1 北京空间机电研究所,北京 100094
2 首都师范大学数学科学学院,北京 150001
3 兰州大学物理科学与技术学院,甘肃 兰州 730000
Overview: In order to achieve the measurement of gravitational wave signals in the millihertz frequency band, the space-based gravitational wave detection projects such as LISA, TianQin, and Taiji projects, which are based on laser interference systems, require the hardware noise floor of the interferometers to be lower than the interstellar weak light shot noise limit. This imposes stringent engineering specifications on the optical-mechanical design and the corresponding interferometer payload. This paper approaches the issue from the perspective of detection mode selection and derives the expressions of readout noise and stray light noise in the interference signal under the single detector mode and the balanced mode. Furthermore, a detailed discussion is provided on the weak-light interference process of the scientific interferometer. The results demonstrate that the balanced mode is capable of suppressing the interference phase noise caused by laser power fluctuations and backscattered stray light across multiple orders of magnitude. However, the suppression capability is constrained by the unequal splitting property of the beam combiner. To address this, a relative gain factor is introduced to compensate for the unequal splitting property of the beam combiner. Further analysis reveals that electronic gain compensation can only eliminate the impact of unequal splitting on one of the two noises rather than both simultaneously. Therefore, a balance must be struck in selecting gain compensation between the suppression of laser power fluctuation noise and stray light noise. Even with this consideration, the balanced mode still offers significant noise suppression capabilities at a magnitude difference, thus potentially reducing the engineering requirements for laser power fluctuations and telescope backscattered stray light.
引力波探测 平衡探测模式 读出噪声 杂散光分析 gravitational wave observation balanced detection mode read out noise straylight analysis
周星宇 1,2,3,4孙亮 1,2,3,4潘俏 1,2,3,4吴绍龙 1,2,3,4[ ... ]李孝峰 1,2,3,4,**
1 苏州大学光电科学与工程学院,江苏 苏州 215006
2 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心,江苏 苏州 215006
3 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室,江苏 苏州 215006
4 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室,江苏 苏州 215006
为解决目前激光测距接收光学系统存在的难点,即系统在具有充足进光量的同时又要保证其低制造成本和轻小型化,基于拉格朗日不变量理论分析设计了一种大相对孔径接收光学系统。系统采用6片式伽利略型标准球面镜,使用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管(APD)探测回波光信号,优化后的系统入瞳直径为50 mm,相对孔径为1∶0.9,系统总长为114.9 mm,拉格朗日不变量为125 mrad·mm,获得了较为充足的进光量的同时满足低成本小型化要求。为降低杂散光的影响,进一步设计了遮光罩及镜筒栅栏结构。杂散光模拟追迹结果表明,系统在20°~85°离轴角视场外的杂散光抑制可以达到激光测距系统要求。在接收光学系统拉格朗日不变量为125 mrad·mm的前提下,激光测距系统的测距量程在加入光学系统后综合提升了21倍,表明该接收光学系统具有较大应用价值。
激光测距 光学设计 拉格朗日不变量 大相对孔径 杂散光分析 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0528001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国刑事警察学院 痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室,辽宁 沈阳 110035
3 刑事检验四川省高校重点实验室(四川警察学院),四川 泸州 646000
4 中国电子科技集团公司第十研究所,四川 成都 610036
5 中国科学院大学,北京 100049
为了获得数字微镜器件(DMD)的真实光学特性,提出了微镜单元杂散光分布测试方法,并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试。提出了一种杂散光测试方法,并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点,设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统。通过实验得到了2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况。测试结果表明,单个微镜单元中心孔道位置附近反射的能量较强,靠近边缘位置反射的能量则相对较弱。此外,测试区域之外的微镜单元也会反射一部分能量,测试区域内微镜单元杂散光绝对强度最大值出现在中心孔道附近,其灰度值为6.86,紧邻测试区域微镜单元杂散光绝对强度最大值同样也出现在中心孔道附近,其灰度值为4.01,由此可以说明中心孔道位置附近的杂散光较强;测试区域内微镜单元的杂散光相对强度相对较弱,从测试区域边缘开始急剧增大,经过大约两个微镜单元后达到峰值,数值为293.5%,此后开始急剧下降。
数字微镜器件 微镜单元 杂散光分析 成像特性 精密测量 DMD micro-mirror unit stray light analysis imaging properties precision measurement
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
侧摆扩视场型干涉光谱成像仪通过在光学系统前增加侧摆反射镜来实现视场扩展的功能,然而增加侧摆反射镜会使得不同视场不同通道的光线交错分布,无法使用传统消杂光设计,给杂散光抑制带来困难。针对此类型光学系统提出了一个消杂光设计方法。当侧摆反射镜位于0°、15°、-15°视场位置时,对可见近红外系统和短波红外系统进行了点源透过率(PST)仿真分析。分析结果表明,对于所有侧摆反射镜位置,在视场外0.5°位置处空间视场方向和光谱视场方向的PST可降低至10 -3。基于观测模式,对高光谱成像仪在轨工作时的信号源与杂光源进行分析。基于PST仿真结果,对杂光源在焦平面处产生的杂光能量进行研究,并分析了高光谱成像仪的信杂比,侧摆反射镜位于0°视场位置时可见近红外系统的信杂比为0.1%,短波红外系统的信杂比为0.6%。结果表明,所提的杂散光抑制措施有效,满足星载高光谱仪对杂散光的技术要求。
散射 杂散光分析 点源透过率 信杂比 干涉光谱成像仪 光学学报
2021, 41(10): 1029001
根据城市夜光遥感相机研制要求,采用COOK TMA离轴三反光学结构形式,设计了一个视场为5°×2°,焦距为500 mm,F数为3.8,工作波段为0.4~0.8 μm的全反射式夜光遥感相机光学系统,采用主镜、次镜、三镜共光轴设计,提高了光学装调的可行性。选择合适的初始结构参数,利用CODE V软件进行光线追迹和优化设计,结果表明:光斑的方均根直径为2.305 μm,小于1/8像元,在25 lp/mm奈奎斯特频率处的光学调制传递函数大于0.92,接近衍射极限。采用外遮光罩、挡光环、光阑及消光漆等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统进行杂散光的仿真分析,结果表明:轴外视场为1°~80°时,点源透过率在10 -11~10 -3量级;太阳抑制角为65.96°~80°时,点源透过率小于1×10 -9,满足应用要求。
光学设计 夜光遥感 杂散光分析 遮光罩 激光与光电子学进展
2020, 57(1): 012201
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
空间相机用于对空间暗弱目标的探测与监视, 视场外杂散光的进入会降低像面对比度, 严重时甚至会导致相机无法工作。大视场光学系统对杂散光尤为敏感。针对此问题, 本文以一大视场空间相机为例, 分析其杂散光的来源, 通过研究杂光传输机理并总结抑制措施。为满足其轻小型的指标要求, 在尺寸限制下分别设计挡光环垂直光轴和倾斜的遮光罩及光阑等消杂光结构。TracePro软件仿真结果显示: 倾斜挡光环遮光罩的效果更好, 该结构在杂光抑制角外的的点源透过率(PST)均达到10-7量级, 系统至少可以满足65星等目标的探测, 验证本文消杂光结构方案的有效性, 为后续的系统优化提供了一定的参考。
大视场空间相机, 遮光罩, 杂散光分析 , 点源透过率(PS wide-field of view space camera baffle analysis of stray light point source transmittance(PST)
1 长春理工大学光电工程学院先进光学技术制造中心, 吉林 长春 130022
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究中心, 吉林 长春 130033
光栅的多级衍射杂散光对空间外差拉曼光谱仪的成像质量具有重要影响。为了提高其成像质量,使光谱特征更准确,针对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行分析与抑制研究。依据光学传递理论,利用ASAP软件对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行仿真与分析,利用挡板、光阑和光学陷阱等方法设计了能够抑制-2.5°~2.5°视场范围内杂散光的结构。结果表明:光栅产生的多级衍射杂散辐射比由4.996×10
-3降到了1.57×10
-8,设计的结构对空间拉曼光谱仪系统内因光栅产生的多级衍射杂散光具有良好的抑制效果,有效提高了系统的成像质量。
光谱学 杂散光分析 空间外差拉曼光谱仪 光栅多级衍射 杂散光抑制结构