基于點源透過率測試系統(tǒng)的雜散光標定

徐　亮，高立民，趙建科，劉　峰，周　艷，李朝輝，2，楊　菲，趙　青，2

(1.中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國一航西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089)

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基于點源透過率測試系統(tǒng)的雜散光標定

徐亮1，2*，高立民1，趙建科1，劉峰1，周艷1，李朝輝1，2，楊菲3，趙青1，2

(1.中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國一航西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089)

為了提高點源透過率(PST)測試系統(tǒng)的雜散光測試能力及測試精度，提出并設計了一種標準鏡頭，用于在大離軸角范圍內(nèi)對系統(tǒng)的雜散光測試范圍及測試精度進行標定。利用簡單的物理模型設計了一種在實驗室內(nèi)對點源透過率測試系統(tǒng)雜散光測試精度定標的標準鏡頭；測量了標準鏡頭的表面物理參數(shù)，并將其帶入TracePro軟件計算出了不同離軸角對應的PST。對設計分析的PST值與實測的PST值進行比較，從而計算得到了該測試系統(tǒng)的測量精度。驗證實驗表明，該標準鏡頭的PST分析值與實測值之差優(yōu)于lg/0.5，滿足實驗室內(nèi)對點源透過率測試系統(tǒng)雜散光測量精度進行標定的要求，是PST絕對測量的可靠方法。該項技術為國內(nèi)PST測試系統(tǒng)的精度校準問題提供了技術保障。

點源透過率測量；雜散光測量；標準鏡頭；標定；雙向反射分布函數(shù)

1　引　言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，深空探測、火星計劃、探月工程等重點工程已邁入一個新的時代，人們對光電設備的雜散光抑制能力也提出了新的要求，視場外雜散光的抑制能力終將成為評價光電設備探測與成像能力的關鍵指標。航天用光學系統(tǒng)的雜散光主要來源于視場外明亮物體(尤其是太陽) 的強烈輻射，這些輻射經(jīng)光學系統(tǒng)后發(fā)生散射、衍射，并以雜散光形式分布于光學系統(tǒng)的探測器上，從而影響光學系統(tǒng)的探測能力[1]。

針對雜散光的抑制問題，本課題組研制了一種點源透過率(Point Source Transmittance，PST)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精確測試光學系統(tǒng)的雜散光抑制能力，并根據(jù)實測雜散光對光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，通過改進遮光罩來實現(xiàn)消除雜散光的目標。這就要求PST測試系統(tǒng)必須具有高精度，否則不能準確指導光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計[2-3]。PST測試系統(tǒng)的標定是保證測量精度的一個關鍵技術問題，因此，光學系統(tǒng)PST的測試將轉換成系統(tǒng)測量精度的標定。

本文提出了一種基于PST測試系統(tǒng)精確標定的標準鏡頭。利用該標準鏡頭的關鍵表面特性，通過建模分析得出了標準鏡頭的相對真值PST，并將實測PST與理論PST作比較，以此評價該系統(tǒng)PST的測試精度。

2　點源透過率測試系統(tǒng)介紹

雜散光測量技術在國外已經(jīng)比較成熟，Utah State University的Space Dynamics Laboratory在20世紀70年代就建立了PST測試裝置Black Hole， 其PSRR測試水平可達到10-15。但國內(nèi)起步較晚。目前，國內(nèi)關于PST測試技術的研究單位主要有西安光機所、成都光電所、哈工大等。其中，西安光機所研制的點源透過率測試系統(tǒng)可用于測量不同波段、不同視場角下的PST，其原理如圖1所示。

圖1　點源透過率測試系統(tǒng)原理圖

圖1中，由光源出射的均勻點源經(jīng)平行光管耦合擴束后，形成口徑為Φ1 m的均勻面光源(用于模擬無窮遠處的強光目標源)，穿過黑色雙柱罐照亮被測相機光學系統(tǒng)的遮光罩及玻璃表面，形成強雜散光源。在光學系統(tǒng)后焦面放置高靈敏度探測器，用于測量不同離軸角的雜散光光照度。PST定義為光學系統(tǒng)視場外視場角為θ的點源目標的輻射，經(jīng)光學系統(tǒng)后在像面產(chǎn)生的輻照度Ei(θ，λ) 與其在光學系統(tǒng)入瞳處的輻照度E0(θ，λ)的比值[4]，即：

(1)

從而可推算出被測相機在不同離軸角的PST。然而該系統(tǒng)的測試精度標定問題一直是困惑業(yè)界的難題。本文設計了一種標準鏡頭，放置在測試系統(tǒng)待測光路中，實測其PST值，并將標準鏡頭的PST理論計算值與其比較來驗證系統(tǒng)的測試精度。其精度為：

lg(測量值/理論值)≤0.5.

(2)

(文中簡寫lg/0.5)

3　點源透過率測試系統(tǒng)標準鏡頭設計

標準鏡頭主要應用于點源透過率測試系統(tǒng)的實驗室標定，用于驗證整個測試系統(tǒng)的測量精度及長期穩(wěn)定性。因此，標準鏡頭主要有以下設計要求：第一，光機系統(tǒng)結構簡單，對雜散光分析容易，重復性測量精度高；第二，鏡頭的PST曲線較平緩，便于提高系統(tǒng)的校準精度。

3.1標準鏡頭的主要技術指標

本文設計的標準鏡頭的主要性能指標如表1所示。

表1　標準鏡頭的主要性能指標

3.2標準鏡頭設計

標準鏡頭的設計主要分為光學系統(tǒng)設計和遮光罩設計。光學系統(tǒng)設計時除考慮相關光學參數(shù)滿足任務要求外，光學結構形式要簡單，便于雜散光的建模分析。遮光罩的設計采用簡單的擋光環(huán)模型，對其材料表面涂層的特性進行深入分析，利用不同模型計算其表面雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)的散射特性。

3.2.1光學系統(tǒng)設計

標準鏡頭的光學系統(tǒng)采用簡單的三分離式光路結構，如圖2所示。由于被校準測試系統(tǒng)采用激光光源，因此標準鏡頭采用波長為0.65 μm的單色光設計，這種設計也有利于后期標準鏡頭雜散光的定量建模分析。最終3塊玻璃全采用H-Lak3，其設計結果如圖3和圖4所示，該系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)良，接近衍射極限，且便于后期的光學裝配。

圖2　標準鏡頭的光學系統(tǒng)

圖3　標準鏡頭傳遞函數(shù)

圖4　標準鏡頭彌散斑

3.2.2遮光罩設計

為了避免背景強輻射源的雜散輻射直接入射到光學系統(tǒng)，本文設置系統(tǒng)遮光罩來阻擋強輻射源的雜散輻射直接通過光學系統(tǒng)入射到探測器焦面，此外到達探測器焦面的強輻射源的雜散輻射能量不能過大，這就要求遮光罩及擋光環(huán)表面要盡可能多地吸收雜散輻射。傳統(tǒng)的遮光罩不可避免地存在長度過長、重量重、體積大等缺點，更有甚者還會阻擋邊緣視場光學的傳播。一般來說遮光罩的設計原則如下：

(1)避免非成像光線直接到達像面；

(2)取強雜散輻射源的特定關注入射角度16°為規(guī)避角。大于規(guī)避角的入射強雜散輻射至少經(jīng)過兩次及以上的散射后才允許進入光學系統(tǒng)，即以光學系統(tǒng)第一表面為二次散射控制面。

(3)邊緣視場的正常光線不能被遮光罩遮攔。

首先進行了遮光罩的結構設計。為了簡化結構形式，這里采用擋光環(huán)梯度布置的遮光罩。擋光環(huán)設計最主要的一個原則為：光線從遮光罩外端內(nèi)壁入射，經(jīng)過一個擋光環(huán)的頂點入射到遮光罩內(nèi)壁后，由于連接的下一個擋光環(huán)的遮攔，使向任意方向散射的光線不能直接到達光學系統(tǒng)的第一表面。

遮光罩對雜散光的抑制主要由內(nèi)壁表面涂黑漆和自身結構保證，其結構設計原理如圖5所示。

圖5　遮光罩設計原理

遮光罩的具體參數(shù)計算[5-7]如下：

(3)

(4)

DL=D0+2hn，

(5)

其中：h1為遮光罩前端設置的擋光環(huán)高度；hn為遮光罩同光學系統(tǒng)端的擋光環(huán)高度；θ為規(guī)避角；D0為光學系統(tǒng)第一片透鏡的口徑；DL為遮光罩口徑；ω為半視場角；L為遮光罩總長。已知：D0=62 mm，ω=2.5°，θ=20°，h1=5 mm，通過計算可得：hn=15.73 mm，DL=93.46 mm，L=245.76 mm。通過在CAD中建模，確定出各級擋光環(huán)在外遮光罩上的位置和內(nèi)徑，共需10級擋光環(huán)，擋光環(huán)厚度均為0.5 mm，如圖6所示。

圖6　遮光罩設計模型

在標準鏡頭系統(tǒng)設計完成后，利用Tracepro軟件分析其雜散光，并對遮光罩涂層、透鏡材料及表面的屬性進行設置。遮光罩的表面屬性由雙向散射分布函數(shù)(Bidirectional Scattering Distribution Function，BSDF)來定義，由于透鏡元件表面為光滑透明表面，適合使用ABg模型來分析。根據(jù)Harvey-Shack模型，當表面粗糙度小于等于波長，即σ≤λ時，材料表面的BSDF為[8-12]：

(6)

(7)

(8)

s=-C.

(9)

其中，ABg模型中的三個參數(shù)可以通過Harvey-Shack模型系數(shù)進行換算，換算公式如下：

A=b0N，

(10)

B=l-s，

(11)

g=-s.

(12)

則玻璃表面在Tracepro中設置的BRDF參量為A=7.246×10-5，B=0.001，g=2，BTDF參量為A=6.35×10-5，B=0.001，g=2。透鏡表面鍍增透膜，透射率為0.98，非通光面涂黑，吸收率為0.005。

圖7　遮光罩涂層樣片測試示意圖

遮光罩表面涂層是影響其雜散光抑制能力的另外一個重要因素，本文選用AeroglazeZ-306黑漆作為遮光罩涂層。為了將材料的表面特性準確建模，這里利用法國Reflect BRDF測試儀測量此遮光罩樣片，測試原理如圖7所示，可見光由RGB三色光組成，樣品粗糙度滿足σ/λ≥1。取光源入射面的方位角為零，探測器對不同方位角(0°到180°每間隔10°掃描一次)，從天頂角為-85° 位置掃描到85°位置(每間隔5°掃描一次)，如圖8所示，從而得到整個半球空間的BRDF分布，如圖9所示。

(a)樣品(正面)(a)Specimen(front)　(b)樣品(背面)(b)Specimen(back)

圖9　不同入射角度下Z306黑漆測量數(shù)據(jù)的雙對數(shù)圖

Fig.9Double logarithmic graph of testing data of Z306 under different incident angles

3.2.3標準鏡頭設計結果仿真分析

由圖9可以看出，Z306黑漆散射在小角度近似為朗伯體，隨著入射角度的增大，其前向散射特性較為明顯。這與以往近似的特征表面后向散射是完全不同的，而ABg模型僅能擬合后向散射特性，故ABg模型不再適用，因此，在Tracepro軟件中采用Asymmetric Table模型設置材料屬性。用表格積分的形式可準確地評價不同入射角材料表面的散射情況，最終的建模結果如圖10所示。

圖10　標準鏡頭PST分析建模圖

本文將上述玻璃材料屬性及結構表面特性分別建模，帶入標準鏡頭模型中進行分析，最終該標準鏡頭的PST計算曲線如圖11所示。

圖11校準鏡頭PST分析值及引入位置公差后PST分析值

Fig.11Analysis values of PST without and with position tolerance for standard lens

由圖11可以看出，標準鏡頭在離軸角為±5°～±80°時PST設計值從10-2降至10-7，完全滿足技術指標要求。在規(guī)避角為±16°附近，PST迅速下降至10-5，與標準鏡頭遮光罩消雜散光的設計原則一致，可充分說明該遮光罩設計的有效性。另外，該設計曲線除規(guī)避角附近較為陡峭外，其余大角度范圍PST曲線均保持平緩，這對于標校整個PST測試系統(tǒng)的測量精度來說是有利的，因為這種設計可大大降低由于光軸對準誤差而產(chǎn)生的PST測量誤差。

4　標準鏡頭的雜散光測試與系統(tǒng)校準

作為校準PST測試系統(tǒng)的標準來說，經(jīng)過準確、詳細的理論模型推算，標準鏡頭的PST設計值可作為理論真值來評價測試系統(tǒng)的準確性及可靠性。這種評價標準也是根據(jù)傳遞函數(shù)測試儀的標準鏡頭評價原則來定義的，即采用標準鏡頭的理論設計結果作為理論真值，通過多臺設備比對的方式來驗證標準鏡頭的準確性。目前，本文的雜散光標準鏡頭在國內(nèi)屬于第一套，且由于可測試用的PST設備不多，經(jīng)調(diào)研只有西安光機所和上海技物所有兩套高精度PST測試系統(tǒng)，最終采用這兩套系統(tǒng)進行比對測試。

標準鏡頭的雜散光設計精度是由光機系統(tǒng)的模型精度及表面屬性精度來決定的。其中光機系統(tǒng)的模型精度可通過嚴格的工藝手段保證，這里將結構的擋光環(huán)位置公差(±0.1 mm)和厚度公差(±0.1 mm)帶入模型進行建模分析。經(jīng)分析這部分對系統(tǒng)雜散光產(chǎn)生的誤差主要來源于小角度誤差，其雜散光的最大分析誤差為35%；而噴漆材料表面屬性是通過法國Reflect BRDF測試儀精確測試的，其測試精度為0.001%，換算成積分總散射后的合成誤差對系統(tǒng)PST的誤差總貢獻最大為50%。將上述兩個分析誤差合成后，設計誤差最大不超過61%，作為鑒定測試系統(tǒng)PST測試精度，這個設計分析誤差遠遠優(yōu)于lg/0.5，因此，可將標準鏡頭分析結果作為標準來驗證系統(tǒng)的測試精度。

因此，可根據(jù)上述對標準鏡頭的設計分析結果來驗證PST測試系統(tǒng)的測量精度。具體思路是：將標準鏡頭安裝在PST測試系統(tǒng)轉臺上，測試離軸角為±5°～±80°的PST，將測試結果與理論計算結果進行比較，利用式(2)可計算出PST測試系統(tǒng)的測量精度，測試現(xiàn)場如圖12所示。

圖12　標準鏡頭的現(xiàn)場測試圖

圖13中給出了標準鏡頭3次測量的PST曲線。從測試結果來看，其不同角度對應的最大PST測量誤差為8%，完全滿足PST測試系統(tǒng)穩(wěn)定性的校準要求。從整個測試曲線結果來看，在離軸角為±5°～±80°時PST測試值從10-2降至10-7，在規(guī)避角±16°附近，PST測試值也迅速下降至10-5，與標準鏡頭設計曲線的趨勢一致，完全符合設計要求。且該曲線在左視場小角度PST測試值比右視場小角度PST測試值略大一些，這主要是由于鏡頭光軸對準誤差而產(chǎn)生的測試校準誤差，然而此誤差遠遠小于系統(tǒng)的PST校準誤差(lg/0.5)，不影響最終的系統(tǒng)校準，這也足以說明遮光罩設計的合理性。

圖13　標準鏡頭PST測試值

5　標準鏡頭對系統(tǒng)校準結果分析

5.1標準鏡頭的雜散光測試結果

標準鏡頭先后在西安光機所和上海技物所的PST設備上進行了比對性測試，測試曲線如圖14所示。其中兩種設備的測試結果比較接近，最大偏離誤差為50%，這里將其平均值作為相對真值與設計值進行比較，可判斷該標準鏡頭設計的合理性。從總體上來看，設計結果與實測結果基本一致，完全滿足設計與校準要求。

從比對數(shù)據(jù)來看，測試值略大于設計值，這主要是由于環(huán)境的空氣散射產(chǎn)生的雜散光造成本底噪聲疊加而產(chǎn)生的測量誤差。要降低這種誤差，只能將環(huán)境空氣的潔凈度提高至千級。

另外，PST在10-2～10-6時，lg(測量值/理論值)最大值為0.43，完全滿足指標要求；PST在10-6～10-7時，測量值稍大于設計值，表明系統(tǒng)在大角度PST測試時，雙柱罐內(nèi)大量的散射、反射雜散光直接進入被測鏡頭視場，產(chǎn)生光污染造成其測量結果偏大，角度越大這種現(xiàn)象越明顯。根據(jù)此現(xiàn)象測量了環(huán)境的PST，發(fā)現(xiàn)環(huán)境PST大約為10-8，這足以說明環(huán)境保障對整個測試精度的影響。

圖14　標準鏡頭PST校準數(shù)據(jù)比對

與此同時，左右視場在±14°的位置均出現(xiàn)了曲線“回拐”現(xiàn)象，雖然這不影響系統(tǒng)的校準精度，但是這種現(xiàn)象有待于進一步的研究和分析。目前，初步研究認為這種現(xiàn)象有可能由于遮光罩表面材料屬性模型分析誤差和系統(tǒng)結構加工、裝配與理論模型有偏差而產(chǎn)生的，這些對精度的影響及如何控制，將在以后的工作中做深入研究。

5.2系統(tǒng)校準結果分析

標準鏡頭的研究主要是為了驗證PST測試系統(tǒng)的測試精度，并考核該測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)上述測試結果可知，雖然PST在10-2～10-6時，標準鏡頭的設計值與測試值吻合度較高，可完全應用于系統(tǒng)的校準；但PST在10-6～10-7時，設計值與實測值相差較大，同時全視場范圍實測值整體偏大，這些是以后研究的重點，以進一步提高系統(tǒng)的校準精度及校準范圍。

根據(jù)設計與實測結果可知，該標準鏡頭的PST校準精度主要受環(huán)境光和自體輻射、雙柱罐內(nèi)壁、空氣灰塵和定標不確定度等因素的影響，表中百分比是干擾量相對于PST為10-7的比值，具體分析如表2所示。

綜上所述，由表2可以看出，在大離軸角測試時，PST測試精度受雙柱罐內(nèi)壁散射、反射的影響較大，如圖15所示。在被測鏡頭轉過離軸角30°～80°的過程中，大部分的雜散光將直接進入被測鏡頭入瞳，產(chǎn)生一次雜散光，這將直接導致PST測量精度降低。若要減小這部分測量誤差，應加大雙柱罐尺寸，同時降低雙柱罐內(nèi)壁的反射率和散射率。

表2　PST測試精度分析表

圖15　雙柱罐雜光分析示意圖

另外，標準鏡頭PST的測試精度受空氣灰塵散射的影響也較大。由于本次試驗是在十萬級環(huán)境中進行的，若將以后的工作環(huán)境改善至千級，將大大降低空氣散射而產(chǎn)生的雜散光污染，從而有利于提高標準鏡頭的校準精度。

6　結　論

為了標定PST測試系統(tǒng)的測試精度，本文研究并設計了一種標準鏡頭，通過對標準鏡頭光學元件表面屬性的計算以及結構件表面屬性的測試和建模分析，利用Tracepro軟件對標準鏡頭的PST理論值進行了分析計算，最后通過PST測試系統(tǒng)對標準鏡頭進行了測試。根據(jù)公式計算出標準鏡頭的測試精度，即得到該測試系統(tǒng)的校準誤差。試驗結果表明：該標準鏡頭的PST分析值與實測值之差優(yōu)于lg/0.5，完全滿足該測試系統(tǒng)的校準要求。這為國內(nèi)PST測試系統(tǒng)的精度校準問題提供了技術保障。

另外，測試結果還表明點源透過率測試系統(tǒng)的測量精度受雙柱罐及空氣潔凈度的影響較大。在以后的研究工作中，若改進雙柱罐的設計，并提高環(huán)境空氣的潔凈度，PST測試精度有望提高至新的量級。

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徐亮(1984-)，男，陜西西安人，博士研究生，工程師，2006年于西安工業(yè)大學獲得學士學位，2009年于長春理工大學獲得碩士學位，主要從事光學設計與弱光測試技術的研究。E-mail：xuliang757@163.com

導師簡介：

高立民(1965-)，男，陜西西安人，博士，研究員，博士生導師，1991年、2004年于西安光機所分別獲得碩士、博士學位，主要從事光學工程領域的研究。E-mail：glm@opt.ac.cn

(本欄目編輯：曹金)

(版權所有未經(jīng)許可不得轉載)

Calibration of stray light based on point source transmittance measurement system

XU Liang1，2*， GAO Li-min1， ZHAO Jian-ke1， LIU Feng1，ZHOU Yan1， LI Zhao-hui1，2， YANG Fei3， ZHAO Qing1，2

(1.Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics，ChineseAcademyofSciences，Xi′an710119，China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China；3.AVICXi′anAircraftIndustry(Group)CompanyLTD.，Xi′an710089，China)

*Correspondingauthor，E-mail：xuliang757@163.com

To improve the stray light testing ability and calibration accuracy of the stray light equipment used in test of the Point Source Transmittance (PST), a calibration lens was proposed to calibrate the testing range and testing accuracy of the equipment in a large off-axial angle. By using a simple physical model, the calibration lens was designed in a laboratory. The physical parameters of the calibration lens were measured, then these parameters were taken into the TracePro to calculate the PSTs in different off-axial angles. Finally, the calculated result and the tested result of PSTs were compared, and the test accuracy of the equipment were obtained. The experimental results indicate that the difference between calculate results and testing results of the calibration lens is better than lg/0.5, meeting the need of testing accuracy calibration of the stray light equipment in testing PSTs and providing a reliable reference for the absolute measurement of PSTs. This technology solves the problem in testing accuracy calibration of PST measuring systems.

point source transmittance measurement；stray light measurement；standard lens; calibration； bidirectional reflectance distribution function

2016-03-02；

2016-04-11.

國防科工局專項資金資助項目

1004-924X(2016)07-1607-08

TH703； TH743

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1607