CN101871812A - 类针孔瞬态弱光照度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类针孔瞬态弱光照度计，属于光学测试与计量领域。它包括共轭透镜、针孔光阑、含有脉冲型光电倍增管的弱光计数头、光子计数处理系统和装有照度测量软件包的计算机。被标定的Φ0.2mm光斑或被测小光斑弱光源的光束经共轭透镜成像在针孔光阑中心，针孔成像由弱光计数头探测并被转换成电脉冲信号，光子计数处理系统对电脉冲信号进行识别和处理后，向计算机输出与其采样周期对应的脉冲计数，再经过计算机处理后，最终得到随时间变化的照度值曲线和测量时间内的平均照度值。本发明解决了微光像增强器阴极面上Φ0.2mm光斑1.08×10^-41x照度值的直接和准确标定问题，还可实现大、小光斑的稳态或瞬态弱光源的照度测量功能，具有广阔的应用前景。

Description

类针孔瞬态弱光照度计

技术领域

本发明属于光学测试与计量技术领域，主要涉及一种瞬态光照度测试仪器，尤其涉及一种基于光子计数技术的类针孔瞬态弱光照度计。

背景技术

近年来，随着国防科技工业的飞速发展，在空间天文探测、荧光探测、军用夜视侦察和微光技术等领域对于弱光测量的要求越来越高。在微光像增强器的研制中，根据国军标的要求，需要用弱光照度计对微光像增强器阴极面上Φ0.2mm微小光斑的1.08×10^-41x照度值进行标定，以保证微光像增强器的信噪比参数的测量精度，从而对微光像增强器的研制提供可靠的计量保障。目前国内的弱光照度计以国防科技工业光学一级计量站、北京理工大学、杭州远方公司和成都测试院研制的弱光照度计为代表，且大多数采用直流输出型光电倍增管测试稳态光源，光电倍增管光敏面一般大于Φ10mm，最低照度探测能力为10^-71x量级。在测量较大面积光斑的弱光照度时，由于稳态光源发出的光可充满光电倍增管的光敏面，因而弱光照度计具有高信噪比。但是，在测量Φ0.2mm光斑时，稳态光源发出的光不会充满光电倍增管的光敏面，因此弱光照度计的信噪比大幅下降，与光电倍增管光敏面充满情况相比，信噪比降低了几千倍。因此，要实现对Φ0.2mm光斑的1.08×10^-41x照度值的测量，要求弱光照度计在光电倍增管光敏面充满时具有约10^-81x量级的照度测量能力且必须采用光子计数技术。由于国内目前的弱光照度计均不能测量Φ0.2mm光斑的1.08×10^-41x照度，所以在微光像增强器信噪比测量装置中，普遍采用间接测量法来获得Φ0.2mm光斑的照度值，即使用硒光电池和光电检流计测量光源的强光照度，再通过若干减光片逐级衰减后，转换为1.08×10^-41x的照度值。这种测量方法不能直接测量针孔光斑的弱光照度值，其传递误差大，不适应三代微光器件信噪比参数的精确测量要求。

在军用现场和各民用领域，荧光等很多微弱光的发光时间很短，其照度值及其随时间变化的趋势同样需要测量。虽然，国防科技工业光学一级计量站于2000年研制出了含有硅光电二极管探测器、高速数据采集电路和计算机的瞬态照度计，但是该照度计的测量范围为10～10⁵1x，只适应于强光的照度测量，而不能进行弱光的照度测量。因而，目前国内还没有针对荧光等照度进行测量的瞬态弱光照度计。

由于小光斑的弱光测量的信噪比差，光子计数识别难等问题，国内外目前还没有公开报道能实现这两项功能的类针孔瞬态弱光照度计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种智能化瞬态弱光度测量仪器即类针孔瞬态弱光照度计。

本发明提供的类针孔瞬态弱光照度计包括针孔成像组件，弱光计数头，光子计数处理系统和含有采集卡数据、图形工具和照度测量软件包的计算机；所述针孔成像组件含有共轭透镜、第一壳体和针孔光阑，第一壳体上两个相对的侧面分别带有通光孔和圆柱形通光突起，针孔光阑制作在圆柱形通光突起的外则端面中心，共轭透镜固定在第一壳体中，其像方焦点与针孔光阑的中心重合；所述弱光计数头含有第二壳体以及安装在其内的余弦校正片、视觉函数校正片、光子计数管和热电制冷温控系统，光子计数管含有用于探测光信号的脉冲型光电倍增管，热电制冷温控系统用于对脉冲型光电倍增管的阴极制冷，第二壳体一侧带有通光孔且通光孔和余弦校正片正对；所述针孔成像组件的圆柱形通光突起位于第二壳体的通光中，针孔光阑的中心位于脉冲型光电倍增管的光敏面的中心轴线上；照度标定或弱光照度测量时，待标定微光像增强器阴极面上的光斑或待测小光斑弱光源发出的光束穿过第一壳体的通光孔后经所述共轭透镜成像在针孔光阑的中心，该针孔成像光束经所述余弦校正片和所述视觉函数校正片的相继透射后，正好充满所述脉冲型光电倍增管的光敏面并被转换成电脉冲信号送入所述光子计数处理系统，光子计数处理系统对电脉冲信号进行识别和处理后输出与测量时间内各采样周期相对应的脉冲计数；所述照度测量软件包含有页面模块、采集模块、计算模块、存储模块、图形化模块和输出模块，所述页面模块在计算机屏幕上显示参数设置栏目、功能按钮组、测试显示栏目，参数设置栏目中包括“采样周期”、“测量次数”和“照度范围”栏，其中，“采样周期”栏中含有根据被测对象的瞬态或稳态特性来选择的多个采样周期，用以控制光子计数处理系统的采样周期，“照度范围”栏中含有根据被测对象可能产生的照度值进行选择的多个挡位，存储模块中存有与照度选择档位相对应的照度修正系数，测试显示栏目分为曲线显示栏和数据显示栏；所述采集模块采集光子计数处理系统的输出数据并送入所述存储模块进行数据保存；所述计算模块利用内置算法并调用存储模块中的相应照度修正系数，计算出与所述测量时间内各采样周期对应的一组照度值和测量时间内的平均照度值，将计算结果送入存储模块进行保存，同时将平均照度值送入所述数据显示栏进行显示；所述图形化模块调用图形工具并根据采集数据或计算数据，在曲线显示栏中实时显示随时间变化的脉冲计数曲线或随时间变化的照度值曲线；所述输出模块调用所述存储模块中的数据，以曲线和数据表的形式打印测量结果。

根据本发明，所述待标定微光像增强器阴极面上的光斑为Φ0.2mm，所述针孔光阑的孔径亦为0.2mm，共轭透镜的焦距为50mm，F数为1.4。

本发明还包括一个可在高低方向和水平面内的一个方向进行调整的二维调整平台，所述弱光计数头放置在所述二维调整平台上。

根据本发明，所述第一壳体上圆柱通光突起设有外螺纹，所述第二壳体的通光孔设有螺纹，两者作用使针孔成像组件实现插拔功能；取下针孔成像组件，待测大光斑弱光源发出的光束相继由余弦校正片、视觉函数校正片透射后充满脉冲型光电倍增管的光敏面，光信号经脉冲型光电倍增管转换成电脉冲信号送入光子计数处理系统。

本发明的技术效果体现在以下几个方面。

(一)本发明将带有针孔光阑的成像光学系统与弱光照度计相结合，解决了微小光斑的弱光照度测量问题。

(二)在本发明中，采用了光子计数技术，与采用直流电输出的光电倍增管探测技术相比，提高了弱光测量的信噪比，因此，本发明可以精确标定出微光像增强器阴极面上Φ0.2mm光斑1.08×10^-41x的照度值，从而为微光像增强器的研制提供了可靠的依据。

(三)本发明通过在计算机上设置不同的采样周期选择项，实现对光子计数处理系统采样周期的控制，使本发明不仅可以对稳态弱光源的照度进行测量，同时，还能够对闪光时间在微米级的瞬态弱光源的照度进行测量；此外，将针孔成像组件去掉后，本发明还可以对大光斑弱光源的照度进行测量；通过增加二维调整平台，本发明还可以为星光模拟器的照度均匀性测量与校准提供相应的采样数据。因此，本发明具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明类针孔瞬态弱光照度计的系统构成示意图。

图2是图1中所示的光路图。

图3是图1中所示的照度标定及测量处理软件包的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，类针孔瞬态弱光照度计的优选实施例包括针孔成像组件1、弱光计数头2、二维调整平台3、光子计数处理系统4和计算机5。二维调整平台3为现有技术中且可在高低方向和水平面内的一个方向进行调整。针孔成像组件1为可插拔式，包括由两个透镜1-1和1-2组成的共轭透镜、第一壳体1-3和针孔光阑1-4。第一壳体1-3为矩形，第一壳体1-3其中两个相对的侧面分别带有通光孔和圆柱形通光突起，圆柱形通光突起上设有外螺纹且针孔光阑1-4制作在圆柱形通光突起的外侧端面中心，针孔光阑1-4的孔径为0.2mm。共轭透镜的焦距为50mm，F数为1.4，共轭透镜通过光学支架固定在第一壳体1-3中，共轭透镜的像方焦点与针孔光阑1-4的中心重合。

弱光计数头2含有余弦校正片2-1、视觉函数校正片2-2、光子计数管2-3、热电制冷温控系统2-4和第二壳体2-5。余弦校正片2-1为平面反射镜，采用乳白玻璃制作，直径为φ10mm。视觉函数校正片2-2为平面透射镜，直径为φ7.5mm，由LB₆和LB₁两种玻璃组合而成，双面镀制增透膜后其能量透过率达到60％，提高了弱光探测的信噪比，最终使弱光计数头2的光谱响应曲线与V(λ)理论曲线的匹配精度达到2％，从而保证了照度探测的准确度。光子计数管2-3为货架产品，其内含有脉冲型光电倍增管，光子计数管2-3的型号为H7421-50且由日本滨松公司生产。热电制冷温控系统2-4为日本滨松公司生产的货架产品，其作用是对脉冲型光电倍增管的阴极制冷，同时把热电制冷器的热量散发出去，以保证脉冲型光电倍增管工作在稳定的极低温度下。第二壳体2-5为矩形，其一侧带有螺纹通光孔。余弦校正片2-1和视觉函数校正片2-2通过相应的光学支架，光子计数管2-3和热电制冷温控系统2-4通过相应的支撑集成在第二壳体2-5中，且余弦校正片2-1正对螺纹通光孔。

光子计数处理系统4型号为C8855-01且由日本滨松公司生产，其作用是识别光子计数管2-3输出的脉冲个数并输出与测量时间内各采样周期相对应的脉冲计数。

针孔成像组件1通过其第一壳体1-3上的圆柱通光突起与第二壳体2-5的螺纹通光孔来实现插拔功能。当针孔成像组件1旋入第二壳体2-5的螺纹通光孔时，针孔光阑1-4的中心位于脉冲型光电倍增管的光敏面的中心轴线上。弱光计数头2位于二维调整平台3上，在二维调整平台3的带动下，针孔成像组件1可以实现两个方向的扫描运动。

当本发明用于标定微光像增强器阴极面的照度(所谓标定就是通过照度值测量，最终使照射光源照射到阴极面的照度值为1.08×10^-41x)，或者用于测量如荧光等发光时间很短且光斑小(光斑直径＜5mm)的弱光源照度时，使被标定阴极面的光斑或待测小光斑弱光源6处于共轭透镜的物方焦点上(参见图2)，照射光源照射到微光像增强器阴极面上Φ0.2mm的光斑或待测小光斑弱光源6发出的光束穿过第一壳体1-5的通光孔后经共轭透镜成像在针孔光阑1-4的中心，该针孔成像光束经余弦校正片2-1和视觉函数校正片2-2的相继透射后，正好充满脉冲型光电倍增管的光敏面，光信号经脉冲型光电倍增管转换成电脉冲信号送入光子计数处理系统4。

当本发明用于测量大光斑(光斑直径≥5mm)的瞬态和稳态弱光源6照度时，取下针孔成像组件1，使待测光源6发出的光束直接由余弦校正片2-1、视觉函数校正片2-2相继透射到并充满脉冲型光电倍增管的光敏面，光信号经脉冲型光电倍增管转换成脉冲信号送入光子计数处理系统4。

计算机5装有数据采集卡、图形工具和照度测量软件包。照度测量软件包含有页面模块、采集模块、计算模块、存储模块、图形化模块和输出模块。

页面模块的功能是，在计算机屏幕上显示参数栏目、功能按钮组、测试显示栏目。参数栏目中包括“采样周期”、“测量次数”、“测量时间”和“照度范围”栏，其中，“采样周期”栏用于控制光子计数处理系统4的采样周期，其内含有50μs、100μs、500μs、1ms、50ms、0.1s、1s和10s的选项，可根据被测对象的瞬态或稳态特性来选择该栏中的选项，瞬态光源一般选择50ms以下的采样周期，稳态光源一般选择50ms及其以上的采样周期；“测量次数”栏可直接通过键盘输入自然整数；“测量时间”栏是根据“采样周期，，和“测量次数”中的参数而自动显示数值的，测量时间为所选采样周期与所定测量次数的乘积。“照度范围”栏中含有三个选择挡位，第一挡位的照度范围为1.0×10^-3～1.0×10^-51x，第二挡位的照度范围为0.99×10^-5～1.0×10^-71x，第三挡位的照度范围为0.99×10^-7～1.0×10^-81x，这三个选择挡位可根据被测对象可能产生的照度值进行选择。存储模块中存有与三个照度选择档位相对应的三个照度修正系数。功能按钮组中包括“开关”、“测试”、“计算”和“打印”按钮。测试显示栏目分为曲线显示栏和数据显示栏。采集模块采集光子计数处理系统4的输出数据并送入存储模块以excel表格形式保存。计算模块的功能是根据下式计算：

$E_i=\frac{k_{\mathrm{\β}}{L}_i}{T}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k_{\mathrm{\β}}{L}_i}{T}---\left(2\right)$

上式中，E_i是第i个采样周期对应的照度值，k_β是与所选照度档位相对应的照度修正系数，L_i是第i个周期对应的脉冲计数，T是所选的采样周期，n是所选的测量次数，是测量时间内的平均照度值。

计算模块将计算出的与测量时间内各采样周期所对应的一组照度值以及在测量时间内的平均照度值送入存储模块并以excel表格形式进行保存，并将平均照度值送入数据显示栏进行显示。

图形化模块的功能是调用图形工具，并根据采集数据或计算数据，在曲线显示栏中实时显示随时间变化的脉冲计数曲线或随时间变化的照度值曲线。输出模块的功能是调用存储模块中的数据，以曲线和数据形式打印测量结果。

本发明的工作过程是，将被测弱光源6等放置到位后，首先打开光子处理系统4的电源。当给计算机5上电并初始化后，点击“开关”按钮，弱光计数头2上电并启动热电制冷温控系统2-4；在计算机屏幕上选择采样周期、测量次数和照度档位；然后，点击“测试”按钮，启动光子计数系统4并采集被测光源信号，与此同时，计算机5中的采集模块和图形化模块运行，并在计算机5屏幕上的曲线显示栏实时显示随时间变化的光子脉冲计数曲线，当测量时间到，点击“计算”按钮，此时，计算模块和图形化模块运行，并在计算机5屏幕上的曲线显示栏实时显示随时间变化的照度值曲线，当计算完成后，在屏幕上的数据显示栏显示被测光源的平均照度值。此后，点击“打印”按钮，即可输出随时间变化的照度值曲线和excel表格形式的结果数据。再次点击“开关”按钮，弱光计数头和热电制冷温控系统断电，测量结束。

本发明类针孔瞬态弱光照度计可精确标定微光像增强器Φ0.2mm阴极面上的照度值(1.08×10^-41x)，为微光像增强器的研制提供可靠的依据；同时，本发明也可作为星光模拟器等大面积光源照度均匀性测量的采样装置，使用时，在二维调整平台3的带动下，使所述针孔成像组件1按照规定的路线对星光模拟器进行两维扫描，从而获得所有采样点(Φ0.2mm光斑)的照度采样数据，并将照度采样数据送入计算机系统进行保存，以供用户调用，并进行相应的均匀性计算与分析。

Claims (4)

1.一种类针孔瞬态弱光照度计，包括含有数据采集卡、图形工具和照度测量软件包的计算机[5]，其特征在于：还包括针孔成像组件[1]、弱光计数头[2]和光子计数处理系统[4]；所述针孔成像组件[1]含有共轭透镜、第一壳体[1-3]和针孔光阑[1-4]，第一壳体[1-3]上两个相对的侧面分别带有通光孔和圆柱形通光突起，针孔光阑[1-4]制作在圆柱形通光突起的外则端面中心，共轭透镜固定在第一壳体[1-3]中，其像方焦点与针孔光阑[1-4]的中心重合；所述弱光计数头[2]含有第二壳体[2-5]以及安装在其内的余弦校正片[2-1]、视觉函数校正片[2-2]、光子计数管[2-3]和热电制冷温控系统[2-4]，光子计数管[2-3]含有用于探测光信号的脉冲型光电倍增管，热电制冷温控系统[2-4]用于对脉冲型光电倍增管的阴极制冷，第二壳体[2-5]一侧带有通光孔且通光孔和余弦校正片[2-1]正对；所述针孔成像组件[1]的圆柱形通光突起位于第二壳体[2-5]的通光孔中，针孔光阑[1-4]的中心位于脉冲型光电倍增管的光敏面的中心轴线上；照度标定或弱光照度测量时，待标定微光像增强器阴极面上的光斑或待测小光斑弱光源发出的光束穿过第一壳体[1-3]的通光孔后经所述共轭透镜成像在针孔光阑[1-4]的中心，该针孔成像光束经所述余弦校正片[2-1]和所述视觉函数校正片[2-2]的相继透射后，正好充满所述脉冲型光电倍增管的光敏面并被转换成电脉冲信号送入所述光子计数处理系统[4]，光子计数处理系统[4]对电脉冲信号进行识别和处理后输出与测量时间内各采样周期相对应的脉冲计数；所述照度测量软件包含有页面模块、采集模块、计算模块、存储模块、图形化模块和输出模块，所述页面模块在计算机屏幕上显示参数设置栏目、功能按钮组、测试显示栏目，参数设置栏目中包括“采样周期”、“测量次数”和“照度范围”栏，其中，“采样周期”栏中含有根据被测对象的瞬态或稳态特性来选择的多个采样周期，用以控制光子计数处理系统[4]的采样周期，“照度范围”栏中含有根据被测对象可能产生的照度值进行选择的多个挡位，测试显示栏目分为曲线显示栏和数据显示栏；所述存储模块中存有与照度选择档位相对应的照度修正系数；所述采集模块采集光子计数处理系统[4]的输出数据并送入所述存储模块进行数据保存；所述计算模块利用内置算法并调用存储模块中的相应照度修正系数，计算出与所述测量时间内各采样周期对应的一组照度值和测量时间内的平均照度值，将计算结果送入存储模块进行保存，同时将平均照度值送入所述数据显示栏进行显示；所述图形化模块调用图形工具并根据采集数据或计算数据，在曲线显示栏中实时显示随时间变化的脉冲计数曲线或随时间变化的照度值曲线；所述输出模块调用所述存储模块中的数据，以曲线和数据表的形式打印测量结果。

2.根据权利要求1所述的类针孔瞬态弱光照度计，其特征在于：所述待标定微光像增强器阴极面上的光斑为Φ0.2mm，所述针孔光阑[1-4]的孔径亦为0.2mm，共轭透镜的焦距为50mm，F数为1.4。

3.根据权利要求1或2所述的类针孔瞬态弱光照度计，其特征在于：还包括一个可在高低方向和水平面内的一个方向进行调整的二维调整平台[3]，所述弱光计数头[2]放置在所述二维调整平台[3]上。

4.根据权利要求1或2所述的类针孔瞬态弱光照度计，其特征在于：所述第一壳体[1-3]上圆柱通光突起设有外螺纹，所述第二壳体[2-5]的通光孔设有螺纹，两者作用使针孔成像组件[1]实现插拔功能；取下针孔成像组件[1]，待测大光斑弱光源发出的光束相继由余弦校正片[2-1]、视觉函数校正片[2-2]透射后充满脉冲型光电倍增管的光敏面，光信号经脉冲型光电倍增管转换成电脉冲信号送入光子计数处理系统[4]。

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