CN1092161A

CN1092161A - 瞬态分光辐射仪

Info

Publication number: CN1092161A
Application number: CN 93102273
Authority: CN
Inventors: 李硕中; 吴宝宁; 刘建平; 李雷; 刘西社
Original assignee: No 205 Inst Ministry Of Machine Building & Electronics Industry
Current assignee: No 205 Inst Ministry Of Machine Building & Electronics Industry
Priority date: 1993-03-06
Filing date: 1993-03-06
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: CN1042669C

Abstract

瞬态分光辐射仪是一台在室内、室外都可测出瞬态光源光谱、光度、色度及其随时间变化的光学测试仪器，本发明的外光路由光纤传光光路、积分球导光光路和光能空间分布测量装置组成，内光路由滤掉二极波谱的宽带滤光片装置和以列阵光电转换元件为探测器的光电摄谱仪组成，高速自控处理电路由微机和多种自控电路组成，输出外设有CRT显示器、打印机、绘图仪。

Description

瞬态分光辐射仪属瞬态辐射源辐射光学特性参数的测试计量仪器，主要用来测量瞬态光源光谱、光度、色度及其随时间的变化。

光谱参数包括瞬态光源光谱的相对能量分布，峰值座标及其相对能量;光度参数包括瞬态辐射光强及其随时间的变化，有效光强，瞬态辐射光亮度、照度及其随时间的变化;色度参数包括色坐标、主波长、色温、显色指数和色纯度。

当前分光辐射仪包括在导轨上可伸缩的外光路，色散光路，带扫描系统的探测器，它只适于在实验室测量连续发光光源的光色参数，不能用于野外动态测量，不能用于瞬态光的测量，更不能用于只有一次机会的爆炸性光源光性测量;中国实用新型专利申请号为8820778.4的“闪光光谱测定仪”，它主要用来测量瞬态光源的光谱参数，其缺点是不能测量瞬态光的光度和色度参数，也不能在野外对动态目标进行测量。

本发明的目的是提供一种可以在室内、室外都可测量瞬态光源光谱、光度、色度及其随时间变化的分光辐射仪。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：

一种瞬态分光辐射仪，由外光路组件1，内光路组件2，微机控制电路3，输出外设组件4组成（见图1）。本发明如图2所示的特征是：外光路组件1包括光纤传光光路61（参见图3），瞬态光度探测光路62（参见图6），积分球导光光路59（参见图4），光源支撑架60（参见图5）;内光路组件2为一光电摄谱仪，内光路组件2包括固定在支架上的可调入射狭缝30，平面导光镜31，球面反光镜32，档光板33，球面聚光镜34，平面闪耀光栅35，固定在支撑架上的出射狭缝36，宽带滤光片37与列阵探测器元件38;微机控制电路3包括专用微机53和控制电路两部分，控制电路包括列阵探测器控制电路、瞬态光空间分布测量控制电路、瞬态光源控制电路、瞬态光度测量控制电路四个部分;瞬态光源控制电路包括了由微机53、电控制电路49、脉冲电源48、瞬态光源15（或22）组成的电控光源电路，由微机53、光控电路51、放大电路52、光度探测器62、光源15（或22）组成光控光源电路，由微机53、软件控制电路50、光源15（或光源22）组成的软件控制光源电路三部分组成;瞬态光空间分布测量控制电路由微机53、X向控制接口54、Y向控制接口55驱动电路56、X向步进电机57和Y向步进电机58组成;列阵探测器控制电路由微机53、12位高速A/D41、列阵探测控制电路40驱动电路39和列阵探测元件38组成;瞬态光能测量控制电路由微机53、8位高速A/D46、光能测量单片机电路45、驱动放大电路47、瞬态光度探测器62组成。输出外设组件包括CRT显示器42，绘图仪43和打印机44。

本发明的目的还可以通过如下措施来达到：瞬态分光辐射仪的光纤传光光路（见图3）由输入窗口-聚光透镜5、光纤输入光学接头6、导光光纤7、光纤输出光学接头8、非球面聚光镜9组成，聚光透镜5可由2～5片透镜组成，每片透镜的两面均镀有复色光增透膜，输入通光口径可以在60～120mm之间，前后焦距可以在150～400mm之间，导光光纤7由100～500根直径为0.005～0.01mm粗的石英光纤捆扎而成，光纤输入光学接头6和输出光学接头8是将光纤束端捆扎、胶合、磨平抛光而成;非球面聚光透镜9为一双焦椭球反光镜，离轴切割应用，第一焦点设置在光纤输出光学接头8处，第二焦点设置在内光路的入射狭缝30处，所切割的直径可在15～80mm之间，双焦长、短轴之比可为2∶1至4∶1。

瞬态分光辐射仪的积分球59（参见图4）用轻金属材料作球壁13，积分球的内径可在100～200mm之间，球的内壁喷涂7～15层硫酸钡溶液，积分球壁上开有三孔，入射光源孔10，与孔10垂直并与内光路入射狭缝以内接园形式相切的孔11，在球壁上对称于孔11、垂直于孔10并与瞬态光度探测器滤光片以内接园形式衔接的孔14，小光源支撑架12为半球遮光罩，其内外表面均涂有与积分球内壁一致的涂料。

瞬态分光辐射仪的内光路2的可调入射狭缝30可调范围在0～3mm之间，平面导光镜31大小为20×20～30×30mm²，球面反光镜32大小为30×40～40×60mm²，球半径在300～600mm之间，平面闪耀光栅35大小为20×20～60×60mm²，每毫米刻线在130～1800条之间，球面聚光镜34大小为30×40～40×60mm²之间，固定在支撑架上的出射狭缝36大小为1×30～2×40mm²之间的固定狭缝，宽带滤光片37与列阵探测器38分别固定在两个前后、上下、左右可调动的不同的三维支撑架上。

本发明附图说明如下：

图1，瞬态分光辐射仪外形结构图。1-外光路组件;2-内光路组件;3-微机控制电路;4-输出外设组件;

图2，瞬态分光辐射仪总体工作原理图。1-外光路组件;2-内光路组件;3-微机控制电路;4-输出外设组件;5-瞬态光入射窗口;6-光纤输入光学接头;7-传光光纤束;8-光纤输出光学接头;9-非球面聚光镜;10-积分球输入射光孔;11，14-积分球输出光孔;12-光源支撑架;13-积分球球壁;15-小光源灯;30-入射狭缝;31-平面反光镜;32-球面聚光镜;33-档光板;34-球面聚光镜;35-闪耀光栅;36-出射狭缝;37-宽带滤光片;38-列阵探测器;39-列阵探测器驱动电路;40-处理放大电路;41-12位高速A/D;42-CRT显示器;43-绘图仪;44-打印机;45-光能测量单片机电路;46-8位高速A/D;47-处理放大电路;48-脉冲电源;49-电控制电路;50-软件控制电路;51-光控制电路;52-放大电路;53-微机;54-X向输出接口;55-Y向输出接口;56-瞬态光空间分布测量控制电路;57-X向步进电机;58-Y向步进电机;59-积分球;60-光源支架;61-光纤传光光路;62-瞬态光度探测光路。

图3，瞬态分光辐射仪光纤传光光路。5-瞬态光入射窗口（聚光透镜组）;6-光纤输入光学接头;7-传光光纤束;8-光纤输出光学接头;9-非球面聚光透镜

图4，瞬态分光辐射仪积分球导光光路。10-入射光窗口;11-出射光窗口;12-光源支撑架;13-积分球球壁;14-出射光窗口;15-光源灯。

图5，瞬态分光辐射仪光源支架图。16-底角螺丝;17-底座;18-回转台;19-立柱;20-转轴;21-支撑臂;22-光源;23-光源架24-垫块;25、26-转动手轮（或步进电机）。

图6，瞬态分光辐射仪光度探测光路。

28-视见函数滤光片;29-硅光电二极管;27-驱动电路。

现结合附图详述本发明测量瞬态光谱、光度、色度及其随时间变化的过程：

如果想在实验室采用电控方法测量瞬态闪光光源时，如图2所示，微机53发出命令给电控电路49，让脉冲电源48充电，待48充至预定电压值时，通过49给53一信号，53得到此信号后，命令49触发放电，光源15或22即发出闪光，当光源发光亮度低，通过积发球在列阵探测元件CCD上产生的照度低于0.1Lx时，光源置于积分球59中的15处，当光源发光亮度大时，置于图4光源支架的22处，从积分球口10进入积分球59形成漫射光，通过30被导向后射至32，变成平行光射向35，由35分光后射向34被聚焦，被聚焦的光谱带从出射狭缝36经过宽带滤光片37后落在38光敏面上，光敏面为聚焦反光镜34的焦平面，列阵探测器CCD38在驱动电路39的作用下，将并行排列的光电信号变成串行排列的电信号送至处理放大电路40，再由12位具有2～8μs的高速A/D41变成数字量送至微机53的存贮器中，经微机处理计算后的光谱相对能量数据、峰值坐标及能量相对值数据，送给外设CRT42显示出光谱曲线形状，同时由绘图仪43在绘图纸上划出曲线，由打印机44打出峰值坐标和相对能量数值;计算机利用预置程序，根据光谱相对能量值用国际照明委员会（CIE）提出的方法和计算公式计算出的色座标、主波长、色温、显色指数、色纯度等数据送至外设打印机44打出数据，至此，闪光灯的光谱、色度参数实时测出;光度数据的测量（参见图2）是被测光从入射光孔10进入积分球59，经积分球内壁漫反射后，均匀漫反射光通过积分球输出光孔14由视见函数滤光片校正后射向光电二极管29（参见图6），此探测器在驱动电路27的作用下，将光信号变成电能送给处理放大电路47，再经过8位高速A/D电路46将其变成数字量存入机芯为8086的单片机45存贮器中，待电路41的12位A/D传给微机53的数据传送完毕后，微机53由单片机45的存贮器中取出光度数据，并计算出瞬态闪光光源的光强、有效光强和有效光强的照度数据，然后微机命令绘图仪在绘完光谱曲线分布后，绘出闪光光强随时间变化的光强分布曲线，显示器CRT42显示闪光灯的光强分布曲线，打印机出上述数据，这时闪光灯一次闪光的光谱、光度、色度参数全部测出。其中宽带滤光片37用以滤掉在闪耀光谱带上叠加的其它非闪耀级次的光谱，档光板33栏内光路杂散光免进入探测系统。

在野外对一些爆炸性的光源不能用电控制电路49时，采用如图2所示的软件控制电路50，即火炸药闪光通过光纤导光系统的聚光镜5聚焦后，投射到光纤输入光学接头6上，导入光纤束7传至光纤输出光学接头8，从光纤输出光学接头8的出射光束具有45°以内的数值孔径角-发散角，在设计和安装时，要使非球面聚光镜9的口径全部能收集到45度以内的主要光能，将其聚焦射向内光路的入射狭缝30，测出光谱光色参数;光度参数测量是将图2中的光度探测器62与光纤输入聚光透镜5平行放置，即可测得爆炸性光源的光度参数，软件电路50是检查41的12位A/D传送给微机的数据是否是欲测光能数据，如果是欲测光能数据则命令微机53贮存，若不是不给予存贮并继续判断，直到大于某一数值的光是爆炸光时，才存贮、计算、处理。在实验室对一些光源不能用电控制电路49控制时，亦可用光控电路51控制，当图2中光度探测器62输出的电信号一路经放大电路52放大后，给光控电路51一信号，传给微机53，微机命令41电路的12位A/D采样并存贮于微机53的存贮器中，然后进行计算，这样即可同时测出光谱、光度和色度参数。

在实验室中欲再测光能空间分布时，如图5所示，图5中回转台18可沿水平方向旋转360°，支撑臂21可沿垂直方向±90°作俯仰运动，微机53通过X向输出接口54令驱动电路56，使X步进电机57转动，测出光在垂直方向±90度的光谱、光度、色度参数的差异;测水平方向光能分布时，微机53通过Y向输出接口55，令驱动电路56让Y向步进电机58转动，即可测出光在水平方向360°的光能分布，每闪一次光可同时测出一个角度的光谱、光度、色度参数。

本发明的优缺点：

1、瞬态分光辐射仪，是一台工程光学综合性光测计量仪器。既能用于实验室对瞬态光源光谱、光度、色度参数的同时测量，又可在外场（靶场、机场等）实战应用状况下进行上述测量。如测量各种特种弹各种火炸药在发射、爆炸中所需要知道的光谱、光度、色度参数;各种火炮在发射过程中炮口火焰的同类参数;飞机左右机翅和顶上端各色防撞灯、航行灯的光谱、光度、色度参数，以至医学上临床诊断、治疗所用的瞬态光源的光谱、光度、色度参数等。

2、该仪器从机械结构上保证了内外光路的有机衔接，使瞬态光谱、光度、色度诸多参数在互不干扰情况下进行同时测量成为可能，一台具有四个自由度的光源支架附件，使光能空间分布得以测量;远距离导光的高效纤维传光接口机械结构，使仪器测量爆炸性光源时，能获得足够能量;在一些部件上，如具有三个自由度的CCD支架，既可准确、方便调试，又可牢固锁紧，经过长途运输，无A级移动，这为外场测量工作提供了一个有力保证;又如积分球中的小光源支架，即保证了充分利用光能，又符合CIE光色测量的要求等。

3、该仪器采用了大规模集成电路和微机开发应用的新技术成果，从元器件选择到数字电路的应用，使电器系统实现了高集成化和小型化，既提高了测量数据的精度，又增强了仪器自身的可靠性，且使该仪器具备光、机、电、数据处理、自控等功能，实现了全自动化实时测量的操作过程。

4、该仪器800～1100nm的红外波段应用的扩大有待于进一步开发。

Claims

1、一种瞬态分光辐射仪，由外光路组件1，内光路组件2，微机控制电路3，输出外设组件4组成。本发明特征是：(1)外光路组件1包括光纤传光光路61，瞬态光度探测光路62，积分球导光光路59，光源支撑架60；(2)内光路组件2为一光电摄谱仪，包括固定在支架上的可调入射狭缝30，平面导光镜31，球面反光镜32，档光板33，球面聚光镜34，平面闪耀光栅35，固定在支撑架上的出射狭缝36，宽带滤光片37与列阵探测器元件38；(3)微机控制电路3包括专用微机53和控制电路两部分，控制电路包括列阵探测器控制电路、瞬态光空间分布测量控制电路、瞬态光源控制电路、瞬态光度测量控制电路四个部分；瞬态光源控制电路包括了由微机53、电控制电路49、脉冲电源48、瞬态光源15(或光源22)组成的电控光源电路，由微机53、光控电路51、放大电路52、光度探测器62、光源15(或22)组成光控光源电路，由微机53软件控制电路50、光源15(或22)组成的软件控制光源电路三部分组成；瞬态光空间分布测量控制电路由微机53、X向控制接口54、Y向控制接口55、驱动电路56、X向步进电机57和Y向步进电机58组成；列阵探测器控制电路由微机53、12位高速A/D41、列阵探测控制电路40、驱动电路39和列阵探测元件38组成；瞬态光度测量控制电路由微机53、8位高速A/D46、光能测量单片机电路45、驱动放大电路47、瞬态光度探测器62组成。(4)输出外设组件包括CRT显示器42，绘图仪43和打印机44。

2、如权利要求1所述瞬态分光辐射仪，本发明特征是其光纤传光光路由输入窗口-聚光透镜5、光纤输入光学接头6、导光光纤7、光纤输出光学接头8、非球面聚光镜9组成，聚光透镜5可由2～5片透镜组成，每片透镜的两面均镀有复色光增透膜，输入通光口径可以在60～120mm之间，前后焦距可以在150～400mm之间，导光光纤7由100～500根直径为0.005～0.01mm粗的石英光纤捆扎而成，光纤输入光学接头6和输出光学接头8是将光纤束端捆扎、胶合、磨平、抛光而成;非球面聚光透镜9为一双焦椭球反光镜，离轴切割应用，第一焦点设置在光纤输出光学接头8处，第二焦点设置在内光路的入射狭缝30处，所切割的直径可在15～80mm之间，双焦长、短轴之比可为2∶1至4∶1。

3、如权利要求1所述瞬态分光辐射仪，本发明特征是其积分球59用轻金属材料作球壁13，积分球的内径可在100～200mm之间，球的内壁喷涂7～15层硫酸钡溶液，积分球壁上开有三孔，入射光孔10，与孔10垂直并与内光路入射狭缝以内接园形式相切的孔11，在球壁上对称于孔11垂直于孔10并与瞬态光度探测器滤光片以内接园形式衔接的孔14小光源支撑架12为半球遮光罩，其内外表面均涂有与积分球内壁一致的涂料。

4、如权利要求1所述瞬态分光辐射仪，本发明特征是其内光路2的可调入射狭缝30，可调范围在0～3mm之间，平面导光镜31的大小在20×20～30×30mm²之间，球面反光镜32的大小在30×40～40×60mm²之间，球半径在300～600mm之间，平面闪耀光栅35大小为20×20～60×60mm²，每毫米刻线在130～1800条之间，球面聚光镜34的大小在30×40～40×60mm²之间，固定在支撑架上的出射狭缝36大小在1×30～2×40mm²之间的固定狭缝，宽带滤光片37与列阵探测器38分别固定在两个前后、上下、左右可调动的不同的三维支撑架上。