基于PST的杂散光测试系统研究

吴琪，徐熙平，徐亮，陈君杰

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 710119）

随着探测器的飞跃发展，人们对光学系统中探测器的要求度愈来愈高，同时杂散光对光学系统的影响也越来越显著。杂散光产生于漏光、透射光学表面的残余反射和镜筒内壁等非光学表面的残余反射［1］，及红外光学系统因系统自身热辐射产生的杂散光［2-4］。这些杂散光都会降低成像质量，同时降低探测器探测弱目标的能力［5-7］。因而有必要研究一种杂散光测试系统保障系统的工作。其中点光源透过率（PST）［8-10］测试系统就是经典测试系统之一。

首先对光束性能测试，将测试误差控制在7%以内，使光束性能满足测试系统的要求。采用大口径实验装置，进行可见光、红外光等五个波段的杂散光测试，满足大部分光源的测试波段。利用光电倍增管和锁相放大器等技术对暗信号进行提取，提高PST测试系统测试极限水平。通过对测试系统的测试值和标准值比较，合理分析测试系统存在的偏差因素，本文就可见光波段（0.75μm）进行分析说明。

1 基本原理

目前国际上较为通用的杂散光评价标准是点光源透过率法，即PST（Point Source Transmittance），它是一种科学的、可精准测量的、且能评价光学系统对杂散光抑制能力的测量方法。其定义为，光学系统视场外视场角为θ的点源目标的辐射，经光学系统后，在像面上产生的辐照度Ei()θ与其在光学系统入瞳处辐照度E0()θ的比值。即：

从而可得到被测相机在不同离轴角的PST值。PST测试系统主要是由光源组件、斩波器、离轴平行光管、锁相放大器、光电倍增管、双柱罐、被测光学系统、数据采集处理系统、一维位移台、二维位移台、三维位移台、六维转台等部件组成。系统工作原理如图1所示。

图1 PST测试原理

测试流程如下，首先对器件进行标定，保证测量时测量系统的精准度，然后对光束进行均匀性及准直性测试，保证出射的光线满足实验的要求。当光源发出的光经过平行光管准直后形成ϕ1000mm的光斑进入双柱罐。双柱罐中心位置放置六维电动旋转台，被测光学系统放置于双柱罐的六维电动旋转台上。光源发出的光经斩波器调制后入射到平行光管中，被平行光准直后形成ϕ1000mm口径的光斑入射到双柱罐中，探测器固定在三维位移台上，三维位移台固定在六维电动旋转台上。通过调整探测器的位置，保证探测器的探测面位于被测光学系统的像面位置处。由于轴外视场的杂散光属于弱信号探测，为保证探测到的光信息不被探测器的噪声淹没，将采集到的信号通过锁相放大器比对过滤。旋转六维电动旋转台，被测光学系统绕旋转台中心在[-θ,+θ]范围内旋转，测试不同角度下，像面上产生的辐照度与其在光学系统入瞳处辐照度的比值，得出不同角度处的PST指数。

在整个测试系统中，探测器是最关键的光电器件之一。为了使式（1）中在像面上产生的辐照度Ei()θ保持在探测器线性响应区间内，保证实验数据准确，宜选取合适的探测器。

2 探测器的选取

可见光探测器通过三维位移台固定在被测光学系统的像面处。测试时，通过旋转台调节被测光学系统的角度以模拟光源由不同的角度入射进入光学系统，通过探测像面处的能量计算光学系统PST指数，以评价光学系统杂散光抑制能力。可见光探测器的灵敏度决定了系统测试范围。而光源的辐亮度直接影响入射光学系统像面处的辐亮度，因而有必要计算像面处的辐照度，来选择合适的可见光探测器。

当光源为可见光均匀光源时，其辐亮度调节范围为10～100W/m2·sr。根据辐亮度计算公式：

式中，dA表示元面积的辐射面，和表面法线N成θ度，在元立体角dΩ内发出的辐通量dΦe，其辐亮度为Le。

为满足准直性要求，光纤的直径应不大于ϕ0.15mm，且对于一般的光纤，其NA=0.22。经过15m的平行光管后成ϕ1000mm的光斑。由于焦距很长，所以立体角可以近似用下式计算：

那么可以计算平行光管出射后的辐通量为：

换算为明视觉条件下的光学量，为

这里为简化计算，V(λ)为光谱效率函数，则有

那么可计算光照度：

根据技术参数要求，可计算光学系统像面处的照度：

对于可见光均匀光源，应选取探测范围在3.5×10-13W m2～3.5×10-8W m2的探测器。由于可见光源和红外光源探测器探测范围步骤类似，可得激光光源应选取探测范围在6.48×10-2W m2～6.48×10-6W m2的探测器，对于红外激光光源，应选取探测范围在1.46×10-4W m2～1.46×10-8W m2的探测器。

表1 各参数赋值及求解

3 PST测试

3.1 光束性能测试

（1）准直性测试

在PST测试过程中，光束性能测试结果直接影响测试系统误差，所以需要对光束的性能测试进行严格的检测来达到实验所需的要求。

在准直性测试中，平行光管的作用是模拟无穷远的光源。由于平行光管的口径比较大，通常采用“五棱镜法”对平行光管的准直性进行校正，图2所示。在平行光管前放置一个五棱镜，利用一维电动位移台，使其沿垂直于平行光管光轴方向移动。检校时使五棱镜从位置①移动到位置②，沿光轴前后移动平行光管的分划板，分划像由左向右移动时，则分划板处在焦内。十字分划线像在CCD像面上移动m个像元，则平行光的准直性评价公式为：

其中，ΔP为摄像机的像元尺寸，f为摄像机的焦距，m为系统的已知参数。通过调整平行光管物镜与分划板之间的相对位置，予以消除视差。分划板的位置即光源位置。

图2 平行光管准直性测试

表2 观测系统技术指标

表3 CCD技术指标

根据表2及表3，可计算本系统实际能达到的测量精度为：

观测系统角分辨率为：

以上可知，本系统所选用的器件能够满足测试精度为±2"的要求。

（2）均匀性性测试

在光束的均匀性测试中，平行光管出射端口放置二维位移台，将光功率计固定在二维位移台上。令光功率计"S"型遍历整个光斑，如图3所示，每20mm采集一次数据。记录光功率计的最大值和最小值则光源均匀性可由下式计算：

根据测试要求，如果U＜4%，则认为光束均匀性满足要求。

图3 光束均匀性测试的扫描路径

表4 探测器的主要技术参数

由于本系统中可见光光源的光谱为0.447μm、0.75μm，用S132C测试，测量不确定度为±3%。1.06μm及1.71μm，用S130C测试，测量不确定度为5%。据此计算各个波段处的测量误差。表4为探测器的主要技术参数。

根据光斑均匀性公式，对于S132C探测器，考虑到此时测量不确定度为±3%，则可计算光斑均匀性最大偏差为：

由于：

则可以得出，其精度为：

最终可以计算出0＜ε1＜3%。

同样的方法，对于S130C探测器，考虑到测量不确定度为±5%，最终可以计算出0＜ε2＜5%。可以实现光斑均匀性优于5%的测试。

光束性能测试是影响测试系统测试误差首要的也是最直接的因素之一，良好的准直性和均匀性是保证测试系统精度的前提，通过以上光束性能测试，准直性为3.7%/10h，均匀性为3.5%/10h，能达到很好的控制测试系统误差的效果。

3.2 杂散光测试

通过性能测试的平行光束，经过双柱罐入光口入射到其内被测光学系统，在被测光学系统的焦面处放置光电倍增管探测器，并结合锁相放大器探测被测光学焦面处的辐照度，进而绘制杂散光与光谱透过率的测试曲线。杂散光与光谱透过率测试系统结构如图4所示。

杂散光与光谱透过率测试分为四步，首先控制六维旋转台将被测光学系统置于双柱罐的平行光照射处；然后调整三维调整架，将光电倍增管探测器移动到被测光学系统的焦面处并固定；控制六维调整台在水平方向以某一角度间隔进行扫描，在每一个采样角度处记录锁放输出电压值，从而得到不同角度的透过被测光学系统的辐照度被固定在焦面的探测器所接收。最后根据平行光测试模块中记录的平行光输出功率值，计算被测光学系统的PST值，得到不同转动角度处被测光学系统的PST值。进而绘制杂散光与光谱透过率测试曲线。杂散光与光谱透过率测试部分与工控机通信接口如表5所示。

图4 杂散光与光谱透过率测试系统结构框图

表5 杂散光与光谱透过率测试部分与工控机通信接口

4 结果与分析

4.1 PST测试结果

光束的性能参数的测试结果如表6所示。光束的准直性、均匀性、稳定性的测量参数都比较好的满足了实验的要求。光束的性能测试对整个系统的测试结果起到了很好的保障作用，能有效的降低系统测试误差。

表6 光束测试性能参数

图5所示为可见光探测器的响应曲线。从图中可以看出，在0.03lux之前，探测器所接受到的能量与拟合数据存在一定的偏差，可能是探测器的响应没有达到一个稳定的状态。在后半段，原始数据和拟合数据很好的重合在一起，数据基本具有一致性，满足实验所需的要求。

图5 可见光探测器的响应曲线

图6是整个测试系统的整体实物图。图中有矩形支架、双柱罐和平行光管。其中矩形支架的作用是为了使二维位移台和平行光管的高度相匹配。双柱罐的作用是防止内部残存的反射、散射等光污染重叠在探测器上，从而影响探测器的性能。平行光管的作用是为了模拟太阳对地面辐射的平行光。

图6 PST系统整体实物

图7是对测试系统进行了三次测量的PST曲线。从测试结果可以看出，测试曲线与标定值曲线有小于一个量级左右的差值，基本符合试验测试的一致性。PST曲线整体成下降趋势，在3°～9°之间下降较快，PST达到10-5量级左右。系统对杂散光的抑制能力完全满足要求。在离轴角度为9°附近时，测试数据和标定数据基本重合，说明PST测试水平基本保持稳定，在离轴角度为大于9°时，从曲线可以看出，标定数据一般位于测试数据的下方，相差一个数量级左右，可能是由于测试镜头的表面受到的双柱罐内残余的反、散射光的影响更大一些。

图7 可见光PST测试值与标定值

4.2 影响误差因素

考虑到测试值和标定值存在的偏差，如图8所示，从图中可以看出在离轴角度15°以内，PST测试值和标定值一致性较好，且在15°离轴角PST值达到10-6，可验证杂散光测试系统抑制能力满足要求。但是在15°～20°时，测试值和标定值出现一到两个数量级差距，可能是由于探测器表面出现的瑕疵所造成的。在离轴角度大于20°时。恢复实验数据的一致性，可充分说明在这个视场范围内杂散光测试是有意义的。

影响测试误差的主要因素有以下几个方面：

（1）环境清洁度对杂散光的影响很大。特别是在双柱罐内，其内部残存的反射、散射等一系列光污染在探测器上造成本底噪声的重叠引起的，而且角度越大，这种现象越明显。

（2）环境杂散光变化影响较大。即使在测试过程中已经对实验室内反光区域进行了遮挡工作，但是环境光仍然很严重。特别是在离轴角为18°的时候。

（3）测试前通过对光束的均匀性、稳定性、准直性的标定和探测器线性标定的误差影响。光束的均匀性为3.5%，稳定性为4.1%，准直性为3.7%，，由此引起的测试误差为：

（4）测试系统与标准系统的装配存在一定的偏差所产生的。

5 结论

对PST测试系统的多波段杂散光在光束性能测试、器件选定、测试与标定结果对比分析等方面进行了深入的研究。通过对光束进行性能测试，将其误差控制在6.5%，满足测试要求。改进后的PST测试系统的可见光测试极限水平可以达到10-8，红外光PST的测试极限水平可以达到10-10。通过对测试系统的实际测量值和标准值进行对比，分析测试系统误差存在的因素，对测试系统在不同波段杂散光所存在问题的分析具有指导性意义。

另外，考虑到标准相机的标定值和实际测量值之间的偏差，环境杂散光和环境洁净度能对结果产生很大的影响。在未来的研究工作中，可以在双柱罐的结构设计中改进方案，提高空气洁净度，有望将PST测试水平提高。

［1］TAN He ping，SHUAI Yong，XIA Xin lin，et al.Reliability of stray light calculation code using the Monte Carlo method［J］.Optical Engineering，2005，44：1-11.

［2］赵雨时，付跃刚，欧阳名钊，等.一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（5）：30-34.

［3］吴振森，窦玉红.空间目标的可见光散射与红外辐射［J］.光学学报，2003，23（10）：1250-1254.

［4］LiTing，YangJianfeng，RuanPing，etal.Stray lightanalysis of the lunar-based optical telescope［J］.ActaPhotonica Sinica，2007，36（S）：136-141.

［5］郭力涛，高天元，孙景睿，等.卡塞格林式星敏感器杂散光分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，38（2）：21-24.

［6］吕天宇，明名，陈宝刚，等.折射式红外变焦光学系统内部杂光分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2014，37（2）：10-14.

［7］高万荣，薛鸣球，苗兴华，等.长焦距光学系统杂光系数测量的新方法及其理论分析［J］.光学学报，1996，16（11）：1627-1630.

［8］高万荣，查冠华，苗兴华.长焦距光学系统杂光系数测试仪［J］.光子学报，1996，25（6）：537-539.

［9］廖胜，沈忙作.红外光学系统杂光PST的研究与测试［J］.红外与毫米波学报，1996，15（5）：375-378.

［10］徐亮，赵建科，薛勋.月基望远镜杂散光PST研究与测试［J］.红外与激光工程，2014，43（4）：1289-1295.