本發明涉及航天器地面模擬與標定，具體涉及一種高對比度恒星模擬器新型架構。

背景技術：

1、目前，動態恒星模擬器的微型顯示器件主要有液晶光閥(liquid?crystal?lightvalve,?lcd)、數字微鏡器件(digital?micromirror?device,?dmd)和硅基液晶(liquidcrystal?on?silicon，lcos)，lcos相比于lcd和dmd，具有分辨率高和響應速度快等特點，已成為常用的動態星圖顯示器件。現有動態恒星模擬器利用lcos、偏振分光棱鏡(polarizingbeam?splitter,?pbs)、照明光學系統組成的光學引擎，并配合出瞳外置準直光學系統實現星圖的動態模擬。

2、lcos的內部結構主要由保護玻璃、電極和液晶組成。通過用特殊工藝磨平硅基板后，鍍上鋁膜當作反射鏡，形成cmos基板，將該基板與含有透明電極的保護玻璃貼合，并注入液晶封裝。lcos工作原理為：當lcos兩端未施加電壓時，此時lcos中液晶分子不發生偏轉，可以等效為理想平面鏡，當lcos兩端施加電壓時，液晶分子偏轉角度將逐漸增加，實現對入射光的相位調制。由于控制電極能夠被集成到很小的硅基板上，因此lcos的像素尺寸比透射式的空間光調制器小得多。在同等體積的條件下lcos分辨率大、壞點少、填充系數大，同時可以使光路二次反射，而且液晶層厚度比透射式小，因此液晶的響應速度較快。但是在lcos實際應用時仍存在暗態漏光現象，故需建立lcos瓊斯矩陣，推導lcos暗態漏光量與入射波長的數學模型。入射光經過lcos調制后的暗態漏光量r可以表示為

3、（1）

4、式中，α為偏振片透射軸與入射處液晶分子指向的夾角，(cosα，sinα)t為入射光瓊斯向量，m為lcos液晶分子的瓊斯矩陣，x為中間變量。

5、x與m可以表示為

6、??；（2）

7、??；（3）

8、式中，φ1為液晶分子扭曲角。

9、所以，入射光經過lcos調制后的暗態漏光量可以表示為

10、?；（4）

11、在實際計算暗態漏光量時，也應考慮不同波長的條件下的影響，所以在公式(1)中加入人眼明視覺函數，所以此時lcos暗態漏光量rlum可以表示為

12、?；（5）

13、式中，f?(λ)為人眼視見函數，d(λ)為光源光譜分布。

14、由式(5)可得到未加入補償時lcos反射光波長與暗態漏光量曲線。由于lcos對不同波長的入射光響應能力不同，導致lcos在暗態時，對于不同波長的入射光，其暗態漏光量不同，因此仍有部分光經由lcos反射至準直光學系統中，形成雜散光。所以為保證lcos暗態漏光得到充分抑制，需要對lcos反射光的相位進行補償。

15、對于偏振分光棱鏡而言（polarizing?beam?splitter，pbs），由菲涅爾公式可知，當光束在兩種介質的交界面上發生反射時，光波的p分量與s分量之間會產生相位差，對于成像光學系統而言，相位差無疑會帶來不利的影響。由于相位差的存在，反射光由線偏振光逐漸變為橢率逐漸增大的橢圓偏振光，與入射光偏振態對比可知，出射光的偏振態隨著入射角的變化有明顯改變。對于恒星模擬器來說，這種變化的偏振光經pbs出射后，將引起像面雜散光的產生，導致探測器像面蒙上一層不均勻雜散光，降低像面的對比度，影響系統的成像質量。

16、pbs工作時起主要作用的是偏振分光薄膜，因此基于偏振分光薄膜的工作原理，研究pbs雜散光產生的機理。在理想狀態下，現有恒星模擬器pbs的入射光經過偏振分光薄膜起偏、分光后入射至lcos上，此時透射光路中只存在p光，反射光路中只存在s光，經lcos反射后再次從偏振分光薄膜出射。

17、而具有一定孔徑角的光線通過偏振分光薄膜入射至lcos后，設s光與p光的透射率分別為tp和ts，反射率分別為rp和rs，經過lcos反射的光主要分為以下兩類：一類是以ts和rp為主的暗態lcos反射后的光，另一類是以tp和rs為主的亮態lcos反射的光，暗態lcos的反射光將會與亮態lcos反射光共同成像，產生雜散光。

18、雖然可以從廣義上分析分光薄膜引起的雜散光產生原因，但是在數學層面上并不直觀，所以為了研究方便，在此引入pauli矩陣，如下公式所示

19、?；（6）

20、式中，σ0~σ3矩陣中的每一項，可以和偏振的某一特征態進行關聯，pauli矩陣第一項代表了非偏振項，即幾何像差部分；第二項代表了s光p光部分；第三項代表了±45°線偏振光部分；第四項代表了左旋與右旋圓偏振部分。

21、瓊斯矩陣j可以表示為

22、?；（7）

23、式中，jxx、jxy、jyx、jyy為中間參量，表示薄膜瓊斯矩陣中的各個項。

24、通過矩陣σ0~σ3，瓊斯矩陣j也可以表示為

25、?；（8）

26、將瓊斯矩陣的系數與pauli矩陣系數一一對應可得出pauli矩陣每一項即

27、；???????????????????????????(9)

28、；??????????????????????????(10)

29、；??????????????????????????(11)

30、；??????????????????????????(12)

31、薄膜的瓊斯矩陣j1可以表示為

32、；?????(13)

33、式中，a=(tp)1/2exp(-iδ/2)，b=(ts)1/2exp(iδ/2)，φ(0≤φ≤2π)是入射光孔徑角，tp與ts是透射光場中p與s光的透過率，δ=(δs+δp)/2為平均相位，δ=δs-δp為相位差。

34、將公式(9)~(12)代入(13)中，泰勒展開后可得

35、；????????(14)

36、；??(15)

37、；???(16)

38、；???????????????????????????????????????????(17)

39、式中，a0的實部代表斜入射至薄膜引起的振幅波動，虛部代表波前差。a1和a2代表了矢量像差部分，其中實部和虛部分別代表矢量像差中的透過率衰減和相位差。

40、因此，當入射光具有一定孔徑角時，a1和a2不再為0，a0虛部不為0，所以經過pbs后，出射光偏振態變為振幅相位隨光瞳徑向坐標變化的橢圓偏振光，導致pbs中同時包含成像偏振光和偏振雜散光，降低了pbs的雜散光抑制能力，造成現有pbs無法匹配lcos。而且照明光學系統的出射光發散角與pbs不匹配更促進了橢圓偏振光的轉化。所以抑制pbs雜散光的主要研究方向是抑制pbs中偏振雜散光的產生。

41、因此，本技術研發出了一種高對比度恒星模擬器新型架構，以解決上述問題。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種可實現暗態漏光與偏振雜散光抑制的高對比度恒星模擬器新型架構。

2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、一種高對比度恒星模擬器新型架構，其特征在于，該架構包括出瞳外置準直光學系統、消偏振光學引擎、計算機控制與數據處理系統。

4、具體的，所述出瞳外置準直光學系統包括無畸變目鏡。

5、具體的，對所述無畸變目鏡的透鏡和鏡筒進行鍍增透膜和噴消光漆處理。

6、具體的，所述消偏振光學引擎包括照明光學系統、兩片lcos、兩片1/4波片及其拼接結構、消偏振分光棱鏡（npbs）三部分組成，所述兩片lcos及其拼接結構由lcos、壓塊、lcos槽、調整環和調焦筒組成，通過使用壓塊與lcos槽共同固定lcos和1/4波片；所述照明光學系統的主要包括光源、復合拋物面反射鏡(compound?parabolic?concentrator,cpc)、中繼光學系統和復眼透鏡。

7、具體的，所述npbs在進光口和出光口分別設有0°偏振片與90°偏振片。

8、具體的，所述lcos采用lcos拼接結構進行光學拼接，lcos進行光學拼接的主要步驟可分為調整環垂軸移動、調焦筒軸向對準。

9、具體的，所述計算機控制與數據處理系統包括星圖顯示模塊；所述星圖顯示模塊由恒星遍歷、坐標變換、亞像素灰度重構的星點位置模擬誤差分區修正模塊和星圖輸出模塊組成。

10、具體的，本技術的照明光學系統采用柯勒照明的設計方式。本發明的有益效果在于：

11、綜上，本技術通過在光學引擎中lcos前端設置兩片1/4波片，以抑制lcos的暗態漏光，通過設置消偏振光學引擎，使得偏振雜散光功率由2.5×10-4w下降至4.62×10-5w，下降了5.41倍，實驗結果顯示，本技術研究的高對比度恒星模擬器與現有恒星模擬器相比，對比度由16.46：1提升至93.41：1，由此可知消偏振光學引擎能夠有效抑制偏振雜散光產生。提高星圖的對比度。

12、上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。