CN109060731B - 红外光学系统光谱透过率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

为解决红外光学系统光谱透过率的测试问题，本发明提供了一种红外光学系统光谱透过率测试装置及方法。其中，测试装置包括依次设置的面源黑体、滤光片轮、斩波器、目标板、红外热像仪、锁相放大器；还包括装载有测控及计算软件的计算机；目标板和红外热像仪之间预留有放置被测红外光学系统的空间；面源黑体、滤光片轮及锁相放大器均与计算机相连；红外热像仪为锁相放大器提供调制信号；斩波器为锁相放大器提供参考信号；面源黑体、滤光片轮和目标板构成温度和光谱可调的红外目标模拟装置，为被测红外光学系统提供成像目标；测控及计算软件用于控制和监测面源黑体的温度、控制和监测滤光片轮，以及根据采集的数据计算被测红外光学系统的光谱透过率。

Description

红外光学系统光谱透过率测试装置及方法

技术领域

本发明属于光学测试领域，具体涉及一种红外光学系统光谱透过率测试装置及方法。

背景技术

光学系统透过率是指光学仪器的出射光通量与入射光通量之比，标志着光学仪器传输光辐射能力的强弱，反映了光学系统对光能量的损失，光学系统透过率影响光学仪器的探测能力和作用距离，是光学系统的一项重要性能指标。

光学系统对辐射信号的传输能力可以用积分透过率表示，它是光学系统出射总光通量与入射总光通量的比值，然而，积分透过率与辐射信号的光谱分布和光学系统的光谱透过率有关，即光学系统的积分透过率与辐射源的光谱分布有关。因此，用积分透过率表征光学系统的传输能力欠妥当。光谱透过率是光学系统透过率随波长变化的函数，反映了光学系统对各波长辐射的传输能力，与辐射源的光谱分布无关，是表征光学系统辐射传输能力的理想参数。

目前，可见光学系统光谱透过率的测试方法比较成熟，主要有基于分光光度计的光谱透过率测试方法，该方法受光源、分光光度计空间的限制，一般只能满足可见光、近红外小型光学元件或小型光学系统的测试。还有，基于宽光谱光源(一般为卤钨灯)、平行光管、积分球和光电倍增管的积分透过率测试，受光源和探测器响应谱段的限制，该装置只能实现可见光波段内积分透过率测试，无法给出被测光学系统的光谱透过率。

红外光学系统接收的是目标自身的热辐射，通常信号较弱，背景辐射又较强，微弱的信号通常淹没在背景辐射当中。因此，红外光学系统的光谱透过率测试和评价技术的发展远远落后于可见光学系统，一些对可见光系统已视为常规的方法，受弱信号检测等技术的限制无法应用到红外光学系统上。因此，研究测试红外光学系统光谱透过率的装置及方法，对提高测试和评价红外光学系统的辐射传输能力，准确评估红外光学系统的作用距离，改进和优化红外光学系统，发展红外热成像技术具有重要意义。

发明内容

为解决红外光学系统光谱透过率的测试问题，本发明提供了一种红外光学系统光谱透过率测试装置及方法。

本发明的技术解决方案是：

红外光学系统光谱透过率测试装置，其特殊之处在于：包括依次设置的面源黑体、滤光片轮、斩波器、目标板、红外热像仪、锁相放大器；还包括装载有测控及计算软件的计算机；

目标板和红外热像仪之间预留有放置被测红外光学系统的空间；

面源黑体、滤光片轮及锁相放大器均与计算机相连；

红外热像仪与锁相放大器相连，为锁相放大器提供调制信号；斩波器与锁相放大器相连，为锁相放大器提供参考信号；

面源黑体、滤光片轮和目标板构成温度和光谱可调的红外目标模拟装置，为被测红外光学系统提供成像目标；

测控及计算软件用于控制和监测面源黑体的温度、控制和监测滤光片轮，以及根据采集的数据计算被测红外光学系统的光谱透过率。

进一步地，面源黑体的有效辐射口径应保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪成像为大于5×5像元的面目标，以及保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次经被测红外光学系统和红外热像仪后，成像为大于5×5像元的面目标。

进一步地，目标板的尺寸应保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪成像为大于5×5像元的面目标，以及保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次经被测红外光学系统和红外热像仪后，成像为大于5×5像元的面目标。

进一步地，滤光片轮上安装有多个窄带红外滤光元件，多个窄带红外滤光元件通过计算机控制滤光片轮旋转进行切换。

进一步地，面源黑体的精度至少为0.1℃。

本发明同时提供了一种利用上述的红外光学系统光谱透过率测试装置测量红外光学系统光谱透过率的方法，包括以下步骤：

第一步：测试红外热像仪对经被测红外光学系统传输后的面源黑体响应的斜率；

第二步：测试红外热像仪对面源黑体响应的斜率；

第三步：根据前两步所得斜率，计算被测红外光学系统的光谱透过率。

进一步地，所述第一步具体为：

1.1]将被测红外光学系统放置在目标板和红外热像仪之间，调整使得被测红外光学系统的焦面至目标板处，被测红外光学系统的视场中心与目标板的中心重合；

1.2]根据被测红外光学系统的工作谱段λ_s～λ_e，确定测试的光谱取样点总数量N，则第i个光谱取样点波长λ_i按下式计算：

其中，λ_s为被测红外光学系统工作谱段的起始波长，λ_e为被测红外光学系统工作谱段的终止波长，N≥10；

1.3]确定测试中面源黑体的温度范围T_s～T_e，要求面源黑体的温度在T_s～T_e范围时红外热像仪处于线性工作区，测试中的温度取样点总数量记为M，则第j个温度取样点温度T_j按下式计算：

其中，T_s为测试中设置的面源黑体的最低温度，T_e为测试中设置的面源黑体的最高温度，M≥6；

1.4]通过测控及计算软件设置面源黑体的温度为T₁，滤光片轮的工作滤光片中心波长为λ₁，整个测试中固定红外热像仪的增益和偏置，输入当前工作滤光片的半高宽FWHM₁，待面源黑体温度稳定后，采集红外热像仪的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,1；

1.5]按下式计算目标板的辐射亮度L_1,1：

其中，L_1,1为波长λ₁、温度T₁下，目标板的辐射亮度；ε为面源黑体的发射率；π为圆周率；C₁、C₂分别为第一辐射常数、第二辐射常数；

1.6]固定滤光片轮的工作滤光片中心波长为λ₁不变，通过测控及计算软件设置面源黑体的温度为下一个测试温度点T_b，待面源黑体温度稳定后，采集红外热像仪的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,b；

1.7]按下式计算波长λ₁下、测试温度点T_b时，目标板的辐射亮度L_1,b：

1.8]重复步骤1.6]-1.7]，可以得到波长λ₁下，面源黑体工作在所有测试温度T_j下的目标区域平均灰度值DN_1,j和目标板的辐射亮度L_1,j，j取1,2，…，M；

1.9]以步骤1.8]所得目标板的辐射亮度L_1,j为横坐标，以目标区域平均灰度值DN_1,j为纵坐标，进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k₁；

1.10]按照步骤1.4]～步骤1.9]的方法，获取到滤光片轮的工作滤光片中心波长为所有取样光谱点波长λ_i，面源黑体的温度为所有测试点温度T_j，对应的目标板的辐射亮度L_i,j、目标区域平均灰度值DN_i,j及拟合所得直线的斜率k_i；j取1,2，…，M。

进一步地，所述第二步具体为：

2.1]移去被测红外光学系统，按照步骤1.10]的方法，得到目标区域平均灰度值DN′_i,j；

2.2]利用前述步骤获得的目标板的辐射亮度L_i,j和目标区域平均灰度值DN′_i,j，以同一波长下不同温度下目标板的辐射亮度L_i,j为横坐标，以同一波长下不同温度下目标区域平均灰度值DN′_i,j为纵坐标进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k′_i。

进一步地，所述第三步具体为：

3.1]按下式计算各取样中心波长λ_i下被测红外光学系统5的透过率τ_i：

3.2]以取样中心波长λ_i为横坐标，以该波长下被测红外光学系统的透过率τ_i为纵坐标，在直角坐标系下绘制曲线，得到被测红外光学系统的光谱透过率曲线。

需要说明的是，实际操作中，上述步骤一、二顺序可互换。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以在实验室内完成红外光学系统光谱透过率的测试和评价。

2、本发明的测试装置结构简单，以面源黑体、窄带红外滤光元件及目标板模拟红外目标，以红外热像仪为探测器，通过斩波器和锁相放大器实现对信号的高精度测量，适用于不同口径、不同尺寸、不同结构形式红外光学系统光谱透过率的测试。

3、本发明通过测试红外热像仪对高精度面源黑体响应的斜率，和红外热像仪对经被测红外光学系统传输后的高精度面源黑体响应的斜率，两个斜率的比值即为被测红外光学系统的光谱透过率，由于两个斜率都是线性拟合的结果，因此具有测试精度高的优点。

附图说明

图1是红外热像仪对经过被测红外光学系统传输后的黑体响应测试的布局图。

图2是红外热像仪直接对黑体响应测试的布局图。

附图标记说明：

1-面源黑体，2-滤光片轮，3-斩波器，4-目标板，5-被测红外光学系统，6-红外热像仪，7-锁相放大器，8-计算机，9-测控及计算软件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的测试系统包括依次设置的高精度面源黑体1、滤光片轮2、斩波器3、目标板4、红外热像仪6、锁相放大器7，还包括装载有测控及计算软件9的计算机8。目标板4和红外热像仪6之间预留有放置被测红外光学系统5的空间。

面源黑体1、滤光片轮2和目标板4组成一套温度和光谱可调的红外目标模拟装置，为被测红外光学系统5提供成像目标。

斩波器3、红外热像仪6、锁相放大器7和装载有测控及计算软件9的计算机8组成一套红外辐射测量装置。

面源黑体1与计算机8电连接，计算机8中安装有控制和监测面源黑体1温度的测控及计算软件9，通过对高精度面源黑体1的温度调整实现不同亮度目标的模拟。面源黑体1在整个装置中起红外目标模拟作用，面源黑体1有效辐射口径应足够大，以保证红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪6成像为大于5×5像元的面目标，保证红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次被被测红外光学系统5和红外热像仪6成像为大于5×5像元的面目标，以降低噪声及衍射效应的影响，确保最终的测量精度。

滤光片轮2位于面源黑体1辐射口的前方，与计算机8电连接，计算机8中安装有控制和监测滤光片轮2的测控及计算软件9，通过对滤光片轮2调整实现不同波段光谱辐射的模拟。滤光片轮2上安装有多个窄带红外滤光元件，可通过计算机8控制滤光片轮2旋转，实现各窄带红外滤光元件的切换。

斩波器3位于滤光片轮2的前方，与锁相放大器7电连接，主要用于对模拟红外目标的辐射进行调制，并输出锁相放大器7所需的参考信号，实现对噪声抑制和信号精确提取。

目标板4位于斩波器3的前方，目标板4位于被测红外光学系统5的焦面上，目标板4的中心与被测红外光学系统5的视场中心重合。目标板4的尺寸应足够大，以保证红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪6成像为大于5×5像元的面目标，保证红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次被被测红外光学系统5和红外热像仪6成像为大于5×5像元的面目标。

红外热像仪6与锁相放大器7电连接，并输出锁相放大器7的调制信号。红外热像仪6是红外辐射测量装置的核心器件，其主要功能是对红外目标模拟装置产生的模拟红外目标的辐射亮度进行测量，以及对红外目标模拟装置产生的模拟红外目标的辐射经被测光学系统5后的辐射亮度进行测量。

锁相放大器7和斩波器3、红外热像仪6以及计算机8均电连接。斩波器3为锁相放大器7提供参考信号，红外热像仪6为锁相放大器7提供调制信号，锁相放大器7根据参考信号去除调制信号中的噪声，锁相放大器7的输出传递给计算机8。

计算机8分别与高精度面源黑体1、滤光片轮2、锁相放大器7电连接。计算机8主要实现高精度面源黑体1温度的控制与监测，滤光片轮2的控制与监测，锁相放大器7输出信号的采集、存储、计算。

测控及计算软件9具有用户交互界面，可以控制和监测高精度面源黑体1温度、控制和监测滤光片轮2、计算光谱透过率，并可以显示设备状态及计算结果。本领域技术人员基于本发明公开的测控及计算软件9的功能和光谱透过率的具体测试方法，可通过现有技术手段编程实现测控及计算软件9。

利用本发明的测试装置测试红外光学系统光谱透过率的方法包括如下步骤：

1]按图1所示布局并连接各设备，调整使得被测红外光学系统5的焦面至目标板4处，被测红外光学系统5的视场中心与目标板4的中心重合；

2]根据被测红外光学系统5的工作谱段λ_s～λ_e，确定测试的光谱取样点总数量N，为保证测试精度，取N≥10，则第i个光谱取样点波长λ_i按公式(1)计算：

上式中，λ_s为被测红外光学系统5的工作谱段的起始波长，λ_e为被测红外光学系统5的工作谱段的终止波长。

3]根据红外热像仪6的测温范围，确定测试中面源黑体1的温度范围T_s～T_e，要求高精度面源黑体1温度在T_s～T_e范围时应保证红外热像仪6处于线性工作区，测试中温度取样点总数量记为M，为保证测试精度，取M≥6，则第j个取样温度T_j按公式(2)计算：

上式中，T_s为测试中面源黑体1设置的最低温度，T_e为测试中面源黑体1设置的最高温度。

4]通过测控及计算软件9设置面源黑体1的温度为T₁，滤光片轮2的工作滤光片中心波长为λ₁，整个测试中固定红外热像仪6的增益和偏置，输入当前工作滤光片的半高宽FWHM₁，待面源黑体1温度稳定后，采集红外热像仪6的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,1。

5]根据面源黑体1的发射率ε、温度T₁、工作滤光片中心波长λ₁及半高宽FWHM₁按公式(3)计算目标板4的辐射亮度L_1，1。

上式中，L_1,1为第一个测试波长λ₁，第一个测试温度点T₁下，目标板4的辐射亮度；ε为高精度面源黑体1的发射率，π为圆周率，C₁、C₂分别为第一辐射常数、第二辐射常数。

6]固定滤光片轮2的工作滤光片中心波长为λ₁，通过测控及计算软件9设置面源黑体1的温度为下一选取测试温度点T_b，待高精度面源黑体1温度稳定后，采集红外热像仪6的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,b。

7]计算机根据面源黑体1的发射率ε、温度T_j、工作滤光片中心波长λ₁及半高宽FWHM₁按公式(4)计算波长λ₁下、测试温度点T_b时，目标板4的辐射亮度L_1,b。

L₁,j为第一个测试波长λ₁，第j个测试温度点T_j下，目标板4的辐射亮度。

8]重复步骤6]-7]，这样就得到了波长λ₁下，面源黑体1工作在所有测试温度T_j下的目标区域平均灰度值DN_1,j和目标板4的辐射亮度L_1,j，j取1,2，…，M。

9]以步骤8]所得目标板4的辐射亮度L_1,j为横坐标，以目标区域平均灰度值DN_1,j为纵坐标，进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k₁。

10]按照步骤4]～步骤9]的方法，通过测控及计算软件9设置滤光片轮2的工作滤光片中心波长为其他取样光谱点波长λ_i，并依次设置面源黑体1的温度为所有测试点温度T_j，得到对应的目标板4的辐射亮度L_i,j、目标区域平均灰度值DN_i,j及拟合直线的斜率k_i。

L_i,j为第i个取样中心波长λ_i，第j个测试温度T_j下目标板4的辐射亮度。DN_i,j为第i个取样中心波长λ_i，第j个测试温度T_j下目标区域平均灰度值。

11]首先移去图1中的被测红外光学系统5，即按图2所示布局并连接各设备，然后，按照步骤10]的方法，得到滤光片轮2的工作滤光片中心波长为所有取样光谱点波长λ_i，面源黑体1的温度为所有测试点温度T_j，对应的目标区域平均灰度值DN′_i,j。

12]利用前述步骤计算得到的目标板4的辐射亮度L_i,j和目标区域平均灰度值DN′_i,j，以同一波长下不同温度下的目标板4的辐射亮度为横坐标，以同一波长下不同温度下的目标区域平均灰度值为纵坐标进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k′_i。

13]按公式(5)计算各取样中心波长λ_i下被测红外光学系统5的透过率τ_i：

14]以取样中心波长λ_i为横坐标，以该波长下被测红外光学系统的透过率τ_i为纵坐标，在直角坐标系下绘制曲线，得到被测红外光学系统的光谱透过率曲线。

上述测量方法，也可以先按照图2所示布局测试，然后再按照图1所示布局测试。

Claims (8)

1.红外光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：包括依次设置的面源黑体(1)、滤光片轮(2)、斩波器(3)、目标板(4)、红外热像仪(6)、锁相放大器(7)；还包括装载有测控及计算软件(9)的计算机(8)；

目标板(4)和红外热像仪(6)之间预留有放置被测红外光学系统(5)的空间；

面源黑体(1)、滤光片轮(2)及锁相放大器(7)均与计算机(8)相连；

红外热像仪(6)与锁相放大器(7)相连，为锁相放大器(7)提供调制信号；斩波器(3)与锁相放大器(7)相连，为锁相放大器(7)提供参考信号；

面源黑体(1)、滤光片轮(2)和目标板(4)构成温度和光谱可调的红外目标模拟装置，为被测红外光学系统(5)提供成像目标；

测控及计算软件(9)用于控制和监测面源黑体(1)的温度、控制和监测滤光片轮(2)，以及根据采集的数据计算被测红外光学系统(5)的光谱透过率。

2.根据权利要求1所述的红外光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：面源黑体(1)的有效辐射口径应保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪(6)成像为大于5×5像元的面目标，以及保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次经被测红外光学系统(5)和红外热像仪(6)后，成像为大于5×5像元的面目标。

3.根据权利要求2所述的红外光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：目标板(4)的尺寸应保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标直接被红外热像仪(6)成像为大于5×5像元的面目标，以及保证所述红外目标模拟装置产生的模拟红外目标依次经被测红外光学系统(5)和红外热像仪(6)后，成像为大于5×5像元的面目标。

4.根据权利要求1或2或3所述的红外光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：滤光片轮(2)上安装有多个窄带红外滤光元件，多个窄带红外滤光元件通过计算机(8)控制滤光片轮(2)旋转进行切换。

5.根据权利要求4所述的红外光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：面源黑体(1)的精度至少为0.1℃。

6.利用权利要求1-5任一所述的红外光学系统光谱透过率测试装置测试红外光学系统光谱透过率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：测试红外热像仪(6)对经被测红外光学系统(5)传输后的面源黑体(1 )响应的斜率；

1.1]将被测红外光学系统(5)放置在目标板(4)和红外热像仪(6)之间，调整使得被测红外光学系统(5)的焦面至目标板(4)处，被测红外光学系统(5)的视场中心与目标板(4)的中心重合；

1.2]根据被测红外光学系统(5)的工作谱段λ_s～λ_e，确定测试的光谱取样点总数量N，则第i个光谱取样点波长λ_i按下式计算：

其中，λ_s为被测红外光学系统(5)工作谱段的起始波长，λ_e为被测红外光学系统(5)工作谱段的终止波长，N≥10；

1.3]确定测试中面源黑体(1)的温度范围T_s～T_e，要求面源黑体(1)的温度在T_s～T_e范围时红外热像仪(6)处于线性工作区，测试中的温度取样点总数量记为M，则第j个温度取样点温度T_j按下式计算：

其中，T_s为测试中设置的面源黑体(1)的最低温度，T_e为测试中设置的面源黑体(1)的最高温度，M≥6；

1.4]通过测控及计算软件(9)设置面源黑体(1)的温度为T₁，滤光片轮(2)的工作滤光片中心波长为λ₁，整个测试中固定红外热像仪(6)的增益和偏置，输入当前工作滤光片的半高宽FWHM₁，待面源黑体(1)温度稳定后，采集红外热像仪(6)的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,1；

1.5]按下式计算目标板(4)的辐射亮度L_1,1：

其中，L_1,1为波长λ₁、温度T₁下，目标板(4)的辐射亮度；ε为面源黑体(1)的发射率；π为圆周率；C₁、C₂分别为第一辐射常数、第二辐射常数；

1.6]固定滤光片轮(2)的工作滤光片中心波长为λ₁不变，通过测控及计算软件(9)设置面源黑体(1)的温度为下一个测试温度点T_b，待面源黑体(1)温度稳定后，采集红外热像仪(6)的图像，选取并计算目标区域平均灰度值，记为DN_1,b；

1.7]按下式计算波长λ₁下、测试温度点T_b时，目标板(4)的辐射亮度L_1,b：

1.8]重复步骤1.6]-1.7]，可以得到波长λ₁下，面源黑体(1)工作在所有测试温度T_j下的目标区域平均灰度值DN_1,j和目标板(4)的辐射亮度L_1,j，j取1,2，…，M；

1.9]以步骤1.8]所得目标板(4)的辐射亮度L_1,j为横坐标，以目标区域平均灰度值DN_1,j为纵坐标，进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k₁；

1.10]按照步骤1.4]～步骤1.9]的方法，获取到滤光片轮(2)的工作滤光片中心波长为所有取样光谱点波长λ_i，面源黑体(1)的温度为所有测试点温度T_j，对应的目标板(4)的辐射亮度L_i,j、目标区域平均灰度值DN_i,j及拟合所得直线的斜率k_i；j取1,2，…，M；

第二步：测试红外热像仪(6)对面源黑体(5)响应的斜率；

2.1]移去被测红外光学系统(5)，按照步骤1.10]的方法，得到目标区域平均灰度值DN′_i,j；

2.2]利用前述步骤获得的目标板(4)的辐射亮度L_i,j和目标区域平均灰度值DN′_i,j，以同一波长下不同温度下目标板(4)的辐射亮度L_i,j为横坐标，以同一波长下不同温度下目标区域平均灰度值DN′_i,j为纵坐标进行线性拟合，拟合所得直线的斜率记为k′_i；

第三步：根据前两步所得斜率，计算被测红外光学系统(5)的光谱透过率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三步具体为：

3.1]按下式计算各取样中心波长λ_i下被测红外光学系统(5)的透过率τ_i：

3.2]以取样中心波长λ_i为横坐标，以该波长下被测红外光学系统的透过率τ_i为纵坐标，在直角坐标系下绘制曲线，得到被测红外光学系统的光谱透过率曲线。

8.根据权利要求6-7任一所述的方法，其特征在于：第一步和第二步顺序可互换。

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