量相機視場內雜散光係數，評價相機雜光抑制能力。另一種是採用高亮度光源、大口徑準直鏡、轉臺和探測器測量相機視場外點源透過率PST (Point Source Transmittance),評價雜散光抑制能力。對於弱目標探測用相機而言，不僅及易受視場外明亮天體太陽光、地氣、星光、極光等的強烈輻射遮光罩表面產生雜光造成的目標對比度和成像質量下降，而且也極易受太陽光、地氣光和月光在某個成像時刻進入視場內，經過鏡面、鏡筒和探測器表面散射產生的雜光造成的目標對比度和成像質量下降。因此，對這類相機既要評價視場內雜光的影響，還要測量視場外雜光的影響。
[0005]傳統的黑斑法測試雜散光時，考慮到透射式準直物鏡產生的雜光會對測試結果引入較大影響，使用離軸拋物式反射鏡基本不引入雜光，可以有效的解決上述問題。點源透過率測試時，也需要使用到準直物鏡。研究表明，大口徑探測相機探測目標非常微弱，例如口徑為Φ 500mm、焦距5m的相機，極限探測星等可達15等星，這類相機在雜散光抑制方面需要多種措施。雜散光測試時需要的準直系統口徑必須大於被測相機，而一款口徑Im左右，焦距30m左右的尚軸反射式準直系統的造價聞達1000多萬兀，而系統王鏡的成本接近系統總成本的80%，若按上述兩種方法各自購置必須的準直物鏡，設備購置費及其昂貴，無法負擔，如此，將嚴重影響科研院所、企事業單位等測試實驗室的發展和能力的提高。
【發明內容】
[0006]為了解決【背景技術】中存在的上述技術問題，本發明提供了一種能夠較大程度節約成本的複合式雜散光和點源透過率測試方法及系統。
[0007]本發明的技術解決方案是:
[0008]雜光係數和點源透過率複合測試方法，其特殊之處在於，包括以下步驟:
[0009]I】調試出用於測雜光係數的第一系統中的準直反射鏡的位置a並標記；調試出用於測點源透過率的第二系統中的準直反射鏡的位置b並標記；
[0010]2】第一系統與第二系統共用一個準直反射鏡，當測量雜光係數時，將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a;當測量點源透過率時，將同一個準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b。
[0011]在位置a與位置b之間設置滑軌，準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪，大口徑離軸拋物鏡通過滾輪置於滑軌上。
[0012]將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a後，雜光係數是這樣測量的:[0013]I】第一系統中的積分球系統為測試提供2 立體角的均勻面光源；
[0014]2】在準直反射鏡的光軸與積分球系統內壁交點處安裝黑孔，黑孔尺寸的選取原則為:黑孔在被測光學系統上所成的像直徑d，為被測光學系統線視場L的1/5-1/10 ；
[0015]3】在被測光學系統焦面處使用採集系統進行光照度測量，採集系統中的可變光闌位於黑孔所成焦面像的中心，可變光闌的直徑為黑孔像直徑的1/5-1/10，採集系統採集的黑孔像的光照度為Es;
[0016]4】將積分球系統內的黑孔替換為白板，白板塗層與積分球系統內壁塗層相同，使用採集系統採集白板所成像的光照度E θ ；
[0017]5】根據公式η =Es/Ee *100%計算被測光學系統的雜光係數η。
[0018]將準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b後，點源透過率是這樣測量的:
[0019]I】雷射器照亮準直系統焦面處星點單元，準直系統發出準直光束；準直系統包括準直反射鏡和次鏡，次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上，被測光學系統置於準直反射鏡的出射光路上；
[0020]2】使用採集系統採集被測光學系統入瞳處的光照度E入.；
[0021]3】移動採集系統使之位於被測光學系統焦面處，使採集系統、被測光學系統、準直系統同軸，將被測光學系統轉動Θ角；採集系統採集此時光學系統焦面處光照度Ee ；
[0022]4】根據公式PST=Ee/EAtt計算不同視場角下，被測光學系統的點源透過率PST。
[0023]雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特殊之處在於，包括用於測雜光係數的第一系統以及用於測點源透過率的第二系統，第一系統包括積分球系統和準直反射鏡，第二系統包括準直反射鏡和次鏡，所述第一系統與第二系統共用同一個準直反射鏡；當測量雜光係數時，準直反射鏡位於積分球系統的開口處，當測量點源透過率時，準直反射鏡位於次鏡的出射光路上。
[0024]第一系統放置準直反射鏡的位置與第二系統放置準直反射鏡的位置之間設置有滑軌；所述準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪。
[0025]上述複合測試系統還包括用於將大口徑離軸拋物鏡固定在測試位置的定位裝置。[0026]上述第一系統包括積分球系統、準直反射鏡、採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元；準直反射鏡設置在積分球系統的開口處，被測光學系統設置在積分球系統的出光口處；被測光學系統的輸出端與採集系統連接；控制系統分別與積分球系統、採集系統、數據處理單元以及顯示單元相連。
[0027]上述第二系統包括雷射器、星點單元、準直系統、轉臺、採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元；星點單元設置在雷射器與準直系統之間並處於準直系統的焦平面上，準直系統包括準直反射鏡、次鏡；次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上；被測光學系統設置在經準直反射鏡反射後的出射光路上，轉臺設置在被測光學系統下方，被測光學系統的輸出端與採集系統連接；控制系統分別與雷射器、準直反射鏡、轉臺、採集系統、數據處理單元以及顯示單元相連。[0028]上述第一系統和第二系統共用一套採集系統、控制系統、數據處理單元和顯示單元
[0029]本發明的優點是:
[0030](I)本發明首次創新式的使用了機動式準直反射鏡，通過光源系統、採集系統等的配合，實現了對大口徑、長焦距相機光學部件雜散光的準確、全面測量。解決了傳統雜散光測試設備購置費用昂貴、測試不全面的局限性，極大程度的降低了設備成本，以上述Φ?πι通光口徑的測試設備而言，可節省至少1000萬元的設備購置費用，非常適合在工程應用中推廣和使用。
[0031](2)本發明的機動式反射鏡安裝有可與滑軌光滑接觸的滾輪，機動式反射鏡在雜光係數測試、點源透過率測試過程中機動運動，在運動動前後，可以保證離軸反射鏡的面形不發生變化，不會對測試精度產生影響。
[0032](3)本發明在滑軌上為機動式反射鏡設置了準確的定位機構，足以保證積分球系統和準直系統光束的準直度優於5"，從而不會影響測試結果。
[0033](4)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統可完成光學系統視場內雜光係數的測量和視場外點源透過率的測量，可以全面涵蓋光學系統雜散光抑制能力的測試。
[0034](5)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，雜光係數測試精度可達0.5%，點源透過率測試精度可達10_6。
[0035](6)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，積分球系統內的光源選用多枚滷鎢燈、氙燈，可以模擬3000K-6500K的色溫。
[0036](7)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，選用大功率雷射器，可提高點源透過率的測試精度。雷射器波長選用650nm、2.2 μ mU0.6 μ m，可滿足可見、中波紅外、長波紅外波段的測試需求。
[0037](8)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，準直系統選用口徑為lm，焦距為30m的機動式離軸反射鏡(拋物面鏡)，光譜範圍與雷射器波長匹配，可覆蓋可見、紅外波段的點源透過率測試。
[0038](9)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，在準直系統出射窗口處安裝有可變光闌，可根據不同被測光學系統的通光口徑大小調整準直系統出射光束的口徑，以滿足不同相機測試的需要。[0039](10)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，光譜採集系統使用了積分球採集裝置結構，可以消除光電倍增管等光電探測設備由於入射光角度的不同引入的對測試結果的影響。
[0040](11)本發明的低成本雜光係數和點源透過率複合測試系統，光譜採集系統使用了光電倍增管，響應率高、噪聲低，可以滿足點源透過率測試精度的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1是本發明的結構示意圖；
[0042]其中:1-滷鎢燈、氙燈；2_可更換式黑白塞；3_牛角機構；4_雷射器；5_星點單元；6_準直離軸反射鏡；7_大口徑離軸拋物鏡；9_次鏡；10_高精度滑軌；11_被測光學系統；12_轉臺；13_積分球採集裝置；14_可變光闌；15光電倍增管；16_積分球系統；17_準直系統；18_採集系統；19_數據處理單元；20_顯示單元；21_控制系統。
【具體實施方式】
[0043]參見圖1，本發明提供了一種低成本的雜光係數和點源透過率複合測試方法，包括以下步驟，
[0044]I】調試出用於測雜光係數的第一系統中的準直反射鏡的位置a並標記；調試出用於測點源透過率的第二系統中的準直反射鏡的位置b並標記；
[0045]2】第一系統與第二系統共用一個準直反射鏡，準直反射鏡優選準直離軸反射鏡6當測量雜光係數時，將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a ;當測量點源透過率時，將同一個準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b。
[0046]較佳的，在位置a與位置b之間設置高精度的滑軌，準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪， 大口徑離軸拋物鏡通過滾輪置於滑軌上。準直反射鏡可以是電動控制的，即機動式準直反射鏡，也可以是手動控制的。
[0047]將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a後，雜光係數具體是這樣測量的:
[0048]I】第一系統中的積分球系統為測試提供2 31立體角的均勻面光源；
[0049]2】在準直反射鏡的光軸與積分球系統內壁交點處安裝黑孔，黑孔尺寸的選取原則為:黑孔在被測光學系統上所成的像直徑d，為被測光學系統線視場L的1/5-1/10 ；
[0050]3】在被測光學系統焦面處使用採集系統進行光照度測量，採集系統中的可變光闌位於黑孔所成焦面像的中心，可變光闌的直徑為黑孔像直徑的1/5-1/10，採集系統採集的黑孔像的光照度為Es;
[0051]4】將積分球系統內的黑孔替換為白板，白板塗層與積分球系統內壁塗層相同，使用採集系統採集白板所成像的光照度E θ ；
[0052]5】根據公式η =Es/Ee *100%計算被測光學系統的雜光係數η。
[0053]將準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b後，點源透過率具體是這樣測量的:
[0054]I】雷射器照亮準直系統焦面處星點單元，準直系統發出準直光束；準直系統包括準直反射鏡和次鏡，次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上；
[0055]2】使用採集系統採集被測光學系統入瞳處的光照度E入.；
[0056]3】移動採集系統使之位於被測光學系統焦面處，使採集系統、被測光學系統、準直系統同軸，將被測光學系統轉動Θ角；採集系統採集此時光學系統焦面處光照度Ee ；
[0057]4】根據公式PST=Ee/EAtt計算不同視場角下，被測光學系統的點源透過率PST。
[0058]參見圖1，本發明提供了一種低成本的雜光係數和點源透過率複合測試系統，包括用於測雜光係數的第一系統以及用於測點源透過率的第二系統，第一系統包括積分球系統和準直反射鏡等，第二系統包括準直反射鏡和次鏡等，所述第一系統與第二系統共用同一個準直反射鏡；當測量雜光係數時，準直反射鏡位於積分球系統的開口處，當測量點源透過率時，準直反射鏡位於次鏡的出射光路上。
[0059]第一系統包括但不限於由以下部分組成的系統，第一系統包括積分球系統、米集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元。
[0060]積分球系統可以採用現有的系統，包括多枚滷鎢燈、氙燈1、可更換式黑白塞2、牛角機構3、準直反射鏡，滷鎢燈、氙燈均勻分布於積分球系統球體內壁上，可更換式黑白塞位於準直反射鏡的焦面位置，牛角機構位於黑白塞後端、積分球系統球體外部；所述準直反射鏡設置在積分球系統16的開口處。積分球系統的直徑為Φ IOm,出光口開口直徑為ΦΙι?,90% 口徑內面均勻性優於98%，角均勻性優於95%。被測光學系統11設置在積分球系統16的出光口處；被測光學系統11的輸出端與採集系統18連接；所述控制系統21分別與積分球系統16、採集系統18、數據處理單元19以及顯示單元20相連。
[0061]雜光係數測量時，根據需求設置積分球系統內氙燈、滷鎢燈的開啟個數來實現積分球系統輸出亮度的調整。
[0062]第二系統包括但不限於由以下部分組成的系統，第二系統包括雷射器、星點單元、準直系統、轉臺、採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元。星點單元5設置在雷射器4與準直系統17之間並處於準直系統的焦平面上，準直系統17為離軸反射光學系統，包括準直離軸反射鏡6、次鏡9 ;次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上；被測光學系統設置在經準直反射鏡反射後的出射光路上，轉臺12設置在被測光學系統11下方，承載被測光學系統並保證其在水平方向實現轉動；被測光學系統11的輸出端與米集系統18連接；控制系統21分別與雷射器4、準直反射鏡、轉臺12、採集系統18、數據處理單元19以及顯示單元20相連。
[0063]上述準直系統的焦距為30m，口徑為Φ lm，光譜範圍可覆蓋可見、近紅外和長波紅外。
[0064]上述採集系統18包括積分球系統式採集裝置13、可變光闌14和光電倍增管15 ；可變光闌14位於被測光學系統11焦面處，可變光闌14、光電倍增管15分別位於積分球系統式採集裝置13側壁上。
[0065]上述控制系統21、數據處理單元19以及顯示單元20均封裝於計算機內。
[0066]在雜光係數和點源透過率分別測量過程中，第一系統與第二系統共用一個準直反射鏡，成本可節省至少1000萬元，也可以共用一套採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元。[0067]較佳的，為保證積分球系統和準直系統的光束準直性，在積分球系統與準直系統之間設置高精度的滑軌，可使準直反射鏡精密運動至既定位置。準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪，滾輪設置於大口徑離軸拋物鏡的下方，滾輪與滑軌光滑接觸，此滾輪可保證大口徑離軸拋物鏡在滑軌上穩定運動，幾乎不產生振動，不會對大口徑離軸拋物鏡的面形產生影響。
[0068]較佳的，複合測試系統還包括用於將大口徑離軸拋物鏡固定在測試位置的定位裝置。
[0069]星點單元5是由星點目標祀板組成的。
[0070]本發明巧妙的抓住了雜光係數測試和點源透過率測試的精髓，通過對測試過程的深入分析，找出了一套既能保證測試精度，又能最大限度的節約測試設備購置成本的方案，並依此思想，設計了本複合測試系統。
[0071]上述構思的靈感來源是代代傳承的工程經驗，工程應用中要對研製設備進行全面測試，用以確定設備的各性能參數是否能滿足需求。全面的指標測試，需要大量的測試系統予以支持。高精度測試系統的購置必然會提高項目的費用，為了解決以上的矛盾，在不刪減測試指標的前提下，尋求相關指標測試的共性，選擇、複合式、低成本的測試系統，便成為工程應用中不可或缺的部分。
[0072]本發明依據以上思想，依靠機動式準直反射鏡，創造性的將雜光係數測試與點源透過率測試進行了統一，在高精度滑軌和滑輪的配合下，保證了離軸準直反射鏡在兩種測試中的精確位置，在不降低原有測試精度的基礎上，大大節約了設備購置的費用，此系統發明過程中這種深挖共性、力降成本的設計思路，值得被推廣和借鑑。此系統亦非常適合在工程應用中直接實施。
【權利要求】
1.雜光係數和點源透過率複合測試方法，其特徵在於，包括以下步驟: I】調試出用於測雜光係數的第一系統中的準直反射鏡的位置a並標記；調試出用於測點源透過率的第二系統中的準直反射鏡的位置b並標記； 2】第一系統與第二系統共用一個準直反射鏡，當測量雜光係數時，將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a;當測量點源透過率時，將同一個準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b。
2.根據權利要求1所述的雜光係數和點源透過率複合測試方法，其特徵在於，在位置a與位置b之間設置滑軌，準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪，大口徑離軸拋物鏡通過滾輪置於滑軌上。
3.根據權利要求1所述的雜光係數和點源透過率複合測試方法，其特殊之處在於，將準直反射鏡移至第一系統中標記的位置a後，雜光係數是這樣測量的: I】第一系統中的積分球系統為測試提供2 立體角的均勻面光源； 2】在準直反射鏡的光軸與積分球系統內壁交點處安裝黑孔 ，黑孔尺寸的選取原則為:黑孔在被測光學系統上所成的像直徑d，為被測光學系統線視場L的1/5-1/10 ； 3】在被測光學系統焦面處使用採集系統進行光照度測量，採集系統中的可變光闌位於黑孔所成焦面像的中心，可變光闌的直徑為黑孔像直徑的1/5-1/10，採集系統採集的黑孔像的光照度為Es; 4】將積分球系統內的黑孔替換為白板，白板塗層與積分球系統內壁塗層相同，使用採集系統採集白板所成像的光照度E θ ； 5】根據公式Π =Es/Ee *100%計算被測光學系統的雜光係數η。
4.根據權利要求1或3所述的雜光係數和點源透過率複合測試方法，其特殊之處在於，將準直反射鏡移至第二系統中標記的位置b後，點源透過率是這樣測量的: I】雷射器照亮準直系統焦面處星點單元，準直系統發出準直光束；準直系統包括準直反射鏡和次鏡，次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上，被測光學系統置於準直反射鏡的出射光路上； 2】使用採集系統採集被測光學系統入瞳處的光照度E入.； 3】移動採集系統使之位於被測光學系統焦面處，使採集系統、被測光學系統、準直系統同軸，將被測光學系統轉動Θ角；採集系統採集此時光學系統焦面處光照度Ee ； 4】根據公式PST=Ee/EABt計算不同視場角下，被測光學系統的點源透過率PST。
5.雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，包括用於測雜光係數的第一系統以及用於測點源透過率的第二系統，第一系統包括積分球系統和準直反射鏡，第二系統包括準直反射鏡和次鏡，所述第一系統與第二系統共用同一個準直反射鏡；當測量雜光係數時，準直反射鏡位於積分球系統的開口處，當測量點源透過率時，準直反射鏡位於次鏡的出射光路上。
6.根據權利要求5所述的雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，所述第一系統放置準直反射鏡的位置與第二系統放置準直反射鏡的位置之間設置有滑軌；所述準直反射鏡包括大口徑離軸拋物鏡和與滑軌匹配的滾輪。
7.根據權利要求6所述的雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，所述複合測試系統還包括用於將大口徑離軸拋物鏡固定在測試位置的定位裝置。
8.根據權利要求5或6或7所述的雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，第一系統包括積分球系統、準直反射鏡、採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元；準直反射鏡設置在積分球系統的開口處，被測光學系統設置在積分球系統的出光口處；被測光學系統的輸出端與採集系統連接；控制系統分別與積分球系統、採集系統、數據處理單元以及顯示單元相連。
9.根據權利要求8所述的雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，第二系統包括雷射器、星點單元、準直系統、轉臺、採集系統、控制系統、數據處理單元、顯示單元；星點單元設置在雷射器與準直系統之間並處於準直系統的焦平面上，準直系統包括準直反射鏡、次鏡；次鏡、準直反射鏡依次設置在雷射器經星點單元後的出射光路上；被測光學系統設置在經準直反射鏡反射後的出射光路上，轉臺設置在被測光學系統下方，被測光學系統的輸出端與採集系統連接；控制系統分別與雷射器、準直反射鏡、轉臺、採集系統、數據處理單元以及顯示單元相連。
10.根據權利要求9所述的雜光係數和點源透過率複合測試系統，其特徵在於，第一系統和第二系統共 用一套採集系統、控制系統、數據處理單元和顯示單元。
【文檔編號】G01M11/02GK103454072SQ201310375615
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】薛勳, 趙建科, 徐亮, 劉峰, 賽建剛, 陳永權, 張潔, 胡丹丹, 田留德, 段亞軒, 高斌 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所