CN108534994B - 一种大口径均匀光源的均匀性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测试技术领域，针对现有均匀光源均匀性测试装置中，面均匀性测试装置有效扫描区域不完整，角均匀性测试装置不能通用、结构复杂、难以满足均匀光源出射面直径不断增大的实际需要，提供一种大口径均匀光源的均匀性测试装置及方法。其中测试装置包括支架、升降装置、平台位置转换装置、载物台、摆臂、滑块、探测器位置转换装置、光亮度探测器以及测量控制系统；升降装置设置在支架上，载物台通过平台位置转换装置设置在升降装置上；载物台设置旋转电机，摆臂安装在旋转电机的输出端；滑块安装在摆臂上，光亮度探测器通过探测器位置转换装置安装在滑块上，光亮度探测器、旋转电机和滑块驱动电机分别与测量控制系统电连接。

Description

一种大口径均匀光源的均匀性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测试技术领域，具体涉及一种大口径均匀光源的均匀性测试装置及方法。

背景技术

空间光学领域中，为了得到灰度均匀的图像，人们采用均匀辐射光源在其出光口得到高均匀性的光线，然后在其均匀光源出射面前放置成像相机进行拍摄；当均匀光源出射面覆盖相机光学镜头口径(即均匀光源出射面与相机光学镜头口径相适应)，且相机的入瞳被光源全部充满时，就能拍摄一幅灰度均匀的图像。

影响相机得到灰度均匀图像的因素包含两方面，一方面在于相机本身，即相机各像元件响应的不一致性以及后续电子电路的不一致性。这方面通过采集不同亮度条件下拍摄图像，找出其中规律，即可实现相机响应一致性的校正。另一方面在于均匀光源的均匀性；为保证均匀光源辐射均匀光源出射面的均匀性，使其精度满足测试要求，需对均匀光源进行标定。

但是，随着相机观测精细度的不断提高，相机的口径越来越大，相应的均匀光源出射口径也越来越大，这就给均匀光源的标定带来了困难。

均匀光源均匀性主要是指其辐射均匀光源出射面的面均匀性和角均匀性。

现有面均匀性的测试方法如图1所示，在均匀光源10输出面前方安装X-Y坐标扫描装置，其运动平面垂直于均匀光源10的光轴，扫描平面为均匀光源10出射面的外切正方形。光亮度探测器安装在X-Y坐标扫描架上，使其光轴垂直于均匀光源10输出平面。扫描架带动光亮度计以一定的X向和Y向步长移动，对整个均匀光源10出射面进行扫描，扫描结束，人工剔除那些位于出射平面外的数据点，按照评价算法计算此均匀光源10出射面的面均匀性。

此方法存在如下几个问题：

1)扫描步长的选择，步长过大，位于均匀光源出射面内的数据点太少，不足以表征均匀光源出射面的细微差别；步长过小，虽然可以满足对均匀光源出射面细微差别判断的需要，但位于均匀光源出射面的边缘附近的数据点不易判别其归属，如图2所示，有效的扫描区域仅为图中黑色实线所包围的区域，通常均匀性较差的边缘部分却无有效数据供参考；

2)随着均匀光源出射面的进一步增大，需要搭建更大尺寸的X-Y扫描架，使得标定设备过于庞大沉重，不易调试维修。

现有角均匀性的测试方法如图3所示，其定义为在垂直于均匀光源10出射面的平面内，以均匀光源10出射面圆心为原点，以均匀光源10出射面半径为半径，沿水平方向和垂直方向扫描形成的圆弧线上，一定角度范围内光亮度的均匀性。按照此定义，光亮度探测器的运动轨迹为圆弧线，圆弧中心为均匀光源10出射面圆心，半径为均匀光源10出射面半径。

要进行角均匀性测试，必须配置与均匀光源出射面直径一致的圆弧导轨，但是由于不同口径均匀光源的均匀光源出射面尺寸不用，因此圆弧导轨的半径也随之变化，不同半径的圆弧导轨之间不能通用，容易造成资源浪费；而且随着均匀光源出射面的直径不断增大，配备相适应的导轨越来越复杂，投入不断提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有均匀光源均匀性测试装置中，面均匀性测试装置有效扫描区域不完整，调试维修复杂，以及角均匀性测试装置不能通用、结构复杂、难以满足均匀光源出射面直径不断增大的实际需要等问题，而提供一种大口径均匀光源的均匀性测试装置及方法，实现了仅使用一套设备，即可同时满足面均匀性、角均匀性(X向和Y向)的测试需要，提高了测量设备的适应性和测试效率。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种不同口径均匀光源的均匀性测试装置，其特殊之处在于，包括支架、升降装置、平台位置转换装置、载物台、摆臂、滑块、探测器位置转换装置、光亮度探测器以及测量控制系统；所述升降装置设置在支架上，载物台通过平台位置转换装置设置在升降装置上；载物台设置旋转电机，摆臂安装在旋转电机的输出端；滑块安装在摆臂上，并通过滑块驱动电机驱动其沿摆臂移动；所述平台位置转换装置可相对支架旋转，从而使摆臂的旋转平面与水平面垂直或平行；所述光亮度探测器通过探测器位置转换装置安装在滑块上，探测器位置转换装置用于控制光亮度探测器的探测方向，使探测器的探测方向垂直或平行于摆臂的旋转平面；所述光亮度探测器、旋转电机和滑块驱动电机分别与测量控制系统电连接，测量控制系统用于实现光亮度探测器探测数据的处理，以及控制旋转电机和滑块驱动电机的精确运动。

进一步地，上述测量控制系统包括数据采集卡、主控计算机和电机控制装置，数据采集卡采集光亮度探测器输出的光电信号，并对其进行模数转换后传输至主控计算机；主控计算机控制规划测试路径，完成自动测试和数据处理；电机控制装置将计算机的运动控制指令转换为可驱动旋转电机、滑块驱动电机运动的电信号。

进一步地，上述光亮度探测器的镜头前设置不同衰减比的衰减片，用于减弱光强，以满足测量不同辐亮度条件下均匀光源均匀性的要求，提高光亮度探测器的测量范围。

进一步地，上述光亮度探测器适配1°或3°或10°视场角的光学镜头，光亮度探测器可根据需要测量均匀光源出射面的一定视场范围内的光亮度。

进一步地，为了提高摆臂运动的平稳性，上述摆臂远离光亮度探测器的一端设置配重块。

进一步地，上述旋转电机为步进电机或配有旋转编码器的直流伺服电机，其与电机控制装置电连接；由电机控制装置驱动，受主控计算机控制，通过主控计算机控制载物台电机的精确转动，提高了回转角度的精确定位，完成圆周方向的扫描功能。

进一步地，上述滑块驱动电机为步进电机或配有光栅编码器的直流伺服电机，其与电机控制装置电连接；由电机控制装置驱动，受主控计算机控制，通过主控计算机控制驱动装置的精确运动，从而提高光亮度探测器在摆臂上的移动及定位精度。

本发明还提供一种基于上述大口径均匀光源均匀性测试装置的面均匀性测试方法，用于对平行于均匀光源出射面的圆环形扫描，包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂的旋转平面平行；通过升降装置调整载物台的高度，使摆臂的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高，

步骤2：根据待测均匀光源面均匀性的测试要求，设置摆臂和滑块的测试步长；

步骤3：主控计算机规划测试路径，控制滑块移动到指定位置后启动测试过程；

步骤4：主控计算机记录摆臂及滑块的当前位置；数据采集卡采集光亮度探测器输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机；

步骤5：滑块位置保持不变，旋转电机带动摆臂按其测试步长旋转，主控计算机同时记录摆臂和滑块位置；摆臂旋转一圈后，滑块按其测试步长移动至下一位置；

步骤6：重复步骤4、步骤5，进行逐点测试，直至完成待测均匀光源出射面的同心圆环形扫描；

步骤7：主控计算机根据面均匀性数据处理方法对数据进行处理。

另外，本发明还提供一种基于上述大口径均匀光源均匀性测试装置的角均匀性测试方法，用于对垂直于待测均匀光源出射面的圆弧扫描，包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂的旋转平面垂直；

步骤2：当进行垂直方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置旋转，使摆臂的旋转平面与水平面垂直；

当进行水平方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置旋转，使摆臂的旋转平面与水平面平行；

步骤3：通过升降装置调整载物台的高度，使摆臂的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高，

定义光亮度探测器的探测方向与均匀光源出射面的中心光轴方向重合时为零度，摆臂向下、向左旋转时为负向角度，向上、向右为正向角度；上、下、左、右是处于均匀光源的位置，向均匀性测试装置看去时的方位；负向角度最大的位置作为测试起始位置，正向角度最大的位置作为测试起始位置；

步骤4：根据待测均匀光源的出射口径，设置滑块在摆臂上的位置，使其与出射口径一致；根据角均匀性的测试要求，设置载物台旋转电机的角度范围和测试步长；

步骤5：主控计算机规划测试路径，控制滑块移动到指定位置，控制摆臂移动到测试角度范围的测试起始位置后启动测试过程；

步骤6：数据采集卡采集光亮度探测器输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机，主控计算机记录摆臂的当前位置；

步骤7：滑块位置保持不变，摆臂按其测试步长向正向角度方向旋转至下一位置，

步骤8：重复步骤6、步骤7，进行逐角度测试，直至摆臂运行至测试角度范围的测试终止位置，完成待测均匀光源出射面的等角度间隔的圆弧形扫描；

步骤9：主控计算机根据角均匀性数据处理方法对数据进行处理。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用升降装置使摆臂旋转中心与均匀光源出射面的中心等高；采用平台位置转换装置能够实现摆臂运行平面与地面的垂直或水平，从而实现一套设备，同时满足面均匀性、Y向角均匀性和X向角均匀性的测试需要，提高了测量设备的适应性和测试效率，有效提高了相机拍摄图像的视觉效果和精度。

2、本发明在进行面均匀测试时，光亮度探测器位于摆臂的不同位置，定义了不同的扫描半径；摆臂在旋转电机的带动下360°自由旋转，光亮度探测器可根据实际需要沿摆臂平移，旋转和平移相互配合运动，即可实现均匀光源整个均匀光源出射面的完全扫描。

相对于现有采用X-Y坐标扫描架的检测方式，本发明放弃了传统的X-Y扫描方式，可以测量位于均匀光源出射面的边缘处的光亮度值，不存在数据取舍问题，有效克服了测试步长不同对数据取舍及测量精度的影响。并且根据被测多个均匀光源的最大均匀光源出射面半径设计摆臂，可以满足测量不同尺寸光源的要求，解决了X-Y扫描架随均匀光源出射面增大而一味增大的问题。

3、本发明在进行角均匀性测试时，使摆臂的运动平面与均匀光源出射面垂直，并根据均匀光源出射面的半径调整光亮度探测器在摆臂上的位置，使摆臂摆动路径为与均匀光源出射面的半径相同的圆弧，即构成角均匀性测试装置，从而满足角均匀性的测试条件。

具体的，摆臂旋转平面垂直于地面时，则可测试Y向角均匀性；

平台位置转换装置顺时针或逆时针翻转，使摆臂旋转平面平行于地面时，则可测试X向角均匀性。

有效解决了不同均匀光源出射面的直径需要不同弧形导轨的问题，一套装置即可满足X向和Y向角均匀性的测量需要。

附图说明

图1是现有均匀光源面均匀性测试装置的示意图；

图2是图1测试装置采用外切正方形法测试得到的有效区域示意图；

图3是现有均匀光源角均匀性测试装置的示意图；

图4是本发明实施例的均匀性测试装置原理结构的主视图；

图5是图4实施例的左视图；

图6是采用图4测试装置进行面均匀性测试时光亮度探测器处于不同位置时的示意图；

图7是本发明实施例探测器位置转换装置结构示意图。

图中各标号的说明如下：

1—支架、2—升降装置、3—平台位置转换装置、4—载物台、5—摆臂、6—滑块、7—探测器位置转换装置、8—光亮度探测器、

9—测量控制系统、10—均匀光源、11—均匀光源出射面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图4、图5所示的一种大口径均匀光源的均匀性测试装置，包括支架1、升降装置2、平台位置转换装置3、载物台4、摆臂5、滑块6、探测器位置转换装置7、光亮度探测器8以及测量控制系统9。

支架1为三点式支架；升降装置2设置在支架1上，平台位置转换装置3与升降装置2相连；载物台4设置在平台位置转换装置3上。摆臂5垂直安装在载物台4的旋转电机的输出端，其远离光亮度探测器8的一端设置配重块。

升降装置2用于带动载物台4沿支架1上下移动；本实例的平台位置转换装置3与升降装置之间采用具有中心转轴的铰接结构，转轴采用锁紧螺母锁紧，载物台通过它铰接在升降装置的顶部，实现相对支架1的翻转和定位，从而使摆臂5的旋转平面与水平面垂直或平行。

滑块6安装在摆臂5上，摆臂5上的滑块驱动电机可通过蜗轮蜗杆副驱动滑块沿摆臂5移动；光亮度探测器8与测量控制系统9电连接，其通过探测器位置转换装置7安装在滑块6上；光亮度探测器8适配不同视场角的光学镜头，且其镜头前设置衰减片。

本实施例中探测器位置转换装置7安装在滑块6上，参见图7，转换装置的两个安装平面以中心转轴的形式铰接在一起，一端固定在滑块6上，另一端安装光亮度探测器8，安装平面可绕中心轴转动并通过锁紧螺母锁紧，用于控制光亮度探测器8的探测方向；当光亮度探测器8的探测方向与载物台4电机的轴向垂直时，光亮度探测器8的探测方向与摆臂5的旋转平面平行；当光亮度探测器8的探测方向与载物台4电机的轴向平行时，光亮度探测器8的探测方向与摆臂5的旋转平面垂直。

测量控制系统9用于实现光亮度探测器8探测数据的处理，以及控制旋转电机和滑块驱动电机的精确运动，包括数据采集卡、主控计算机和电机控制装置，数据采集卡采集光亮度探测器8输出的光电信号，并对其进行模数转换后传输至主控计算机；主控计算机控制规划测试路径，完成自动测试和数据处理；电机控制装置将计算机的运动控制指令转换为可驱动旋转电机、滑块驱动电机运动的电信号；旋转电机、滑块驱动电机均为配有旋转编码器的直流伺服电机，且分别与测量控制系统9的电机控制装置电连接。

本实例中升降装置、滑块驱动电机带动滑块沿摆臂移动的机构、平台位置转换装置和探测器位置转换装置均采用现有技术，例如升降装置可采用蜗轮蜗杆副或齿轮齿条机构等，当然还可以采用其他机构，这里不再详细展开描述。

本发明还提供一种基于上述大口径均匀光源均匀性测试装置的面均匀性测试方法，用于对平行于均匀光源出射面的圆环形扫描，包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂5的旋转平面平行；通过升降装置2调整载物台4的高度，使摆臂5的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高，

步骤2：根据待测均匀光源面均匀性的测试要求，设置摆臂5和滑块6的测试步长；

步骤3：主控计算机规划测试路径，控制滑块6移动到指定位置后启动测试过程；

步骤4：主控计算机记录摆臂5及滑块6的当前位置；数据采集卡采集光亮度探测器8输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机；

步骤5：滑块6位置保持不变，旋转电机带动摆臂5按其测试步长旋转，主控计算机同时记录摆臂5和滑块6位置；摆臂5旋转一圈后，滑块6按其测试步长移动至下一位置；

步骤6：重复步骤4、步骤5，进行逐点测试，直至完成待测均匀光源出射面的同心圆环形扫描；

步骤7：主控计算机根据面均匀性数据处理方法对数据进行处理。

另外，本发明还提供一种基于上述大口径均匀光源均匀性测试装置的角均匀性测试方法，用于对垂直于待测均匀光源出射面的圆弧扫描，包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂5的旋转平面垂直；

步骤2：当进行垂直方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置3旋转，使摆臂5的旋转平面与水平面垂直；

当进行水平方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置3旋转，使摆臂5的旋转平面与水平面平行；

步骤3：通过升降装置2调整载物台4的高度，使摆臂5的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高，

定义光亮度探测器8的探测方向与均匀光源出射面11的中心光轴方向重合时为零度，摆臂5向下、向左旋转时为负向角度，向上、向右为正向角度；上、下、左、右是处于均匀光源的位置，向均匀性测试装置看去时的方位；负向角度最大的位置作为测试起始位置，正向角度最大的位置作为测试起始位置；

步骤4：根据待测均匀光源的出射口径，设置滑块6在摆臂5上的位置，使其与出射口径一致；根据角均匀性的测试要求，设置载物台4旋转电机的角度范围和测试步长；

步骤5：主控计算机规划测试路径，控制滑块6移动到指定位置，控制摆臂5移动到测试角度范围的测试起始位置后启动测试过程；

步骤6：数据采集卡采集光亮度探测器8输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机，主控计算机记录摆臂5的当前位置；

步骤7：滑块6位置保持不变，摆臂5按其测试步长向正向角度方向旋转至下一位置，

步骤8：重复步骤6、步骤7，进行逐角度测试，直至摆臂5运行至测试角度范围的测试终止位置，完成待测均匀光源出射面的等角度间隔的圆弧形扫描；

步骤9：主控计算机根据角均匀性数据处理方法对数据进行处理。

Claims (7)

1.一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，包括面均匀性测试和角均匀性测试，其特征在于：

搭建一种大口径均匀光源的均匀性测试装置，其包括支架(1)、升降装置(2)、平台位置转换装置(3)、载物台(4)、摆臂(5)、滑块(6)、探测器位置转换装置(7)、光亮度探测器(8)以及测量控制系统(9)；

所述升降装置(2)设置在支架(1)上，载物台(4)通过平台位置转换装置(3)设置在升降装置(2)上；载物台(4)设置旋转电机，摆臂(5)安装在旋转电机的输出端；滑块(6)安装在摆臂(5)上，并通过滑块驱动电机驱动其沿摆臂(5)移动；所述平台位置转换装置(3)可相对支架(1)旋转，从而使摆臂(5)的旋转平面与水平面垂直或平行；

所述光亮度探测器(8)通过探测器位置转换装置(7)安装在滑块(6)上，探测器位置转换装置(7)用于控制光亮度探测器(8)的探测方向，使探测器的探测方向垂直或平行于摆臂(5)的旋转平面；

所述光亮度探测器(8)、旋转电机和滑块驱动电机分别与测量控制系统(9)电连接，测量控制系统(9)用于实现光亮度探测器(8)探测数据的处理，以及控制旋转电机和滑块驱动电机的运动；

所述面均匀性测试包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂(5)的旋转平面平行；通过升降装置(2)调整载物台(4)的高度，使摆臂(5)的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高；

步骤2：根据待测均匀光源面均匀性的测试要求，设置摆臂(5)和滑块(6)的测试步长；

步骤3：主控计算机规划测试路径，控制滑块(6)移动到指定位置后启动测试过程；

步骤4：主控计算机记录摆臂(5)及滑块(6)的当前位置；数据采集卡采集光亮度探测器(8)输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机；

步骤5：滑块(6)位置保持不变，旋转电机带动摆臂(5)按其测试步长旋转，主控计算机同时记录摆臂(5)和滑块(6)位置；摆臂(5)旋转一圈后，滑块(6)按其测试步长移动至下一位置；

步骤6：重复步骤4、步骤5，进行逐点测试，直至完成待测均匀光源出射面的同心圆环形扫描；

步骤7：主控计算机根据面均匀性数据处理方法对数据进行处理；

所述角均匀性测试包括以下步骤：

步骤1：调整待测均匀光源或均匀性测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与摆臂(5)的旋转平面垂直；

步骤2：当进行垂直方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置(3)旋转，使摆臂(5)的旋转平面与水平面垂直；

当进行水平方向角均匀性测试时，调整平台位置转换装置(3)旋转，使摆臂(5)的旋转平面与水平面平行；

步骤3：通过升降装置(2)调整载物台(4)的高度，使摆臂(5)的旋转中心与待测均匀光源出射面的中心等高；

定义光亮度探测器(8)的探测方向与均匀光源出射面(11)的中心光轴方向重合时为零度，摆臂(5)向下、向左旋转时为负向角度，向上、向右为正向角度；上、下、左、右是处于均匀光源的位置，向均匀性测试装置看去时的方位；负向角度最大的位置作为测试起始位置，正向角度最大的位置作为测试起始位置；

步骤4：根据待测均匀光源的出射口径，设置滑块(6)在摆臂(5)上的位置，使其与出射口径一致；根据角均匀性的测试要求，设置载物台(4)旋转电机的角度范围和测试步长；

步骤5：主控计算机规划测试路径，控制滑块(6)移动到指定位置，控制摆臂(5)移动到测试角度范围的测试起始位置后启动测试过程；

步骤6：数据采集卡采集光亮度探测器(8)输出的光电信号，对其进行模数转换，并将模数转换后得到的数据传输至主控计算机，主控计算机记录摆臂(5)的当前位置；

步骤7：滑块(6)位置保持不变，摆臂(5)按其测试步长向正向角度方向旋转至下一位置；

步骤8：重复步骤6、步骤7，进行逐角度测试，直至摆臂(5)运行至测试角度范围的测试终止位置，完成待测均匀光源出射面的等角度间隔的圆弧形扫描；

步骤9：主控计算机根据角均匀性数据处理方法对数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述测量控制系统(9)包括数据采集卡、主控计算机和电机控制装置；

数据采集卡采集光亮度探测器(8)输出的光电信号，并对其进行模数转换后传输至主控计算机；

主控计算机控制规划测试路径，完成自动测试和数据处理；

电机控制装置将计算机的运动控制指令转换为可驱动旋转电机、滑块驱动电机运动的电信号。

3.根据权利要求2所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述光亮度探测器(8)的镜头前设置衰减片。

4.根据权利要求3所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述光亮度探测器(8)适配1°或3°或10°视场角的光学镜头。

5.根据权利要求4所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述摆臂(5)远离光亮度探测器(8)的一端设置配重块。

6.根据权利要求2至5任一所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述旋转电机为步进电机或配有旋转编码器的直流伺服电机，其与电机控制装置电连接。

7.根据权利要求6所述的一种大口径均匀光源的均匀性测试方法，其特征在于：所述滑块驱动电机为步进电机或配有光栅编码器的直流伺服电机，其与电机控制装置电连接。