[发明专利]一种极大望远镜光谱仪器光学面散射杂散光建模方法

摘要

本发明涉及一种极大望远镜终端仪器杂散光分析建模方法，主要包括如下步骤：1.使用小型粗糙度测量仪测量光学面表面粗糙度，依次测量光谱仪器所有光学面；2.对于平滑的光学面由粗糙度引起的散射可以采用哈维Harvey模型建模，使用双向散射分布函数BSDF表征光学面散射情况；3.对于光学面单个颗粒污染物导致的散射，采用米氏散射理论建模，模拟了单个粒子散射；4利用模拟颗粒分布模型即IEST‑STD‑CC1246D模型，预测表面的粒子分布；5获取待测光学面表面颗粒分布，采用显微镜连接CCD观测待测光学面，拍摄颗粒分布图像并保存；将图像导入MATLAB；6.在MATLAB中编写算法进行图像处理，识别颗粒直径；7选取关键参数斜率S，清洁度CL；8将S、CL值带入光学分析软件FRED，另输入实际波长、光学面折射率参数即可计算绘图由颗粒引起的散射BSDF。

主权项

1.一种极大望远镜光谱仪器光学面散射杂散光建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、使用表面粗糙度测量仪或白光干涉仪测量光学面表面粗糙度σ，依次测量光谱仪器所有光学面；步骤二、对于平滑的光学面由粗糙度引起的散射可以采用哈维Harvey模型建模，使用双向散射分布函数BSDF表征光学面散射情况：Heavy函数形式如eq.1，包括三个参数b0,L,S，其中b0对应函数峰值，L描述峰值的宽度，S描述了大散射角下的对数下降情况；三个参数可以与全积分散射TIS公式eq.2联立求解；β≡sin(θscatter)β0≡sin(θspecular)    (eq.1)其中θscatter、θspecular分别为入射光经过光学面的散射角，反射角，β、β0为与之对应的正弦值，r为光学面曲率半径。对于表面粗糙度σ远小于波长λ的表面，其TIS可由eq.3表示；将eq.3带入eq.2即可得eq.4，其中Δn为待测光学面与介质的折射率变化量。λ为入射光波长，K为表面平均透射或反射效率。将L、S设为典型值L＝0.01,S＝‑1.5，带入由粗糙度测量仪获取的表面粗糙度σ，即可求解第三参数b0；步骤三、对于光学面单个颗粒污染物导致的散射，采用米氏散射理论建模，其理论模型如eq.5、eq.6所示。该理论预测真空波长为λ散射光的大小和角度分布与尺寸因子x成正比，其中Re(N)为复合折射率N的实部，D为球星颗粒直径，m为相对折射率。单个颗粒的双向反射分布函数BRDF与双向透射分布函数BTDF可由eq.7、eq.8计算，其中：其中Is和Ip是s和p偏振光的强度，Di是第i个颗粒的直径；步骤四、在利用米氏散射理论模拟了单个粒子散射之后，利用模拟颗粒分布模型即IEST‑STD‑CC1246D模型，预测表面的粒子分布，其函数表达式eq.9，该模型中一旦CL清洁度值确定即可与米氏散射理论联立确定镜面颗粒散射的BSDF；该模型定义了Np为每0.1m2中直径大于D的粒子数目。其中S是颗粒的分布斜率，CL是表面清洁度，此模型适用于直径大于1微米的颗粒散射；步骤五、获取待测光学面表面颗粒分布，采用30‑100倍率放大倍率显微镜连接图像摄取装置观测待测光学面，拍摄颗粒分布图像并保存；将图像导入MATLAB；步骤六、在MATLAB中编写颗粒直径算法进行图像处理，识别颗粒直径：步骤七、将已获取的颗粒直径以及颗粒分布与IEST‑STD‑1246D模型数据对比，选取关键参数斜率S，清洁度CL。步骤八、将关键参数斜率S、清洁度CL带入FRED光学分析软件，另输入实际波长、光学面折射率参数即可计算、绘图由颗粒引起的散射BSDF曲线。