基于时间域方法的空间光学系统杂散光测量技术

　　在空间光学系统中，杂散光的存在会显著降低系统的信噪比(SNR)，甚至导致目标信号丢失和任务失败。为此，西安光机所王虎教授的研究团队提出了一种基于时间域方法的杂散光测量技术，通过脉冲光源和时间分辨探测器实现对杂散光信号的精确识别和背景噪声的有效抑制。该研究成果以“Stray light measurement for space optical systems using the time-domain method”为题发表在《Optics Express》期刊上。

　　研究背景

　　随着空间观测任务和空间科学研究的不断推进，空间光学载荷对信号质量和观测精度的要求日益提高。杂散光的存在显著降低了系统的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)，在极端情况下可能导致目标信号丢失甚至任务失败。因此，杂散光的精确测量和有效抑制成为空间光学系统设计和性能验证的核心问题。传统测量方法难以区分目标信号与背景噪声，限制了点源透过率(Point Source Transmittance, PST)测量的准确性。

　　实验方法与装置

　　该研究提出了一种基于时间域的杂散光测量方法，使用脉冲光源和IsCMOS像增强相机(TRC411，中智科仪)，通过精确控制光信号的时间特性，实现对目标杂散光信号的高精度识别。如图1所示，实验系统包括激光光源、检测系统、转台系统和同步控制模块。光源采用532nm固体脉冲激光，脉冲宽度为1ns，重复频率为10kHz，平均功率为1W。检测系统使用IsCMOS像增强相机，能够实现500ps的时间分辨测量，并通过增益控制和累积模式提高信号分辨率。

　　图1 杂散光时间域测量示意图：(a) IsCMOS 相机示意图;(b) 时间域触发和信号定时图;(c) 时间域杂散光测量系统布局;(d) IsCMOS 相机增益响应曲线。

　　实验在暗室中进行，测量对象为一个用于空间观测任务的望远镜遮光罩模型，如图2所示。该遮光罩采用三级分段结构，设计用于有效抑制杂散光的侵入。实验中，相机和遮光罩安装在转台上，能够自由调整与入射平行光的角度，如图3所示。测量角度范围为-60°至60°，在大角度范围内每隔10°测量一次，而在±10°范围内每隔1°测量一次。实验中还对环境噪声和空气散射进行了校准，以确保测量结果的准确性。

　　图2 所测量遮光罩结构的模型：(a)结构示意图;(b) 三维模型图。

　　图3 杂散光时间域测量系统的现场照片：(a)实验场地布局;(b) 遮光罩和 IsCMOS 相机的设置。

　　实验结果

　　实验结果显示，在60°离轴角下，点源透过率(PST)达到9.32×10⁻¹⁰，而由空气散射引起的背景噪声为3.10×10⁻¹⁰。这表明该时间域测量方法能够在大角度下有效区分杂散光信号和背景噪声，其测量精度显著优于传统方法。此外，通过TracePro软件对遮光罩内部光路进行模拟，结果表明遮光罩的多级结构在大角度下对杂散光的抑制效果显著。

　　图4 不同离轴角下光子计数的时间序列分布：(a)小离轴角，θ = 0°, 10°;(b)大离轴角，θ = 20°, 30°, 40°, 50°, 60°。

　　该研究提出的时间域杂散光测量方法为解决空间光学系统中的杂散光问题提供了一种高效、低成本的解决方案。与传统方法相比，该方法无需复杂的真空腔和高成本设备，具有更高的操作简便性和环境适应性。实验结果表明，该方法能够在10⁻¹⁰水平上精确测量杂散光，满足空间引力波探测等高精度任务的需求。此外，该方法还可广泛应用于空间光学望远镜等系统的杂散光评估和性能优化。

　　总结

　　这项研究不仅为杂散光的精确测量提供了一种创新方法，还为未来空间光学系统的高性能设计和优化提供了重要的技术支持。通过时间域方法的引入，研究人员能够更有效地控制和分析杂散光信号，为提高空间光学系统的观测精度和可靠性奠定了坚实基础。

　　DOI: 10.1364/OE.554196

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