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1 第 24 卷 第 3 期 光 学 精 密 工 程 Vo1. 24 No 年 3 月 Optics and Precision Engineering Mar 文 章 编 号 : X(2016) 基 于 硅 基 液 晶 拼 接 的 高 对 比 度 动 态 星 模 拟 器 光 学 系 统 孟 遥 1, 张 国 玉 1,2 *, 孙 高 飞 1,2, 刘 石 1 (1. 长 春 理 工 大 学 光 电 工 程 学 院, 吉 林 长 春 ; 2. 吉 林 省 光 电 测 控 仪 器 工 程 技 术 研 究 中 心, 吉 林 长 春 ) 摘 要 : 针 对 基 于 硅 基 液 晶 (LCOS) 拼 接 技 术 的 动 态 星 模 拟 器 对 比 度 低, 无 法 在 星 图 识 别 过 程 中 为 星 敏 感 器 提 供 全 部 有 效 目 标 的 问 题, 提 出 通 过 抑 制 光 学 系 统 杂 散 光 来 提 高 LCOS 拼 接 动 态 星 模 拟 器 对 比 度 的 方 法, 讨 论 了 偏 振 度 对 于 杂 散 光 的 影 响, 并 推 导 出 入 射 角 与 偏 振 度 的 函 数 关 系 设 计 了 抑 制 杂 散 光 的 光 学 系 统, 该 系 统 包 括 利 用 复 合 抛 物 面 聚 光 器 (CPC) 结 合 望 远 系 统 组 成 照 明 光 源, 配 合 多 棱 镜 的 1/4 波 片 和 视 场 角 不 小 于 11 的 准 直 光 学 系 统 在 截 止 频 率 为 60 lp/mm, 视 场 角 小 于 ±5 的 情 况 下, 该 准 直 系 统 的 调 制 传 递 函 数 (MTF) 大 于 0.7 实 验 显 示 : 该 高 对 比 度 LCOS 拼 接 动 态 星 模 拟 器 的 星 间 角 距 误 差 小 于 18, 相 对 于 传 统 型 的 星 模 拟 器 杂 散 光 降 低 了 2.38 倍, 其 在 保 证 精 度 的 条 件 下, 降 低 了 动 态 星 模 拟 器 的 背 景 噪 声, 提 高 了 动 态 星 图 的 可 识 别 率, 基 本 可 以 满 足 星 敏 感 器 在 多 星 等 条 件 下 的 对 精 度 和 动 态 特 性 的 需 求 关 键 词 : 光 学 系 统 设 计 ; 硅 基 液 晶 (LCOS) 拼 接 技 术 ; 星 模 拟 器 ; 杂 散 光 ; 偏 振 度 ; 星 图 识 别 中 图 分 类 号 : V ; TH703 文 献 标 识 码 : A doi: /OPE Optical system of high contrast dynamic star simulator based on LCOS splicing technology MENG Yao 1, ZHANG Guo-yu 1, 2 *, SUN Gao-fei 1, 2, LIU Shi 1 (1. College of Opto-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun , China; 2. Jilin Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instruments, Changchun , China) * Corresponding author, zh_guoyu@163.com Abstract: The dynamic star simulator based on Liquid Crystal on Silicon LCOS splicing technology has low contrast, and it can not provide all effective targets for the star sensor in star map recognition. Thus a method for improving the contrast of the dynamic star simulator by suppressing stray lights was put forwarded. The influence of the polarization degree on stray light was discussed in detail, and the function of the polarization degree and the angle of incidence was derived.the optical system for stray light suppression was designed, including a lighting source designed by combination of a Compound Parabolic Concentrator(CPC) and a telescopic system, a 1/4 wave plate with combination of multi-prisms, and a collimating system with field angle greater than 11. The MTF of the collimating system is greater than 0.7 when the edge frequency is 60 1p/mm and the field angle is less than ±5. The experiments show that the angle distance error between stars of the high contrast dynamic star simulator based on LCOS splicing is less than 18, and its stray light energy is reduced by 2.38 times as compared with those of conventional star simulators. These results indicate that the high contrast dynamic star simulator based on LCOS splicing can not only reduce the background noise of dynamic star simulator effectively, but also can 收 稿 日 期 : ; 修 订 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 863 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 (No.2008AA12A203)

2 512 光 学 精 密 工 程 第 24 卷 improve the recognition rate of star map. Consequently, it meets the requirements of dynamic star simulator in all magnitude levels for high dynamic characteristics and high precisions. Key words: optical system design; Liquid Crystal on Silicon (LCOS) splicing technology; star simulator; stray light; polarization degree; star map recognition 1 引 言 星 模 拟 器 是 一 种 在 地 面 上 模 拟 星 空, 以 便 对 星 敏 感 器 的 星 图 识 别 算 法 进 行 功 能 测 试 的 检 测 设 备 伴 随 着 高 精 度 星 敏 感 器 的 发 展, 星 敏 感 器 检 测 标 校 技 术 与 装 置 的 要 求 也 越 来 越 高, 即 对 星 模 拟 器 提 出 了 更 高 的 技 术 要 求, 如 小 型 化 动 态 化 及 大 视 场 等 要 求 星 模 拟 器 按 工 作 方 式 不 同 可 分 为 动 态 星 模 拟 器 和 静 态 星 模 拟 器 其 中 动 态 星 模 拟 器 为 功 能 检 测 型 星 模 拟 器, 其 目 的 是 在 地 面 进 行 星 图 模 拟, 主 要 用 于 星 敏 感 器 的 功 能 测 试, 通 常 和 被 测 星 敏 感 器 主 计 算 机 组 成 闭 环 测 试 系 [1 5] 统, 从 而 实 现 敏 感 器 观 测 星 空 的 实 时 模 拟 20 世 纪 70 年 代 末, 我 国 开 始 了 星 模 拟 器 的 研 究, 现 有 的 动 态 星 模 拟 器 多 采 用 薄 膜 晶 体 管 液 晶 显 示 屏 (Thin Film Tube Liquid Crystal Display, TFT- LCD) 和 数 字 微 镜 器 件 (Digital Micromirror Device, DMD) 组 件 显 示 星 图 其 中 TFT-LCD 的 对 比 度 为 600:1 光 能 利 用 率 低 于 10%, 无 法 达 到 多 星 等 的 模 拟 要 求, 模 拟 星 等 多 在 2~6; 而 DMD 的 单 个 微 反 射 镜 尺 寸 为 14 μm 14 μm, 相 邻 微 镜 间 距 为 1 μm, 很 难 实 现 星 点 位 置 的 高 精 度 模 拟, 相 关 资 料 表 明 DMD 的 星 间 角 距 精 度 只 能 达 到 40 与 TFT-LCD 和 DMD 相 比, 反 射 式 硅 基 液 晶 (Liquid Crystal on Silicon, LCOS) 的 光 能 利 用 率 高 达 55%, 单 像 元 尺 寸 可 以 达 到 8 μm 8 μm, 像 元 间 隙 仅 为 μm, 并 且 对 比 度 高 达 2000:1, 作 为 星 图 显 示 器 件 具 有 明 显 的 优 势 不 过, 目 前 受 国 内 LCOS 大 显 示 器 件 生 产 技 术 和 价 格 的 限 制, 采 用 1 片 规 格 一 定 的 显 示 器 件 无 法 达 到 大 视 场 星 模 拟 器 的 设 计 要 求, 因 此 人 们 采 用 光 学 拼 接 技 术, 以 有 效 扩 大 像 面 的 尺 寸 [6 8] 然 而, 在 基 于 LCOS 拼 接 的 动 态 星 模 拟 器 的 样 机 测 试 过 程 中, 实 测 对 比 度 与 其 理 论 值 存 在 较 大 差 距, 这 是 因 为 像 面 中 存 在 接 近 所 显 示 星 点 亮 度 的 光 学 噪 声, 且 两 片 LCOS 的 对 比 度 存 在 明 显 差 异 这 些 问 题 使 星 敏 感 器 在 星 图 识 别 过 程 中 无 法 识 别 全 部 的 有 效 星 点, 从 而 降 低 了 动 态 星 模 拟 器 在 地 面 功 能 测 试 中 的 使 用 价 值 本 文 从 LCOS 星 模 拟 器 产 生 杂 散 光 的 原 因 出 发, 设 计 了 一 种 高 对 比 度 LCOS 拼 接 动 态 星 模 拟 器 的 光 学 系 统 该 系 统 降 低 了 动 态 星 模 拟 器 的 背 景 噪 声, 提 高 了 星 图 识 别 的 准 确 率, 能 够 满 足 星 敏 感 器 的 测 试 需 求 2 动 态 星 模 拟 器 光 学 系 统 的 组 成 及 工 作 原 理 LCOS 拼 接 动 态 星 模 拟 器 主 要 由 星 模 拟 器 头 部 控 制 计 算 机 及 六 维 调 整 台 3 部 分 组 成 其 中, 星 模 拟 器 头 部 主 要 由 准 直 光 学 系 统 照 明 光 学 系 统 偏 振 分 光 棱 镜 (Polarized Beam Splitter, PBS) LCOS 电 路 驱 动 板 及 供 电 电 源 组 成, 如 图 1 所 示 图 1 动 态 星 模 拟 器 的 总 体 结 构 图 Fig. 1 Overall mechanism of dynamic star simulator

3 第 3 期 孟 遥, 等 : 基 于 硅 基 液 晶 拼 接 的 高 对 比 度 动 态 星 模 拟 器 光 学 系 统 513 LCOS 动 态 星 模 拟 器 的 工 作 原 理 如 图 2 所 示 模 拟 器 根 据 姿 态 与 轨 道 控 制 动 力 学 仿 真 计 算 机 提 供 的 星 敏 感 器 工 作 信 息, 寻 找 到 当 前 姿 态 下 的 导 航 星 ; 由 星 模 拟 器 控 制 计 算 机 将 星 图 信 息 通 过 驱 动 版 传 递 给 LCOS 显 示 ; 星 图 经 过 准 直 光 学 系 统 调 制 后 成 平 行 光 出 射, 其 出 瞳 与 星 敏 感 器 的 入 瞳 衔 接, 由 此 完 成 对 无 穷 远 星 图 的 模 拟 图 3 LCOS 拼 接 的 动 态 星 模 拟 器 照 明 原 理 图 Fig. 3 Lighting principle of dynamic star simulator based on LCOS splicing technology 图 2 动 态 星 模 拟 器 的 工 作 原 理 图 Fig. 2 Working principle of dynamic star simulator 3 杂 散 光 分 析 及 抑 制 方 法 3.1 杂 散 光 的 形 成 及 抑 制 杂 散 光 的 主 要 来 源 理 想 状 态 下, 一 束 准 直 光 经 过 PBS 起 偏 形 成 偏 振 度 为 1 的 线 偏 振 光 (P 波 及 S 波 ), 经 LCOS 反 射 调 制 成 线 偏 振 光 的 光 矢 量 方 向 有 π 的 改 变, 调 制 后 光 线 经 过 PBS 会 分 别 透 射 和 反 射 至 镜 头 内 ; 未 经 LCOS 调 制 的 线 偏 振 光 的 矢 量 方 向 没 有 改 变, 经 PBS 反 射 和 透 射 至 入 射 光 方 向, 如 图 3(a) 所 示 在 真 实 状 态 下, 由 于 普 通 的 照 明 光 源 无 法 满 足 准 直 光 的 要 求, 起 偏 后 照 明 光 的 偏 振 度 小 于 1, 因 此 光 线 中 同 时 存 在 P 波 及 S 波 光 源 发 出 的 光 线 经 LCOS 反 射 后, 将 S 波 调 制 成 P 波 被 反 射 至 镜 头 内, 未 经 调 制 会 将 P 波 直 接 反 射 至 镜 头 内, 即 显 示 图 像 背 景 中 存 在 大 量 杂 散 光, 如 图 3(b) 所 示 同 时, 由 于 星 敏 感 器 一 般 会 设 计 平 板 玻 璃 作 为 其 成 像 光 学 系 统 的 保 护 罩, 因 而 在 与 动 态 星 模 拟 器 联 调 测 试 时, 星 模 拟 器 发 出 的 光 会 有 一 部 分 通 过 星 敏 感 器 的 保 护 罩 反 射 回 星 模 拟 器 中, 从 而 形 成 LCOS 二 次 反 射 的 杂 散 光 偏 振 度 与 入 射 角 的 关 系 动 态 星 模 拟 器 内 部 杂 散 光 的 主 要 来 源 是 LCOS, 影 响 杂 散 光 能 量 的 主 要 原 因 为 照 明 光 线 的 偏 振 度, 即 PBS 的 起 偏 性 能, 而 PBS 的 起 偏 性 能 是 由 入 射 角 决 定 的, 针 对 偏 振 度 与 光 线 入 射 角 进 行 如 下 推 导 : 经 过 偏 振 分 光 棱 镜 反 射 和 透 射 的 光 束 的 偏 振 度 可 表 示 为 : P R = I SR S1 + I S T S1 R S2 (I P R P1 + I P T P1 R P2 ) I S R S1 + I S T S1 R S2 + I P R P1 + I P T P1 R P2 ; (1) P T = I ST S1 T S2 + I P T P1 T P2 I S T S1 T S2 I P T P1 T P2 ; (2) 式 中 :I P,I S 分 别 为 P 波 与 S 波 的 入 射 光 能 量,I P = 1 I S = I;R 2 P,R S,T P,T S 分 别 为 P 波 S 波 的 反 射 率 和 P 波 S 波 的 透 射 率 其 中 : R P = tan2 (µ 1 µ 2 ) tan 2 (µ 1 + µ 2 ) ; R S = sin2 (µ 1 µ 2 ) sin 2 (µ 1 + µ 2 ) ; T p = n 2 cos µ 2 n 1 cos µ 1 4 sin 2 µ 2 cos 2 µ 1 sin 2 (µ 1 + µ 2 ) cos 2 (µ 1 µ 2 ) ; T S = n 2 cos µ 2 n 1 cos µ 1 4 sin 2 µ 2 cos 2 µ 1 sin 2 (µ 1 + µ 2 ) ; 式 中 θ 1, θ 2 分 别 为 入 射 角 和 折 射 角 经 化 简 可 得 偏 振 度 与 入 射 角 的 函 数 关 系 为 : P R = n 2sin 2 (µ 1 +µ 2 ) cos 2 (µ 1 µ 2 ) cos 2 (µ 1 µ 2 ) cos 2 (µ 1 +µ 2 ) +4n 1 cos µ 1 cos µ 2 sin 2 µ 1 cos 4 (µ 1 µ 2 ) cos 2 (µ 1 +µ 2 ) n 2 sin 2 (µ 1 +µ 2 ) cos 2 (µ 1 µ 2 ) [cos 2 (µ 1 µ 2 )+cos 2 (µ 1 +µ 2 )]+4n 1 cos µ 1 cos µ 2 sin 2 µ 1 [cos 4 (µ 1 µ 2 )+cos 2 (µ 1 +µ 2 )] ; (3)

4 光学 精密工程 514 PT = 1 cos4 (µ1 µ2) ; 1 + cos4 (µ1 µ2) (4) 第 24 卷 过程中的噪点 设计时需要保证光源在有效的照 明范围内具有较高的均匀度 式中 P R 为反射光的偏振度 P T 为透射光的偏振 根据要求 照明系统的设计思路是 以LED为 度 根 据 斯 涅 尔 定 律 可 得 n 2 sin θ 2 =n 1 sin θ 1 其 中 PBS膜系的折射率分别为n2=2.3, n1=1.25 最终得到 光源 复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Con- PR与PT关于入射角的函数关系如图4所示 centrator, CPC)对其进行二次配光 [9] 缩小LED的发 光角度 再配合望远系统对其角度进行缩放 然 后根据激光扩束原理 扩大其发光面积 使其辐照 面大于LCOS的有效显示面积15.6 mm 15.6 mm 并 且在望远系统中加入复眼透镜 以保证照明的均 匀性 最终达到理想的照明效果 准直光学系统的设计思路 准直光学结构主要以一种改进型的拼接结构配 合1/4波片抑制杂散光 改进型的拼接结构采用多 棱 镜 组 合 结 构 将 原 来 的 一 块 PBS拆 分 为 两 块 PBS与一块半反半透棱镜的组合 这样可以保证两 片LCOS起偏的一致性 使两片LCOS对比度较为接 近 由图4可知 在高偏振度的状态下反射光的入 图 4 PR与PT的函数图像 射角范围比透射光大 因此LCOS采用反射光照明 Fig. 4 Polarization curves of transmission and reflection 方式 为了保证星敏感器的反射光不会返回星模 拟器的像面 因此在星模拟器的出瞳位置增加一 利用最小二乘法拟合得到 P T=0: : : P R= 0: : :669 88: (5) (6) 块半1/4波片 从而使光反射回星模拟器时的振动 方向有π的改变 [10] 这样星模拟器中的杂散光会被 PBS反射出去 从而无法到达LCOS 高对比度光 分析图4的函数图像可知 入射角在较小的范 学结构示意图如图5所示 LCOS在新结构下的工作 围内才能保证较高的偏振度 LCOS拼接系统照明 原理如图6所示 其中P S代表P波与S波 正 负 的透射光与反射光的偏振度在某一角度相同 但 代 表 正 向 与 负 向 两 个 PBS的 正 向 在 图 5中 已 标 它们随入射角的变化趋势相反 这将导致两片 出 为箭头所指方向 虽然PBS 1 与PBS 2 的方向不 LCOS显示的对比度存在较大差异 同 但两片LCOS的工作原理相同 不同之处仅为 杂散光的抑制方法 3.2 坐标系下的方向定义不同 针对偏振度对杂散光的影响 这里采用一种抑 制杂散光的光学结构配合小视场角的准直光源来 改善杂散光 照明光源光学系统设计思路 采用小视场角的准直光源照明可以使LCOS的 照明光线有较强的偏振度 进而减少由光源带来 的杂散光 但目前大部分小视场角的准直光源都 为激光光源 无法满足动态星模拟器宽光谱的要 求 白光光源虽然可以满足光谱要求 不过准直 角一般比较大 即使经过二次配光也无法满足使 用要求 因此需要设计一种以白光LED为光源的小 图 5 高对比度光学结构示意图 视场角照明系统 此外 为了减少星敏感器识别 Fig. 5 Schematic diagram of high contrast optical system

5 孟 遥, 等: 基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统 第3期 515 统 并保证有效显示范围内的像质在实际装调过 程中可以达到或者接近设计值 经优化后光学系 统的视场为2ω'=12 星模拟器为了与星敏感的入瞳相衔接 采用出 瞳外置的方法 因而星模拟器的光学系统为目镜 系统 由于该系统有严格的位置精度要求 需重 点考虑畸变影响 这里选用埃尔弗目镜的改进型 作为初始结构 它具有低场曲 低畸变 出瞳距 离长的特点 在这种结构后增加一片正透镜以保 证系统的对称性 降低垂轴像差 并且可以分担 一部分的高级球差 优化后的结构如图7所示 图 6 新结构下LCOS的工作原理图 Fig. 6 Working principle of LCOS with proposed optical system 光学系统设计 4 图 7 星模拟器的光学系统结构图 Fig. 7 Layout of optimized optical system of star simulator 准直光学系统设计 4.1 准直光学系统的主要技术指标如表1所示 星 等模拟时的相邻星等相差2.512倍 模拟 1~7等星所 光学系统像质评价 需的显示器件对比度为2.5128:1=1 885:1 而LCOS的 对比度大于2 000:1 能满足星等显示的要求 感器的靶面目标 所以主要从成像质量及成像位 置对星模拟器进行像质评价 如图8(a)所示 光学 成像光学系统设计 系统的均方根半径小于3 μm 能量比较集中 且直 光学系统设计 径小于LCOS的单像元尺寸8 μm 如图8(b)所示 系 光学系统的焦距由LCOS的有效显示区域尺寸 :008 = 7:68 mm h h 与视场2 ω 决定 其中h 0 = 2 h 2ω=11 可 以 得 到 系 统 焦 距 f= =79.76 mm t an LCOS的有效尺寸为确定值 在实际设计中焦距应 小于设计值才能获得大于所需视场角的光学系 表 1 动态星模拟器的主要技术参数 Tab. 1 Main performance of dynamic star simulator 序号 由于动态星模拟器是以所显示的星图作为星敏 参数 指标 1 视场 f11 2 出瞳直径 22 mm 3 出瞳距 35 mm 4 光谱波段 500~800 mm 5 光学传递函数设计值 MTF 0.6, v=60 lp/mm 6 相对畸变 0.05% 7 星间角距误差 18 8 星等要求 1~7 统在最大视场6 的垂轴色差小于艾里斑 由此可以 判断其成像质量利于星敏感器采集星点 如图8(c)所 示 系统畸变小于0.05% 即对于全视场为 个像素的LCOS 其单像素的最大位移不超过 1/2 pixel 如图8(d)所示 光学系统的截止频率v=60 lp/mm时 MTF 0.7 满足设计要求 照明光学系统设计 4.3 照明光学系统分析 在实际使用中对动态星模拟器具有小型化要 求 因 此 照 明 光 源 的 整 体 长 度 需 控 制 在 250 mm 以内 根据边缘光线原理 复合抛物反光器的形状完 全取决于焦平面半径a和最大出射半角θ CPC长度 可表示为 L = a(1 + sin µ) cos µ ; sin 2 µ (7) a : sin µ (8) 出光孔半径为 d=

6 光学 精密工程 516 第 24 卷 图 8 星模拟器光学系统的像差图 Fig. 8 Aberrations of optical system of simulator L/a关于θ的函数关系如图9所示 [11] 由图9可以 度为±15 焦平面半径由LED光源的发光面尺寸决 看出 θ为0 ~15 时 L/a的变化幅度较大 而根据 定 所选用的LED光源为CREE的XP-G 其发光面 3.1.2的结论可以推导出照明光源的视场角越小 杂 半径为1.53 mm 发散角为±60 散光越少 综合以上因素考虑出射光线的发散角 由于焦平面半径a=1.53 mm 根据式(8)计算得 到出光孔半径d=5.9 mm 出光孔径为11.8 mm 与 CPC衔接的望远系统目镜孔径D=12 mm>11.8 mm 望远系统的有效照明面积应大于16 mm 16 mm 考 虑到最终装配误差及照明边缘光线的不均匀性 物镜的孔径直径不应小于30 mm 因此望远系统的 角 放 大 倍 率 确 定 为 3 望 远 系 统 中 目 镜 的 光 学 参 数为 F/#=2.5 D=12 mm ω=15 物镜的光学参 数为 f=90 mm ω=5 F/#=2.5 在实际焦平面处 放置两片多通道复眼透镜以实现匀光效果 [12] 最终 设计的光学系统视场角为±5 图 9 L/a与θ的函数关系 Fig. 9 L/a as a function of θ 照明光学系统模拟 将光学组件输入Tracepro进行建模 结果如图

7 孟 遥, 等: 基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统 第3期 517 图 10 照明光学系统模拟图 Fig. 10 Simulation of lighting optical system 10(a)所示 系统长度为220 mm 用 条光线 均值 用直方图表示 如图11所示 测试的最大误 进行光线追迹 如图10(b)所示 出射光线的辐射 差为16.71 小于设计所要求的18 度如图10(c)所示 可以得到在18 mm 18 mm的范围 I max I min 内光强的不均匀度为 =7.3% 其 中 I max+i min I max 为最大光强 I min 为最小光强. 照明系统的配 5.2 光曲线如图10(d)所示 光源的发散角可以达到±5 5 实验验证 消杂散光测试及光源偏振度验证 消杂散光测试结果 图12(a)为传统型动态星模拟器测试图像的采集 图 图12(b)为高对比度动态星模拟器测试图像的 采集图 图像中 十 字亮线为测试图样 可视为星 点的集合 通过这种测试图样可以同时观察两片 星间角距测试结果 LCOS的 对 比 度 照 明 均 匀 度 及 杂 散 光 的 控 制 情 将动态星模拟器的像面划分为等距的10 10网 况 使用Matlab对两种形式星模拟器的采集图进行 格 使用精度为0.5 的Leica 6100A经纬仪测试网格 灰度分析 结果如图13所示 分析图像可以得到传 5.1 交点 共121点 将10次星间测试结果剔除误差后 图 11 星间角距误差直方图 图 12 动态星模拟器测试采集图 Fig. 11 Histogram of angle distance error between stars Fig. 12 Text images of dynamic star simulator

8 光学 精密工程 518 第 24 卷 图 13 图像灰度值三维图 Fig. 13 Three-dimensional diagrams of grey level 统型动态星敏感器背景有大量杂散光 且在拼接 区域背景光能量叠加形成高亮度带状光学噪声 虽然在星图识别过程中星敏感器可以滤掉该噪 声 但落入亮带内部的星点将无法识别 而高对 比度动态星模拟器的图像显示背景的杂散光得到 了有效抑制 实现了高对比度的要求 对传统的LCOS动态星模拟器及高对比度动态 星模拟器显示图像的杂散光进行测试 分别测量 星模拟器显示全黑图像及全白图像的辐照度 将 整幅图分成4个区域 测量不同区域角度下的辐照 度 结果如图14所示 具体操作为 将辐照计固定 于六维台上 将其位置调整至星模拟器的出瞳附 图 15 动态星模拟器杂散光测试示意图 近 测量星模拟器的出射光辐照度 如图15所示 Fig. 15 Stray light test of dynamic star simulator 对两种形式下的星模拟器分别进行10次测量并 取平均值 结果如表2所示 表 2 光源改进前后星模拟器纯黑图像及纯白图像的辐 照度 高对比度动态星模拟器与传统动态星模拟器相 3:517 1:85 比 其杂散光能量降低的倍数为 =2.38 3:366 0:811 Tab. 2 Irradiances of white and black images before and after improvement of light source (mw/cm2) 测试不同 角度区域 图 14 动态星模拟器辐照度测试 Fig. 14 Irradiance test of dynamic star simulator 传统型LCOS 高对比度LCOS 动态星模拟器 动态星模拟器 白 黑 白 黑 均方根 星模拟器偏振度验证结果 根据3.2.2节可知星模拟器以反射起偏的光线对

9 孟 遥, 等: 基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统 第3期 519 LCOS进行照明 通过式(6)可以得到当照明光源的 的星图模拟 使用KLL-04型微光照度计测试所模 发散角不大于±5 时 对LCOS照明的反射光偏振度 拟星等 可以探测到10 8 lx,满足 1~7等星的测试要 为 0.35<PR<0.7 由此计算星模拟器反射光照明的 求 测试结果与理论照度如图17所示 出射光线的理论偏振度为 P ES= I P S1 + I (1 P S1)P T 2 = I 0:35 + 0:66 0:35 0:66 = 0:779: 将理论偏振度和实验测试数据计算得到的偏振 度绘制成图16 图 17 实际星等与理论星等对比图 Fig. 17 Comparison between actual and theoretical magnitudes 通过图17可以看到 高对比度星模拟器基本达 到了星等要求 图 16 偏振度对比 Fig. 16 Contrast of polarization degrees 6 结 论 本文分析了LCOS动态星模拟器杂散光形成的 由图可知 改进后动态星模拟器依然未达到理 主要因素 通过控制杂散光的方法提高了系统对 论的偏振度 其主要原因是由于照明光源无法达 比度 相比于传统型LCOS动态星模拟器 高对比 到理想状态 不过相对于传统型星模拟器偏振度 度 LCOS动 态 星 模 拟 器 在 保 证 原 有 精 度 的 条 件 下 已经大幅提高 从而有效抑制了杂散光 降低了动态星模拟器的背景噪声 极大提高了动 5.3 星点亮度测试 态星图的可识别率及识别速度 可以更好地满足 高对比度星模拟器主要可以实现在各级星等下 在各级星等下星图模拟的高动态 高精度要求 参考文献: ZHANG X J, ZHANG G Y, SUN G F, et al.. Calibration [ 1 ] 张文明, 林玲, 郝永杰, 等. 小型星模拟器中星图动态显 of star simulator based on LCOS splicing technology with 示系统的设计[J]. 光电工程, 2000, 27(5): ZHANG W M, LIN L, HAO Y J, et al.. Design of a dynamic display system for star map in small-sized star simulator [J]. Opto-Electronic Engineering, 2000, 27(5): (in Chinese) [ 2 ] 刘金国, 李杰, 郝志航. APS星敏感器探测灵敏度研究 [J]. 光学 精密工程, 2006, 14(4): LIU J G, LI J, HAO ZH H. Study on detection sensitivity wide-field[j]. Infrared and Laser Engineering, 2003, 42(11): (in Chinese) [ 4 ] 王凌云, 王博, 张国玉, 等. 高精度高动态星模拟器研究 [J]. 空间科学学报, 2015, 35(3) WANG L Y, WANG B, ZHANG G Y, et al.. Study on high precise and high dynamic star simulator[j]. Chin. J. Space Sci., 2015, 35(3): (in Chinese) [ 5 ] 巩岩, 胡宜宁, 赵阳. 基于数字光处理技术的小型星模拟 of APS star tracker[j]. Opt. Precision Eng., 2006, 14(4): 器设计[J]. 光学 精密工程, 2007, 15(11): (in Chinese) GONG Y, HU Y N, ZHAO Y. Design of a mini star [ 3 ] 张晓娟, 张国玉, 孙高飞, 等. 大视场LCOS拼接星模拟器 标定方法[J]. 红外与激光工程, 2003, 42(11): simulator based on digital optical processing[j]. Opt. Precision Eng., 2007, 15(11): (in Chinese)

10 光学 精密工程 520 [ 6 ] 孙高飞, 张国玉, 姜会林, 等. 甚高精度星模拟器设计[J]. 光学 精密工程, 2011, 19(8): 第 24 卷 for big size LED[J]. Optical Technique, 2014, 40(5): (in Chinese) SUN G F, ZHANG G Y, JIANG H L, et al.. Design of [10] 杨加强, 程德文, 王庆丰, 等. 新型大视场消杂光眼底相 very high accuracy star simulator[j]. Opt. Precision Eng., 机光学系统的设计[J]. 光学学报, 2012, 32(11): , 19(8): (in Chinese) 1-7 [ 7 ] 陈启梦, 张国玉, 孙向阳, 等. 高精度LCOS动态星模拟器 YANG J Q, CHENG D W, WANG Q M, et al.. Design of 的光学系统设计[J]. 中国激光, 2014, 41(4): a novel wide view-field angle anti-stray-light fundus CHEN Q M, ZHANG G Y, SUN X Y, et al.. optical system design of LCOS-based and high precision dynamic star simulator[j]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(4): (in Chinese) [ 8 ] 郑茹, 张国玉, 高越, 等. 基于LCOS拼接技术的动态星模 拟器光学系统设计[J]. 仪器仪表学报, 2012, 33(9): camera[j]. Acta Optica Sinica, 2012, 32(11): (in Chinese) [11] 白莹, 林文硕, 谢国庆. 基于复合抛物面集光器的LED教 室灯具的配光设计[J]. 应用光学, 2014, 35(3): BAI Y, LIN W SH, XIE G Q. Light distribution design of LED lamps in classroom based on compound parabolic ZHENG R, ZHANG G Y, GAO Y, et al.. Optical system design of dynamic star simulator based on LCOS splicing technology [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33(9): (in Chinese) [ 9 ] 汪宇青, 李湘宁, 黄慧, 等. 一种基于复合抛物面聚光器 collector[j]. Journal of Applied Optics, 2014, 35(3): (in Chinese) [12] 赵斌, 张国玉, 陈启梦, 等. 硅基液晶投影系统的 LED 光 源照明系统设计[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(7): 的面向大尺寸LED的反射器设计方法[J]. 光学技术, ZHAO B, ZHANG G Y, CHEN Q M, et al.. Design of 2014, 40(5): illuminating system for liquid crystal on silicon projection WANG Y Q, LI X N, HUANG H, et al.. Reflector design system on LED light source [J]. Laser & Optoelectronics method based on compound parabolic concentrator (CPC) Progress, 2014, 51(7): (in Chinese) 作者简介 导师简介 孟 遥 (1987 ) 男 吉林长春人 博 士研究生 主要从事航天器地面模拟 测 试 与 标 定 技 术 的 研 究 @qq.com 张国玉 (1962 ) 男 博士 教授 博 士生导师 现为吉林省光电测控仪器 工程技术研究中心主任 航天地面模 拟试验与测试技术研究所所长 主要 从事空间科学与技术 光电仪器与检 测技术等方面的研究 zh_guoyu@163.com