CN109342317B - 一种用于平面黑材料的光学参数测试装置及方法 - Google Patents

一种用于平面黑材料的光学参数测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于平面黑材料的光学参数测试装置，包括：LDLS激光驱动光源、单色仪、光束准直系统、分束器、积分球、黑体腔、陷阱探测器、反射镜、控制器、监视探测器、前置放大器、七位半电压表、工控机；所述LDLS激光驱动光源输出复色光，依次经单色仪、准直系统和分束器后分别进入监视探测器和积分球，并使得测量光束从积分球光源入孔经两次反射后从样品测试孔中心穿过，在远离积分球位置倾斜放置高吸收比的黑体腔；在积分球探测器端放置陷阱探测器，并将监视探测器和陷阱探测器依次连接至前置放大器和七位半电压表。本发明可实现平面黑材料宽波段下综合光学参数测试，有助于提高黑体腔吸收率和低温辐射计的测量精度。

Description

一种用于平面黑材料的光学参数测试装置及方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种用于平面黑材料的光学参数测试装置及方法。
背景技术
基于高光学吸收率黑材料的黑体腔在光电探测和光电屏蔽等领域有着重要应用。黑体腔作为低温辐射计的核心光电转换模块，要求具有0.9999以上的超高吸收率，吸收率测量不确定度优于10-6量级。鉴于腔体吸收率与腔体内壁涂黑材料的吸收率、镜面反射率、漫反射率等参数直接相关联，因此有必要在对腔体涂黑之前测试黑材料的吸收率、镜面反射率、漫反射率、镀制非均匀性等指标，进而通过仿真计算评价黑材料的性能，指导腔体加工的成品率。另外，考虑到吸收腔在不同波段下的吸收率存在差异，有必要对黑材料进行宽波段不同波长下的吸收率、镜面反射率、漫反射率等参数的测量，获取吸收材料光谱吸收率曲线、光谱镜面反射率曲线、光谱漫反射率曲线，进一步提高低温辐射计测量不确定度。
现有的黑材料光学参数测试方法，测试指标较为单一，精度差，不能同时测试材料的吸收率、镜面反射率、漫反射率、光学均匀性等指标，对于低温辐射计黑体腔材料高精度测试存在如下问题：
(1)测试指标单一，一套装置通常只能测吸收率、反射率、漫反射率等一个指标；
(2)测试波长单一，现有方法大多采用激光作为光源，无法给出宽谱段光学参数；
(3)测试精度差，没有考虑光源稳定性、光电噪声以及朗伯反射近似对测量结果精度的影响。
且现有技术采用的Si/InGaAs探测器对于低温辐射计黑体腔黑材料吸收率的高精度测量，其稳定性较差，探测器受入射光的入射角度、偏振态等因素影响大。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种用于平面黑材料的光学参数测试装置及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于平面黑材料的光学参数测试装置，包括：LDLS激光驱动光源、单色仪、光束准直系统、分束器、积分球、黑体腔、陷阱探测器、反射镜、控制器、监视探测器、前置放大器、七位半电压表、工控机；
所述LDLS激光驱动光源输出复色光，依次经单色仪、准直系统和分束器后分别进入监视探测器和积分球，并使得测量光束从积分球光源入孔经两次反射后从样品测试孔中心穿过，在远离积分球位置倾斜放置高吸收比的黑体腔；在积分球探测器端放置陷阱探测器，并将监视探测器和陷阱探测器依次连接至前置放大器和七位半电压表。
可选地，所述LDLS激光驱动光源的光谱范围为170nm-2100nm。
可选地，所述分束器采用10％透过，90％反射的分光镜，透射光进入积分球用于测量黑材料吸收率，反射光用作监视光。
可选地，所述积分球包括：光源入孔、样品测试孔、镜面反射吸收孔、探测器孔；
其中，光源入孔、样品测试孔、镜面反射光吸收孔和两个反射镜在同一平面内；
样品测试孔、镜面反射吸收孔和第二反射镜互成60°角分布，构成等边三角形；
光源入孔和第一反射镜在该等边三角形的中位线上；
所述陷阱探测器在过该等边三角形中点的该平面的法线上。
可选地，在可见光波段，所述监视探测器和陷阱探测器均为Si陷阱探测器。
可选地，在近红外波段，所述监视探测器和陷阱探测器均为InGaAs陷阱探测器。
基于上述装置，本发明还提出了一种平面黑材料光学参数测试方法，包括以下步骤：
首先，设置单色仪波长λi，依次测量并记录：样品测试孔和镜面反射光吸收孔空载时的参考电压
Figure BDA0001867083140000031
和背景电压
Figure BDA0001867083140000032
样品测试孔和镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure BDA0001867083140000033
和白板电压
Figure BDA0001867083140000034
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure BDA0001867083140000035
和全反射电压
Figure BDA0001867083140000036
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置黑体腔时的参考电压
Figure BDA0001867083140000037
和漫反射电压
Figure BDA0001867083140000038
然后，利用监视探测器的电压值对背景电压、白板电压、全反射电压和漫反射电压进行修正，获得：
参考背景修正电压：
Figure BDA0001867083140000041
白板反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000042
样品全反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000043
样品漫反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000044
接下来，白板黑材料全反射率ρ(λ)、漫反射率ρD(λ)在波长λi下的计算公式如下：
Figure BDA0001867083140000045
其中，
Figure BDA0001867083140000046
为标准漫反射白板在波长λi下的反射率，为已知标准量；
接下来，根据公式(1)—(4)，用原始测量电压来表示各修正电压值，获得待测平面黑材料在波长λi下的全反射率和漫反射率计算公式如下：
Figure BDA0001867083140000051
相应地，待测白板黑材料波长λi下的吸收率α(λi)＝1-ρ(λi)；镜面反射率ρS(λi)＝ρ(λi)-ρD(λi)；通过测量和计算黑材料在波长λi不同位置lj下的全反射率ρ(λilj)，通过如下公式计算材料的全反射率非均匀性指标NUρ(λilj)：
Figure BDA0001867083140000052
同理，获得材料吸收率非均匀性指标NUα(λilj)，漫反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000053
镜面反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000054
根据上述步骤，依次改变单色仪输出波长λ，获得黑体腔在波长范围内的光谱吸收率、光谱漫反射率、光谱镜面反射率。
可选地，所述波长范围为170nm-2100nm。
可选地，依次改变单色仪输出波长λ，获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率α(λ)＝[α(λ170)...(λi)...(λ2100)]，光谱漫反射率ρD(λ)＝[ρD(λ170)...ρD(λi)...ρD(λ2100)]，光谱镜面反射率ρS(λ)＝[ρS(λ170)...ρS(λi)...ρS(λ2100)]，170nm＜i＜2100nm。
本发明的有益效果是：
可实现平面黑材料宽波段下综合光学参数测试，有助于提高黑体腔吸收率和低温辐射计的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种光学参数测试装置的结构示意图；
图2为积分器内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了光学参数测试装置的一个可选实施例。
该可选实施例中，所述光学参数测试装置包括：LDLS激光驱动光源、单色仪、光束准直系统、分束器2、积分球6、吸收率高于0.9999的黑体吸收腔10、陷阱探测器7、反射镜8、控制器、监视探测器、前置放大器、七位半电压表、工控机。
所述LDLS激光驱动光源输出复色光，依次经单色仪、准直系统和分束器2后分别进入监视探测器和积分球6，并使得测量光束从积分球光源入孔3经两次反射后从样品测试孔4中心穿过，在远离积分球位置倾斜放置高吸收比的黑体腔10，确保出射光不会反射进入积分球。在积分球探测器端放置陷阱探测器7，并将监视探测器和陷阱探测器7依次连接至前置放大器和七位半电压表。待光路稳定后同时记录监视探测器和陷阱探测器的电压读数
Figure BDA0001867083140000071
和
Figure BDA0001867083140000072
其中，所述光学参数测试装置的光源采用LDLS激光驱动光源，可选地，所述LDLS激光驱动光源的光谱范围为170nm-2100nm，每纳米输出功率约10mW。
可选地，所述分束器采用10％透过，90％反射的分光镜，透射光进入积分球用于测量黑材料吸收率，反射光用作监视光。
可选地，在可见光波段，所述监视探测器和陷阱探测器均为Si陷阱探测器，测量不确定度优于0.02％@633nm；在近红外波段，所述监视探测器和陷阱探测器均为InGaAs陷阱探测器，测量不确定度优于0.03％@1064nm。陷阱探测器受入射光角度和偏振度影响极小，探测稳定性高。
可选地，所述积分球6包括：光源入孔3、样品测试孔4、镜面反射吸收孔9、探测器孔；其中光源入孔3、样品测试孔4、镜面反射光吸收孔9和两个反射镜8在同一平面内；样品测试孔4、镜面反射吸收孔9和第二反射镜8-2互成60°角分布，构成等边三角形；光源入孔3和第一反射镜8-1在该等边三角形的中位线上；第二陷阱探测器7在过该等边三角形中点的该平面的法线上。
本发明的光学参数测试装置，采用LDLS激光驱动光源和单色仪作为平面黑材料光学参数测试光源，将传统方法单波长点下的光学参数测量扩展为170nm-2100nm宽谱带下的光学参数测量，可实现黑材料光谱吸收率、光谱漫反射率和光谱镜面反射率和非均匀性等指标的综合测试；用Si/InGaAs陷阱探测器代替传统的Si/InGaAs探测器，在光路中添加监视参考光，可大幅提高黑材料光学参数测试精度，减小因入射光入射角度和偏振度等因素对测量结果带来的影响。
本发明还提出了一种基于上述光学参数测试装置的测试方法，包括以下步骤：
首先，设置单色仪波长λi(例如170nm≤λi≤2100nm)，依次测量并记录：样品测试孔和镜面反射光吸收孔空载时的参考电压
Figure BDA0001867083140000081
和背景电压
Figure BDA0001867083140000082
样品测试孔和镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure BDA0001867083140000083
和白板电压
Figure BDA0001867083140000084
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure BDA0001867083140000085
和全反射电压
Figure BDA0001867083140000086
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置黑体腔时的参考电压
Figure BDA0001867083140000087
和漫反射电压
Figure BDA0001867083140000088
如表1所示。
表1
Figure BDA0001867083140000091
然后，利用监视探测器的电压值对背景电压、白板电压、全反射电压和漫反射电压进行修正。
参考背景修正电压：
Figure BDA0001867083140000092
白板反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000093
样品全反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000094
样品漫反射修正电压：
Figure BDA0001867083140000095
接下来，白板黑材料全反射率ρ(λ)、漫反射率ρD(λ)在波长λi下的计算公式如下：
Figure BDA0001867083140000096
其中，
Figure BDA0001867083140000101
为标准漫反射白板在波长λi下的反射率，为已知标准量。
接下来，根据公式(1)—(4)，用原始测量电压来表示各修正电压值，可获得待测平面黑材料在波长λi下的全反射率和漫反射率计算公式如下：
Figure BDA0001867083140000102
相应地，待测白板黑材料波长λi下的吸收率α(λi)＝1-ρ(λi)；镜面反射率ρS(λi)＝ρ(λi)-ρD(λi)。通过测量和计算黑材料在波长λi不同位置lj下的全反射率ρ(λilj)，可通过如下公式计算材料的全反射率非均匀性指标NUρ(λilj)，如下：
Figure BDA0001867083140000103
类似地，可获得材料吸收率非均匀性指标NUα(λilj)，漫反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000104
镜面反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000105
计算公式如下：
Figure BDA0001867083140000111
其中，α(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的吸收率，ρD(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的漫反射率，ρs(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的镜面反射率。
根据上述方法，依次改变单色仪输出波长λ，可获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率α(λ)＝[α(λ170)...(λi)...(λ2100)]，光谱漫反射率ρD(λ)＝[ρD(λ170)...ρD(λi)...ρD(λ2100)]，光谱镜面反射率ρS(λ)＝[ρS(λ170)...ρS(λi)...ρS(λ21000)]，170nm＜i＜2100nm。
下面给出本发明光学参数测试方法的一个具体实施例。
该实施例包括以下步骤：
步骤一，待光路稳定后，同时记录监视探测器和陷阱探测器的电压读数
Figure BDA0001867083140000112
和
Figure BDA0001867083140000113
步骤二，分别在样品测试孔和镜面反射光吸收孔放置白板，待光路稳定后同时记录监视探测器和陷阱探测器的电压读数
Figure BDA0001867083140000121
和
Figure BDA0001867083140000122
步骤三：分别在样品测试孔和镜面反射光吸收孔放置待测样品5和标准白板1，待光路稳定后，同时记录监视探测器和陷阱探测器的电压读数
Figure BDA0001867083140000123
和
Figure BDA0001867083140000124
步骤四：分别在样品测试孔和镜面反射光吸收孔待测样品5和黑体腔10，待光路稳定后，同时记录监视探测器和陷阱探测器的电压读数
Figure BDA0001867083140000125
和
Figure BDA0001867083140000126
步骤五：根据上述步骤测得的电压值和标准白板在170nm处的反射率值
Figure BDA0001867083140000127
可计算得出黑材料在170nm处的全反射率ρ(λ170)和漫反射率ρD(λ170)：
Figure BDA0001867083140000128
步骤六：通过计算可获得白板黑材料170nm下的吸收率α(λ170)＝1-ρ(λ170)；镜面反射率ρS(λ170)＝ρ(λ170)-ρD(λ170)。
步骤七：通过测量和计算黑材料在170nm不同位置lj下的n次全反射率ρ(λ170lj)，可通过如下公式计算材料的全反射率非均匀性指标NUρ(λ170lj)，如下：
Figure BDA0001867083140000129
同理，可获得材料在170nm处的吸收率非均匀性指标NUα(λ170)，漫反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000131
镜面反射率非均匀性指标
Figure BDA0001867083140000132
步骤八：调整单色仪输出波长，步进1nm，重复上述操作步骤，测得黑材料在其它波长处的吸收率α(λ)＝[α(λ170)...(λi)...(λ2100)]，漫反射率ρD(λ)＝[ρD(λ170)...ρD(λi)...ρD(λ2100)]，镜面反射率ρs(λ)＝[ρS(λ170)...ρS(λi)...ρS(λ2100)]，吸收率非均匀性NUα(λ)＝UNα(λ170)...NUα(λi)...NUα(λ2100)，漫反射率非均匀性
Figure BDA0001867083140000133
镜面反射率非均匀性
Figure BDA0001867083140000134
本发明的光学参数测试方法，可实现平面黑材料宽波段下综合光学参数测试，有助于提高黑体腔吸收率和低温辐射计的测量精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种平面黑材料光学参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，设置单色仪波长λi，依次测量并记录：样品测试孔和镜面反射光吸收孔空载时的参考电压
Figure FDA0002945493360000011
和背景电压
Figure FDA0002945493360000012
样品测试孔和镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure FDA0002945493360000013
和白板电压
Figure FDA0002945493360000014
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置白板时的参考电压
Figure FDA0002945493360000015
和 全反射电压
Figure FDA0002945493360000016
样品测试孔放置样品、镜面反射光吸收孔放置黑体腔时的参考电压
Figure FDA0002945493360000017
和漫反射电压
Figure FDA0002945493360000018
然后，利用监视探测器的电压值对背景电压、白板电压、全反射电压和漫反射电压进行修正，获得：
参考背景修正电压：
Figure FDA0002945493360000019
白板反射修正电压：
Figure FDA00029454933600000110
样品全反射修正电压：
Figure FDA00029454933600000111
样品漫反射修正电压：
Figure FDA00029454933600000112
接下来，白板黑材料全反射率ρ(λ)、漫反射率ρD(λ)在波长λi下的计算公式如下：
Figure FDA00029454933600000113
其中，
Figure FDA00029454933600000114
为标准漫反射白板在波长λi下的反射率，为已知标准量；
接下来，根据公式(1)-(4)，用原始测量电压来表示各修正电压值，获得待测平面黑材料在波长λi下的全反射率和漫反射率计算公式如下：
Figure FDA0002945493360000021
相应地，待测白板黑材料波长λi下的吸收率α(λi)＝1-ρ(λi)；镜面反射率ρS(λi)＝ρ(λi)-ρD(λi)；通过测量和计算黑材料在波长λi不同位置lj下的全反射率ρ(λilj)，通过如下公式计算材料的全反射率非均匀性指标NUρ(λilj)：
Figure FDA0002945493360000022
同理，获得材料吸收率非均匀性指标NUα(λilj)，漫反射率非均匀性指标NUρD(λilj)，镜面反射率非均匀性指标NUρS(λilj)，计算公式如下：
Figure FDA0002945493360000023
其中，α(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的吸收率，ρD(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的漫反射率，ρS(λilj)为黑材料在波长λi不同位置lj下的镜面反射率；
根据上述步骤，依次改变单色仪输出波长λ，获得黑体腔在波长范围内的光谱吸收率、光谱漫反射率、光谱镜面反射率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长范围为170nm-2100nm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，依次改变单色仪输出波长λ，获得黑体腔在170nm-2100nm波长范围内的光谱吸收率α(λ)＝[α(λ170)...(λi)...(λ2100)]，光谱漫反射率ρD(λ)＝[ρD(λ170)...ρD(λi)...ρD(λ2100)]，光谱镜面反射率ρS(λ)＝[ρS(λ170)...ρS(λi)...ρS(λ2100)]，170nm＜i＜2100nm。
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