王 維，陸 琳，張?zhí)煲?，王瑋鷺，劉奕辰，孟慶宇，徐抒巖

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引言

隨著對空間光學(xué)系統(tǒng)探測精度要求的提高，雜光分析與抑制技術(shù)已成為空間光學(xué)遙感成像的關(guān)鍵之一[1-3]。對于可見光波段的光學(xué)系統(tǒng)來說，雜散光主要由外部輻射經(jīng)由結(jié)構(gòu)件、光學(xué)元件表面的散射和衍射產(chǎn)生。點源透射比(Point Source Transmittance,PST)是評價光學(xué)系統(tǒng)視場外雜光抑制水平的重要指標，其定義為光學(xué)系統(tǒng)有效視場外某一視場角的平行光入射，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在像面產(chǎn)生的輻照度與其在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的輻照度的比值[4]。該指標與雜光輻射的入射角和系統(tǒng)的工作譜段有關(guān)，而與雜光光源的輻射強度無關(guān)，只體現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)對于視場外某一角度入射的雜光的抑制能力，在弱目標探測的空間光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛[5]。

國外對光學(xué)系統(tǒng)雜光的分析與研究起步較早，在公開發(fā)表的文獻中介紹了不少關(guān)于PST測試設(shè)備的研制以及成功應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)雜光測試的例子。2008 年，Ball Aerospace&Technologies Corp 建立了一臺新型雜散光測試設(shè)備SLTF，該設(shè)備首次引入鏡面雙柱筒結(jié)構(gòu)，通過對被測設(shè)備表面的散射光線多次反射以達到測試環(huán)境雜散光抑制效果。文獻中指出，在潔凈度為ISO 5 級環(huán)境下PST 的測試能力優(yōu)于10?9量級[6-7]。國內(nèi)對于點源透過率的研究起步較晚，2011 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間光學(xué)工程研究中心在實驗室里搭建了一套無中心遮攔的離軸拋物面反射式雜光測量裝置，該系統(tǒng)的光源采用高壓短弧氙燈，模擬光源準直系統(tǒng)采用離軸拋物面鏡，其對于口徑為300 mm、全視場為1.5°的卡塞格林式望遠系統(tǒng)的測量結(jié)果顯示，PST 的測試能力可達到10?7量級[8]。2015 年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所建立了一套1 m 口徑的三波段PST 測試設(shè)備，其實際測試結(jié)果可達到10?7量級[9]。2017 年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所建立了一套多波段點源透過率測試系統(tǒng)用于航天遙感相機的雜散光測試[10]，系統(tǒng)可測量口徑小于1 000 mm 的光學(xué)系統(tǒng)，測試波段覆蓋可見及紅外波段，測試極限可見光為10?7，短波紅外為10?6，長波紅外為10?8。2018年，長春理工大學(xué)建立了一套1 m 口徑的多波段PST 測試設(shè)備[11]，經(jīng)實驗驗證其在可見光波段的測試極限可達到10?8量級（紅外波段的測試極限預(yù)計可達到10?10量級，但是未報導(dǎo)相應(yīng)實驗驗證結(jié)果）。

隨著我國光學(xué)技術(shù)以及探測器件的發(fā)展，大部分空間光學(xué)系統(tǒng)都具有高分辨率、低閾值的特點，對雜光抑制水平和評價指標的要求也越來越高，迫切需要更高測試能力的PST 實驗室測試設(shè)備，以實現(xiàn)系統(tǒng)雜光抑制水平的定量評定。以我國正在建造的某空間天文望遠鏡為例，其雜光抑制指標是40°以外的PST 優(yōu)于1×10?8，這就要求PST 測試設(shè)備的測試能力至少要達到10?9量級。鑒于此，本文開展了10?9量級PST 測試技術(shù)研究，研制了一套最大測試口徑為600 mm、測試波長為527 nm 的測試設(shè)備，并利用該設(shè)備測量了一臺250 mm 口徑的空間光學(xué)相機在弧矢方向的PST。這是國內(nèi)首次報道的測量靈敏度達到10?9量級的PST 測試設(shè)備。

高靈敏度PST 測試的主要難點在于如何準確測量像面處極其微弱的雜光信號。國內(nèi)以往的高精度測試設(shè)備[9-12]均采用鎖相放大技術(shù)作為提升微弱信號探測信噪比的主要手段，即通過斬波器將光源調(diào)制為固定頻率的周期信號，在探測端將接收到的光電信號與同頻率的參考信號進行外差處理，從而實現(xiàn)特定頻率微弱信號的放大。本文提出了采用脈沖光源、脈沖探測的新測量方法，無需采用鎖相放大等一系列復(fù)雜的信噪比提升手段，簡化了微弱信號光電探測組件結(jié)構(gòu)，可以為天文望遠鏡、星敏感器、空間目標監(jiān)視載荷等多種類型的光學(xué)儀器提供雜光抑制性能評估。該項工作將對現(xiàn)階段研制的光電成像系統(tǒng)產(chǎn)品定型以及未來新型光電成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升等具有指導(dǎo)意義。

2 測試設(shè)備的構(gòu)成及其工作原理

PST 測試需要分別測量待測系統(tǒng)像面處和入光口處的光信號強度。PST 測試設(shè)備的組成及工作原理如圖1 所示，主要包括測試光源、雙圓柱型消光殼體、可旋轉(zhuǎn)光學(xué)平臺、探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾個部分。測試設(shè)備實物圖如圖2 所示。待測系統(tǒng)放置在可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)平臺上，通過光學(xué)平臺的水平旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)不同角度平行光入射時的測量，最大旋轉(zhuǎn)角度達±90°。垂直方向受到空間以及支撐結(jié)構(gòu)的限制不能實現(xiàn)大角度的旋轉(zhuǎn)，實際測試中可通過改變待測系統(tǒng)放置的姿態(tài)實現(xiàn)不同方位的PST 測試。轉(zhuǎn)臺位于封閉的雙圓柱型消光殼體的內(nèi)部中心位置附近，雙圓柱型消光殼體可以有效抑制光線從待測系統(tǒng)散射、經(jīng)由殼體表面再次進入待測系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞[9,13]。在測試角度接近±90°時，雙圓柱殼體與待測相機接近共心，雜散光抑制效果會有所下降[13]，實際使用時，最大測試角度為±70°。雙圓柱殼體內(nèi)部通過空氣凈化系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)于ISO 6 級的超潔凈環(huán)境，以將空氣、灰塵的散射抑制到10?10量級，避免其對測試結(jié)果的影響[14]。

圖1 雜光測試系統(tǒng)組成與工作原理Fig.1 Composition and principal of the PST test facility

圖2 測試設(shè)備實物圖Fig.2 Photograph of the PST test facility

測試光源為一臺工作波長為527 nm 的脈沖激光器，通過680 mm 口徑平行光管擴束為大口徑平行光并入射到光學(xué)系統(tǒng)入光口處。利用光電倍增管的光輻射測量探頭在待測系統(tǒng)入光口和像面處進行照度測量，測量探頭安置在高精度電控二維位移臺上，通過二維位移臺的水平與垂直運動實現(xiàn)照度采集。測試過程中像面處照度和入光口處照度采用同一個光電倍增管進行分時測量，兩者比值即為測得的點源透過率。為使光電倍增管實現(xiàn)109范圍內(nèi)的線性測量，在其探頭前加上不同倍率的已標定過的中性衰減片，（包括空擋、OD2～OD5、OD8），在測量過程中可根據(jù)信號的強度自動調(diào)整到合適的衰減倍率。

高靈敏度PST 測試的主要難點在于如何準確測量像面處極其微弱的雜光信號?？紤]到微弱信號檢測不可避免地要引入復(fù)雜的放大、降噪等技術(shù)環(huán)節(jié)，為了降低光電探測系統(tǒng)的復(fù)雜度，探測系統(tǒng)設(shè)計時采用了其他思路，即盡可能提升像面處雜光信號的強度至可以直接探測的量級。這就意味著必須提高測試光源的功率，然而大功率激光體積龐大、損傷能力強，在實驗室使用中存在著諸多風險和不便。因此，本文采用了具有低平均功率、高峰值功率特點的脈沖激光作為測試光源。以TECH-527A 型激光器為例，其平均功率最高僅有0.6 W，但是在重復(fù)頻率為4 kHz、脈沖寬度為5 ns 的條件下，其峰值功率可達到30 kW，可以實現(xiàn)極高的瞬時光照度。衰減109倍以后，仍然處于光電探測器的可探測范圍之內(nèi)。這樣一來便可以采用光電倍增管直接探測雜光的峰值信號，而不需要采用斬波器和鎖相放大提升信噪比。本設(shè)備的探測器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)僅包含光電倍增管、運算放大器、數(shù)據(jù)采集模塊以及各組件相應(yīng)的電源模塊。相比于采用斬波器和鎖相放大器的探測系統(tǒng)，探測器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的復(fù)雜程度得到簡化。

脈沖光源、脈沖探測的測量方法需要探測器及其后續(xù)電路具有較高的工作帶寬，若工作帶寬不足，則會造成光電信號的展寬，進而導(dǎo)致脈沖幅值的降低，最終使微弱信號探測的信噪比降低。但是，30 kW 的峰值功率對于10?9量級PST 測試來說是非常充裕的，即使信號因為帶寬不足而損失了一定的幅值，仍然能夠保證探測結(jié)果具有足夠的信噪比。

3 光源與光電探測系統(tǒng)

測試設(shè)備中的光電探測器選用濱松公司的H10425-01 型號的光電倍增管，其陽極輻射響應(yīng)靈敏度在527 nm 波長處的典型值約為3.2×104A/W。光電陰極直徑為22 mm，暗電流最大值約為20 nA，上升時間典型值約為1.5 ns，可以滿足5 ns 激光脈沖的測量需求。放大電路模塊選擇與之相配套的濱松公司C5594-44 放大器單元，CV 轉(zhuǎn)換因子為3.15 mV/μA，噪聲系數(shù)為5 dB，?3 dB 帶寬最高可至1.5 GHz，可以滿足5 ns 激光脈沖的測量需求。采用Pico 公司的5244A 型數(shù)據(jù)采集卡作為A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集裝置，最高采樣帶寬為200 MHz。

由于整形后激光器的發(fā)散角小于等于平行光管的孔徑角，故可認為激光器能量全部進入平行光管。激光脈沖峰值功率按300 W（考慮到入光口處信號可能過強，未用到激光器最大輸出功率）計算，根據(jù)平行光管口徑以及光束整形擴束系統(tǒng)的總光學(xué)透過率，可得到平行光管出射光束峰值功率處的照度約為5.95×102W/m2。對應(yīng)的入瞳信號電流為峰值功率照度與光電倍增管光電陰極面積、陽極輻射響應(yīng)靈敏度的乘積，為6 731.09 A。光電倍增管的飽和電流為100μA，因而，需在光電倍增管前加裝濾光片組以控制光電倍增管輸出電流，選取一款衰減倍率標定值為3.65×10?9的OD8 衰減片，對應(yīng)輸出電流約為24μA，可以保證光電倍增管不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，且仍具有一定的測量信噪比。

在使用光電倍增管進行像面照度探測時，系統(tǒng)噪聲主要來源于兩部分，一是光電倍增管自身的暗電流以及其經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的噪聲，二是數(shù)據(jù)采集模塊的電壓噪聲。二者的均方和為系統(tǒng)總噪聲。假定微弱光信號產(chǎn)生的電流為I0=0.36 μA，由于光電倍增管的最大暗電流為20 nA，則探測的原始信噪比約為18。放大電路噪聲指數(shù)為5 dB，CV 轉(zhuǎn)換因子為3.15 mV/μA，則經(jīng)過放大后，輸出電壓值約為1.13 mV，信噪比降為10，噪聲電壓約為0.113 mV。數(shù)據(jù)采集模塊噪聲為0.12 mV，此時，可以計算出探測系統(tǒng)的總噪聲約為6.85，可以滿足最小信噪比為6 的要求。

通過上述分析，可以計算出PST 測試能力極限。若以0.36μA 作為光電流探測極限，則在入射角為θ時的PST 測試能力極限可表示為：在不同入射角度下的測試能力極限的理論計算結(jié)果見表1。分析該結(jié)果可知，探測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備10-9高靈敏度PST 測試的能力。

表1 PST 測試能力極限理論計算結(jié)果Tab.1 Theoretical analysis results of the PST detection limit

4 測量實驗驗證

4.1 信號測量線性度驗證

在測試之前，先標定探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量線性度。將探測組件固定在入光口前的一個位置，光電倍增管前加裝OD8 衰減片，不斷增加激光器的輸出功率，即入光口的光強度，讀出此時探測器采集到的光信號強度，測試結(jié)果如圖3所示?？梢姡綔y器呈現(xiàn)良好的線性，經(jīng)過擬合得到的線性度優(yōu)于6.0%。

圖3 信號測量的線性度驗證Fig.3 Linearity verification of signal detection

4.2 PST 測試驗證

利用該設(shè)備測試了一臺250 mm 口徑、3.5 m焦距的空間光學(xué)相機在弧矢方向分別為40°、50°、60°時的PST。相機的雜光抑制指標要求為40°以外的PST 優(yōu)于1×10?8。在入光口處不同位置（均勻選擇6 個測試點）測量得到的電壓值見表2。測量信號平均值為1 818 mV，入光口不同位置的信號標準差為std=259.57，照度均勻性約為14.28%?？梢哉J為入光口照度是基本均勻的，滿足雜光抑制能力測試的需求。

表2 入光口信號測量值Tab.2 Signal voltages at different positions of the input plane

在像面位置處，通過二維掃描平移臺測量了像面上均勻劃分的不同視場位置的雜光信號，測量結(jié)果分別如表3、表4、表5 所示。

表3 距中心視場40°像面信號測量值Tab.3 Detected signal voltages at the image plane at the 40°off-axis angle(mV)

表4 距中心視場50°像面信號測量值Tab.4 Detected signal voltages at the image plane at the 50°off-axis angle(mV)

探測信號隨時間的變化情況如圖4 所示，可以看到，探測信號與激光器輸出光能量的分布一致，均為脈沖形式，相鄰探測信號的間隔約為0.25 ms，與激光器重復(fù)頻率（4 kHz）完全吻合，確認探測到的信號是激光發(fā)出信號。此時輸出信號的噪聲背景仍約為15 mV，噪聲形式是較為均勻的白噪聲背景，沒有呈現(xiàn)出明顯的頻率特性。但各激光脈沖峰值的幅值有所差異，在測試期間監(jiān)視其時間穩(wěn)定性，最大變化約為±16.1%。

表5 距中心視場60°像面信號測量值Tab.5 Detected signal voltages at the image plane at the 60°off-axis angle(mV)

圖4 測試信號隨時間的變化關(guān)系Fig.4 Signal voltages varging with time

由入光口信號值和像面處信號的平均值可以計算得到各入射角度下待測系統(tǒng)的PST，結(jié)果見表6。各角度測試結(jié)果均在10?9量級。

表6 待測系統(tǒng)不同角度下的PST 值Tab.6 PSTs at different incident angles of the test subject

4.3 測試結(jié)果及誤差分析

PST 的測試誤差主要來源于光源穩(wěn)定性、探測系統(tǒng)線性度等隨機性誤差，濾光片倍率標定誤差引起的系統(tǒng)誤差，以及空氣潔凈度、雙圓柱殼體結(jié)構(gòu)表面散射引起的系統(tǒng)誤差[15]。其中，濾光片倍率標定誤差雖然在PST 測試過程中屬于系統(tǒng)誤差，但是其來源于濾光片倍率標定時的多種系統(tǒng)誤差和隨機誤差，也應(yīng)作為隨機誤差來考慮?？赏ㄟ^對獨立的隨機誤差進行均方相加的方式得到總誤差，激光光源的穩(wěn)定性誤差約為16.1%，探測器線性度誤差約為6.0%，濾光片倍率標定不確定度最大值約為13.6%（由同一濾光片在多個設(shè)備、多次測量的結(jié)果計算得出），總誤差約為21.9%，其對測量結(jié)果準確性的影響在可接受范圍之內(nèi)。

系統(tǒng)誤差的影響則需要通過分析測試過程中的雜光傳遞路徑得出。待測相機自身的雜光傳遞路徑一般為光源—遮光罩—鏡面—像面，這部分雜光是真正的測量對象；雙圓柱殼體表面散射也會在待測相機像面產(chǎn)生雜光，傳遞路徑一般為光源—遮光罩—雙圓柱型殼體—鏡面—像面，這部分雜光是系統(tǒng)誤差之一；測試設(shè)備中空氣、灰塵經(jīng)光源照射后產(chǎn)生的散射光直接成為成像視場光線照射至像面后，也會出現(xiàn)雜光，在非真空條件下這部分雜光不可消除，也是測試系統(tǒng)誤差之一。

從路徑上看，兩種系統(tǒng)誤差的傳遞路徑與待測雜光的傳遞路徑是具有強耦合性的，僅以這一套測試設(shè)備無法區(qū)分像面上的雜光是來自于3 種路徑中的哪一種。因此，無法得出系統(tǒng)誤差與測量真值的相對比較值。但是可以確定的是，兩種誤差因素以及相機自身雜散光的PST 總和為1.68×10?9，3 條雜光傳遞路徑中的任意一種引起的PST 均不超過總值。這就可以證明待測相機滿足其自身的雜光抑制設(shè)計指標要求，同時也可以證明，本測試設(shè)備的PST 測試誤差絕對值在10?9或更低的量級。

5 結(jié)論

本文研制了一套可見光波段高靈敏度的PST測試設(shè)備。該設(shè)備的最大測試口徑為600 mm，測試波長為527 nm，測試靈敏度達到10?9量級。該設(shè)備采用了脈沖光源、脈沖探測的新測量方法，簡化了微弱信號光電探測組件結(jié)構(gòu)。利用該設(shè)備測試了一臺250 mm 口徑空間光學(xué)相機的PST，測得的最小PST 值出現(xiàn)在60°入射時，此時PST測試結(jié)果為1.68×10?9。證明該設(shè)備的測試誤差在10?9或更低的量級。這是國內(nèi)首次報道的測量靈敏度達到10?9量級的PST 測試設(shè)備。該設(shè)備可以為天文望遠鏡、星敏感器、空間目標監(jiān)視載荷等多種類型的光學(xué)儀器提供雜光抑制性能的評估，將對現(xiàn)階段研制的光電成像系統(tǒng)產(chǎn)品定型以及未來新型光電成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升等具有重要指導(dǎo)意義，有利于推動我國空間光學(xué)載荷向更高探測深度發(fā)展。