10−9 量级高灵敏度点源透射比测试设备研究

王 维，陆 琳，张天一，王玮鹭，刘奕辰，孟庆宇，徐抒岩

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

1 引言

随着对空间光学系统探测精度要求的提高，杂光分析与抑制技术已成为空间光学遥感成像的关键之一[1-3]。对于可见光波段的光学系统来说，杂散光主要由外部辐射经由结构件、光学元件表面的散射和衍射产生。点源透射比(Point Source Transmittance,PST)是评价光学系统视场外杂光抑制水平的重要指标，其定义为光学系统有效视场外某一视场角的平行光入射，经光学系统后，在像面产生的辐照度与其在光学系统入瞳处的辐照度的比值[4]。该指标与杂光辐射的入射角和系统的工作谱段有关，而与杂光光源的辐射强度无关，只体现光学系统对于视场外某一角度入射的杂光的抑制能力，在弱目标探测的空间光学系统中应用较为广泛[5]。

国外对光学系统杂光的分析与研究起步较早，在公开发表的文献中介绍了不少关于PST测试设备的研制以及成功应用于光学系统杂光测试的例子。2008 年，Ball Aerospace&Technologies Corp 建立了一台新型杂散光测试设备SLTF，该设备首次引入镜面双柱筒结构，通过对被测设备表面的散射光线多次反射以达到测试环境杂散光抑制效果。文献中指出，在洁净度为ISO 5 级环境下PST 的测试能力优于10−9量级[6-7]。国内对于点源透过率的研究起步较晚，2011 年，哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心在实验室里搭建了一套无中心遮拦的离轴抛物面反射式杂光测量装置，该系统的光源采用高压短弧氙灯，模拟光源准直系统采用离轴抛物面镜，其对于口径为300 mm、全视场为1.5°的卡塞格林式望远系统的测量结果显示，PST 的测试能力可达到10−7量级[8]。2015 年，中国科学院上海技术物理研究所建立了一套1 m 口径的三波段PST 测试设备，其实际测试结果可达到10−7量级[9]。2017 年，中国科学院西安光学精密机械研究所建立了一套多波段点源透过率测试系统用于航天遥感相机的杂散光测试[10]，系统可测量口径小于1 000 mm 的光学系统，测试波段覆盖可见及红外波段，测试极限可见光为10−7，短波红外为10−6，长波红外为10−8。2018年，长春理工大学建立了一套1 m 口径的多波段PST 测试设备[11]，经实验验证其在可见光波段的测试极限可达到10−8量级（红外波段的测试极限预计可达到10−10量级，但是未报导相应实验验证结果）。

随着我国光学技术以及探测器件的发展，大部分空间光学系统都具有高分辨率、低阈值的特点，对杂光抑制水平和评价指标的要求也越来越高，迫切需要更高测试能力的PST 实验室测试设备，以实现系统杂光抑制水平的定量评定。以我国正在建造的某空间天文望远镜为例，其杂光抑制指标是40°以外的PST 优于1×10−8，这就要求PST 测试设备的测试能力至少要达到10−9量级。鉴于此，本文开展了10−9量级PST 测试技术研究，研制了一套最大测试口径为600 mm、测试波长为527 nm 的测试设备，并利用该设备测量了一台250 mm 口径的空间光学相机在弧矢方向的PST。这是国内首次报道的测量灵敏度达到10−9量级的PST 测试设备。

高灵敏度PST 测试的主要难点在于如何准确测量像面处极其微弱的杂光信号。国内以往的高精度测试设备[9-12]均采用锁相放大技术作为提升微弱信号探测信噪比的主要手段，即通过斩波器将光源调制为固定频率的周期信号，在探测端将接收到的光电信号与同频率的参考信号进行外差处理，从而实现特定频率微弱信号的放大。本文提出了采用脉冲光源、脉冲探测的新测量方法，无需采用锁相放大等一系列复杂的信噪比提升手段，简化了微弱信号光电探测组件结构，可以为天文望远镜、星敏感器、空间目标监视载荷等多种类型的光学仪器提供杂光抑制性能评估。该项工作将对现阶段研制的光电成像系统产品定型以及未来新型光电成像系统的结构优化、性能提升等具有指导意义。

2 测试设备的构成及其工作原理

PST 测试需要分别测量待测系统像面处和入光口处的光信号强度。PST 测试设备的组成及工作原理如图1 所示，主要包括测试光源、双圆柱型消光壳体、可旋转光学平台、探测器及数据采集系统等几个部分。测试设备实物图如图2 所示。待测系统放置在可旋转的光学平台上，通过光学平台的水平旋转实现不同角度平行光入射时的测量，最大旋转角度达±90°。垂直方向受到空间以及支撑结构的限制不能实现大角度的旋转，实际测试中可通过改变待测系统放置的姿态实现不同方位的PST 测试。转台位于封闭的双圆柱型消光壳体的内部中心位置附近，双圆柱型消光壳体可以有效抑制光线从待测系统散射、经由壳体表面再次进入待测系统内部的传递[9,13]。在测试角度接近±90°时，双圆柱壳体与待测相机接近共心，杂散光抑制效果会有所下降[13]，实际使用时，最大测试角度为±70°。双圆柱壳体内部通过空气净化系统实现优于ISO 6 级的超洁净环境，以将空气、灰尘的散射抑制到10−10量级，避免其对测试结果的影响[14]。

图1 杂光测试系统组成与工作原理Fig.1 Composition and principal of the PST test facility

图2 测试设备实物图Fig.2 Photograph of the PST test facility

测试光源为一台工作波长为527 nm 的脉冲激光器，通过680 mm 口径平行光管扩束为大口径平行光并入射到光学系统入光口处。利用光电倍增管的光辐射测量探头在待测系统入光口和像面处进行照度测量，测量探头安置在高精度电控二维位移台上，通过二维位移台的水平与垂直运动实现照度采集。测试过程中像面处照度和入光口处照度采用同一个光电倍增管进行分时测量，两者比值即为测得的点源透过率。为使光电倍增管实现109范围内的线性测量，在其探头前加上不同倍率的已标定过的中性衰减片，（包括空挡、OD2～OD5、OD8），在测量过程中可根据信号的强度自动调整到合适的衰减倍率。

高灵敏度PST 测试的主要难点在于如何准确测量像面处极其微弱的杂光信号。考虑到微弱信号检测不可避免地要引入复杂的放大、降噪等技术环节，为了降低光电探测系统的复杂度，探测系统设计时采用了其他思路，即尽可能提升像面处杂光信号的强度至可以直接探测的量级。这就意味着必须提高测试光源的功率，然而大功率激光体积庞大、损伤能力强，在实验室使用中存在着诸多风险和不便。因此，本文采用了具有低平均功率、高峰值功率特点的脉冲激光作为测试光源。以TECH-527A 型激光器为例，其平均功率最高仅有0.6 W，但是在重复频率为4 kHz、脉冲宽度为5 ns 的条件下，其峰值功率可达到30 kW，可以实现极高的瞬时光照度。衰减109倍以后，仍然处于光电探测器的可探测范围之内。这样一来便可以采用光电倍增管直接探测杂光的峰值信号，而不需要采用斩波器和锁相放大提升信噪比。本设备的探测器与数据采集系统仅包含光电倍增管、运算放大器、数据采集模块以及各组件相应的电源模块。相比于采用斩波器和锁相放大器的探测系统，探测器与数据采集系统的复杂程度得到简化。

脉冲光源、脉冲探测的测量方法需要探测器及其后续电路具有较高的工作带宽，若工作带宽不足，则会造成光电信号的展宽，进而导致脉冲幅值的降低，最终使微弱信号探测的信噪比降低。但是，30 kW 的峰值功率对于10−9量级PST 测试来说是非常充裕的，即使信号因为带宽不足而损失了一定的幅值，仍然能够保证探测结果具有足够的信噪比。

3 光源与光电探测系统

测试设备中的光电探测器选用滨松公司的H10425-01 型号的光电倍增管，其阳极辐射响应灵敏度在527 nm 波长处的典型值约为3.2×104A/W。光电阴极直径为22 mm，暗电流最大值约为20 nA，上升时间典型值约为1.5 ns，可以满足5 ns 激光脉冲的测量需求。放大电路模块选择与之相配套的滨松公司C5594-44 放大器单元，CV 转换因子为3.15 mV/μA，噪声系数为5 dB，−3 dB 带宽最高可至1.5 GHz，可以满足5 ns 激光脉冲的测量需求。采用Pico 公司的5244A 型数据采集卡作为A/D 转换和数据采集装置，最高采样带宽为200 MHz。

由于整形后激光器的发散角小于等于平行光管的孔径角，故可认为激光器能量全部进入平行光管。激光脉冲峰值功率按300 W（考虑到入光口处信号可能过强，未用到激光器最大输出功率）计算，根据平行光管口径以及光束整形扩束系统的总光学透过率，可得到平行光管出射光束峰值功率处的照度约为5.95×102W/m2。对应的入瞳信号电流为峰值功率照度与光电倍增管光电阴极面积、阳极辐射响应灵敏度的乘积，为6 731.09 A。光电倍增管的饱和电流为100μA，因而，需在光电倍增管前加装滤光片组以控制光电倍增管输出电流，选取一款衰减倍率标定值为3.65×10−9的OD8 衰减片，对应输出电流约为24μA，可以保证光电倍增管不出现饱和现象，且仍具有一定的测量信噪比。

在使用光电倍增管进行像面照度探测时，系统噪声主要来源于两部分，一是光电倍增管自身的暗电流以及其经过放大电路产生的噪声，二是数据采集模块的电压噪声。二者的均方和为系统总噪声。假定微弱光信号产生的电流为I0=0.36 μA，由于光电倍增管的最大暗电流为20 nA，则探测的原始信噪比约为18。放大电路噪声指数为5 dB，CV 转换因子为3.15 mV/μA，则经过放大后，输出电压值约为1.13 mV，信噪比降为10，噪声电压约为0.113 mV。数据采集模块噪声为0.12 mV，此时，可以计算出探测系统的总噪声约为6.85，可以满足最小信噪比为6 的要求。

通过上述分析，可以计算出PST 测试能力极限。若以0.36μA 作为光电流探测极限，则在入射角为θ时的PST 测试能力极限可表示为：在不同入射角度下的测试能力极限的理论计算结果见表1。分析该结果可知，探测与数据采集系统具备10-9高灵敏度PST 测试的能力。

表1 PST 测试能力极限理论计算结果Tab.1 Theoretical analysis results of the PST detection limit

4 测量实验验证

4.1 信号测量线性度验证

在测试之前，先标定探测器及数据采集系统的测量线性度。将探测组件固定在入光口前的一个位置，光电倍增管前加装OD8 衰减片，不断增加激光器的输出功率，即入光口的光强度，读出此时探测器采集到的光信号强度，测试结果如图3所示。可见，探测器呈现良好的线性，经过拟合得到的线性度优于6.0%。

图3 信号测量的线性度验证Fig.3 Linearity verification of signal detection

4.2 PST 测试验证

利用该设备测试了一台250 mm 口径、3.5 m焦距的空间光学相机在弧矢方向分别为40°、50°、60°时的PST。相机的杂光抑制指标要求为40°以外的PST 优于1×10−8。在入光口处不同位置（均匀选择6 个测试点）测量得到的电压值见表2。测量信号平均值为1 818 mV，入光口不同位置的信号标准差为std=259.57，照度均匀性约为14.28%。可以认为入光口照度是基本均匀的，满足杂光抑制能力测试的需求。

表2 入光口信号测量值Tab.2 Signal voltages at different positions of the input plane

在像面位置处，通过二维扫描平移台测量了像面上均匀划分的不同视场位置的杂光信号，测量结果分别如表3、表4、表5 所示。

表3 距中心视场40°像面信号测量值Tab.3 Detected signal voltages at the image plane at the 40°off-axis angle(mV)

表4 距中心视场50°像面信号测量值Tab.4 Detected signal voltages at the image plane at the 50°off-axis angle(mV)

探测信号随时间的变化情况如图4 所示，可以看到，探测信号与激光器输出光能量的分布一致，均为脉冲形式，相邻探测信号的间隔约为0.25 ms，与激光器重复频率（4 kHz）完全吻合，确认探测到的信号是激光发出信号。此时输出信号的噪声背景仍约为15 mV，噪声形式是较为均匀的白噪声背景，没有呈现出明显的频率特性。但各激光脉冲峰值的幅值有所差异，在测试期间监视其时间稳定性，最大变化约为±16.1%。

表5 距中心视场60°像面信号测量值Tab.5 Detected signal voltages at the image plane at the 60°off-axis angle(mV)

图4 测试信号随时间的变化关系Fig.4 Signal voltages varging with time

由入光口信号值和像面处信号的平均值可以计算得到各入射角度下待测系统的PST，结果见表6。各角度测试结果均在10−9量级。

表6 待测系统不同角度下的PST 值Tab.6 PSTs at different incident angles of the test subject

4.3 测试结果及误差分析

PST 的测试误差主要来源于光源稳定性、探测系统线性度等随机性误差，滤光片倍率标定误差引起的系统误差，以及空气洁净度、双圆柱壳体结构表面散射引起的系统误差[15]。其中，滤光片倍率标定误差虽然在PST 测试过程中属于系统误差，但是其来源于滤光片倍率标定时的多种系统误差和随机误差，也应作为随机误差来考虑。可通过对独立的随机误差进行均方相加的方式得到总误差，激光光源的稳定性误差约为16.1%，探测器线性度误差约为6.0%，滤光片倍率标定不确定度最大值约为13.6%（由同一滤光片在多个设备、多次测量的结果计算得出），总误差约为21.9%，其对测量结果准确性的影响在可接受范围之内。

系统误差的影响则需要通过分析测试过程中的杂光传递路径得出。待测相机自身的杂光传递路径一般为光源—遮光罩—镜面—像面，这部分杂光是真正的测量对象；双圆柱壳体表面散射也会在待测相机像面产生杂光，传递路径一般为光源—遮光罩—双圆柱型壳体—镜面—像面，这部分杂光是系统误差之一；测试设备中空气、灰尘经光源照射后产生的散射光直接成为成像视场光线照射至像面后，也会出现杂光，在非真空条件下这部分杂光不可消除，也是测试系统误差之一。

从路径上看，两种系统误差的传递路径与待测杂光的传递路径是具有强耦合性的，仅以这一套测试设备无法区分像面上的杂光是来自于3 种路径中的哪一种。因此，无法得出系统误差与测量真值的相对比较值。但是可以确定的是，两种误差因素以及相机自身杂散光的PST 总和为1.68×10−9，3 条杂光传递路径中的任意一种引起的PST 均不超过总值。这就可以证明待测相机满足其自身的杂光抑制设计指标要求，同时也可以证明，本测试设备的PST 测试误差绝对值在10−9或更低的量级。

5 结论

本文研制了一套可见光波段高灵敏度的PST测试设备。该设备的最大测试口径为600 mm，测试波长为527 nm，测试灵敏度达到10−9量级。该设备采用了脉冲光源、脉冲探测的新测量方法，简化了微弱信号光电探测组件结构。利用该设备测试了一台250 mm 口径空间光学相机的PST，测得的最小PST 值出现在60°入射时，此时PST测试结果为1.68×10−9。证明该设备的测试误差在10−9或更低的量级。这是国内首次报道的测量灵敏度达到10−9量级的PST 测试设备。该设备可以为天文望远镜、星敏感器、空间目标监视载荷等多种类型的光学仪器提供杂光抑制性能的评估，将对现阶段研制的光电成像系统产品定型以及未来新型光电成像系统的结构优化、性能提升等具有重要指导意义，有利于推动我国空间光学载荷向更高探测深度发展。