CN109374266B - 一种基于光学器件响应的检测系统及方法 - Google Patents

一种基于光学器件响应的检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光学器件响应的检测系统及方法。该系统包括：支撑型角度刻盘、导轨和滑块、平行激光光源、角度传感器、带积分球光谱仪和载物台，通过该系统实现基于光学器件响应的检测方法，与现有的观测装置和检测方法相比，该系统具有体积小、重量轻、易于安装和实现的特点，同时该系统操作简便、精度高，可以实现单一光学器件的独立检测，提高检测的准确度和精度。

Description

一种基于光学器件响应的检测系统及方法
技术领域
本发明属于光学遥感实验中光辐射观测仪器技术领域，具体地，涉及辐射设备光学器件的余弦响应检测装置。
背景技术
余弦响应是光辐射测量仪器的主要性能指标之一。为了检测辐射传感器的角度响应能力，国家气象局计量站采用一种角度响应测量装置，将待测辐射仪固定在转动台上，通过转动台的旋转实现模拟光束在2π半球空间的360度方位角和90度高度角范围内的入射角度变化。
由于该类装置不能检测重量和体积较大的设备，对辐射测量仪器余弦响应检测，目前还存在以下问题：
1)只能对传感器整套设备进行余弦响应检测，不能检测某些关键光学部件，如余弦矫正器、滤光片等。在辐射传感器研制和其他需要考虑角度响应的设备中，由于部件的性能最终决定整个设备的性能，因此在部件选择的时候需要分别检测每一个光学部件的性能，需要一种可以对光学部件进行独立检测的装置和方法。
2)光源的入射角度通过电控的悬臂或旋转平台控制，需要精密的电控平台实现角度定位，这种精密的控制平台一般耗资大、体积大、成本高，比较适合专业实验室配备，对于测量需求不多的一般用户配备和使用难度较大。
本发明设计一种简便易操作的光学器件余弦响应检测手动装置和方法，可以精确实现光学器件的余弦响应检测，解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测装置和方法，解决目前单一光学器件的余弦响应无法检测和现有大多数角度检测系统存在的耗资大、体积大以及成本高的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测手动装置，该装置包括：支撑型角度刻盘、导轨和滑块、平行激光光源、角度传感器、带积分球光谱仪和载物台。
支撑型角度刻盘是一个带角度刻线的半圆盘，圆盘圆心位置镂空。角度刻盘背后带两个锯齿状固定器，圆盘上设有支撑杆，通过调整支撑杆在锯齿状固定器上的位置来调整角度刻盘的倾角，角度刻盘用于控制入射光源的天顶角和方位角。
导轨固定在圆盘外圈，为内凹式弧形导轨。
滑块带外凸式卡扣，内嵌在导轨内槽，并在弧形导轨上滑动，滑块上安装有滑块固定螺栓，在测量时通过滑块锁定螺栓将滑块固定在滑轨上，用于调整入射光源的入射角度。
滑块上开设有平行光源载光筒，平行激光光源可直接插入载光筒并固定，平行激光光源为光学器件角度响应检测提供平行入射光源。
角度传感器为电子式双轴倾角传感器，可实现天顶和方位角同时精确测量，所述角度传感器用螺栓固定在滑块正面，用于精确记录每次测量时入射光源的天顶角和方位角。
带积分球光谱仪包括带入射小孔的积分球腔体、光谱仪主机和软件系统。用于记录不同角度入射光源透过待测目标后的光强。
载物台用于固定待测光学器件，包括外框、固定臂和压片。
本发明公开了一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测方法，应用于系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定。
将支撑型角度刻盘垂直固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定。
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光。
记录角度传感器的天顶角，读数精确到0.01度。
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度。
调整滑块的位置，得到不同天顶角的入射辐射，记录角度传感器的读数和光谱仪采集到的信号。
对于每一个角度采样，光谱仪记录了入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该角度下，透过待检测光学器件的辐射强度值。
其中θi是入射光的天顶角，由角度传感器采集。Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度。λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长。
计算光学器件的余弦响应。
其中δ(θi)是θi的响应度，Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；Eλ(0°)是入射光垂直入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。对于特定的入射天顶角θi，比较δ(θi)和cosθi之间的偏差，偏差越小，则该光学器件的余弦响应性能越好。
本发明还公开了一种基于角度传感器的光学器件方位响应检测方法，应用于系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上。具体方法为：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定。
调整支撑型角度刻盘的倾角，并用锯齿状固定器和支撑杆固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定。
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光。
记录角度传感器的天顶角和方位角，读数精确到0.01度。
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度。
调整支撑型角度刻盘的倾角和滑块的位置，得到不同入射天顶角和方位角的入射辐射，记录光谱仪采集到的信号。
对于每一个入射天顶角，光谱仪记录了不同入射方位角入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该入射天顶角和方位角下，透过待检测光学器件的辐射强度值。
其中θi，是入射光的天顶角和方位角，由角度传感器采集。是入射光在θi，角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度。λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长。
光学器件的方位响应度的计算方法为：
比较同一入射天顶角、不同入射方位角下，光谱仪接收到的辐射信号的大小。统计其标准差，标准差越小，说明光学器件的方位一致性越好。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为检测系统的正视图图。
图2为检测系统的侧视图。
图3为检测系统的背视图。
图4是角度刻盘垂直固定示意图。
图5是滑块和导轨的剖视图。
图6是载物台的俯视图。
图7是载物台的侧视图。
图8是检测系统的俯视图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
应当理解的是，在说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应当理解为具有在字典中限定的含义，而应理解为在以下原则的基础上具有与其在本发明上下文中的含义一致的含义：术语的概念可以适当地由发明人为了对本发明的最佳说明而限定。
本发明公开了一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测手动装置，该装置包括：支撑型角度刻盘、导轨和滑块、平行激光光源、角度传感器、带积分球光谱仪和载物台。
进一步地，支撑型角度刻盘是一个带角度刻线的半圆盘，圆盘圆心位置镂空。角度刻盘背后带两个锯齿状固定器，圆盘上设有支撑杆，通过调整支撑杆在锯齿状固定器上的位置来调整角度刻盘的倾角，角度刻盘用于控制入射光源的天顶角和方位角。
进一步地，导轨固定在圆盘外圈，为内凹式弧形导轨。
进一步地，滑块带外凸式卡扣，内嵌在导轨内槽，并在弧形导轨上滑动，滑块上安装有滑块固定螺栓，在测量时通过滑块锁定螺栓将滑块固定在滑轨上，用于调整入射光源的入射角度。
进一步地，滑块上开设有平行光源载光筒，平行激光光源可直接插入载光筒并固定，平行激光光源为光学器件角度响应检测提供平行入射光源。
进一步地，角度传感器为电子式双轴倾角传感器，可实现天顶和方位角同时精确测量，所述角度传感器用螺栓固定在滑块正面，用于精确记录每次测量时入射光源的天顶角和方位角。
进一步地，带积分球光谱仪包括带入射小孔的积分球腔体、光谱仪主机和软件系统。用于记录不同角度入射光源透过待测目标后的光强。
进一步地，载物台用于固定待测光学器件，包括外框、固定臂和压片。
图1是本发明系统的正视图，一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测手动装置由支撑型角度刻盘、导轨和滑块、平行激光光源、角度传感器、带积分球光谱仪和载物台组成。他们之间的位置关系是：载物台和支撑型角度刻盘放置在积分球光谱仪的积分球上方，载物台用吸盘固定在带积分球光谱仪的积分球腔体外平面上，载物台中心与积分球入射小孔完全重合。支撑型角度刻盘放置在载物台上，载物台外框设有角度刻盘固定凹槽，支撑型角度刻盘放置在凹槽内，避免角度刻盘在倾斜时发生位移。导轨为与角度刻盘外圈完全贴合的弧形导轨，在加工时可加工成与角度刻盘一体，也可单独加工然后用螺丝固定在角度刻盘外圈。导轨带内凹式卡槽，滑块通过其外凸式卡扣固定在导轨上。平行激光光源固定在滑块上的平行光源载光筒内，角度传感器通过螺栓固定在滑块上表面。平行光源载光筒与角度传感器方向一致，均与导轨切线垂直。安装完成后，载物台中心与积分球入射小孔、角度刻盘原点重合，平行激光光源产生的入射光源正好入射到该重合点。
图2是本发明系统的侧视图。支撑型角度刻盘由角度刻盘，前、后锯齿状固定器，支撑杆固定器，支撑杆组成。其中角度刻盘为带角度刻度的半圆形刻度盘，刻度范围为-90°-+90°，以角度刻盘原点为中心做半径为10cm的镂空处理，以便待检测目标的安装和固定。
前、后锯齿状固定器安装在角度刻盘两侧，后锯齿较密，用于实现角度刻盘不同倾角的控制；前锯齿状固定器只有一个锯齿，用于角度刻盘垂直固定。
带刻度角度刻盘上有支撑杆固定器，如图3所示。角度刻盘正面和背面各有两个支撑杆固定器，分别固定在角度刻盘左右两侧，具体安装在锯齿状固定器的正上方，其中角度刻盘正面的支撑杆固定器只在需要垂直固定角度刻盘时使用，其他角度测量时可以拆卸，如图4所示。
图5是滑块和导轨和剖视图，角度刻盘外圈安装有弧形导轨，导轨与角度刻盘外圈完全贴合，具体可通过与角度刻盘一体加工的方式或用螺栓固定的方式实现。导轨带内凹式卡槽，滑块带外凸式卡扣，滑块通过外凸式卡扣与导轨链接，并可在导轨内滑动。测量时，当需要滑块固定在某一角度时，拧紧滑块上的滑块固定螺栓，可实现任意角度的滑块固定。
滑块上设有平行光源载光筒，平行光源载光筒为圆柱形腔体，腔体直径为12mm，长度与滑块长度一致。使用时，平行激光光源从顶部推入，并通过平行激光光源自身的弹片开关固定在平行光源载光筒内壁，形成入射到角度刻盘原点的平行入射光源。
角度传感器为电子式双轴倾角传感器，为长方体。
导轨上安装滑块，滑块上有平行光源载光筒，角度传感器用螺丝固定在滑块上，如图2所示。
图6是载物台的俯视图，载物台包括外框，四个固定臂和相应的压片。其中外框上设有角度刻盘固定凹槽，角度刻盘。
本发明公开了一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测方法，应用于系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定。
将支撑型角度刻盘垂直固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定。
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光。
记录角度传感器的天顶角，读数精确到0.01度。
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度。
调整滑块的位置，得到不同天顶角的入射辐射，记录光谱仪采集到的信号。
进一步地，对于每一个角度采样，光谱仪记录了入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该角度下，透过待检测光学器件的辐射强度值。
其中θi是入射光的天顶角，由角度传感器采集。Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度。λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长。
进一步地，计算光学器件的余弦响应。
其中δ(θi)是θi的响应度，Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；Eλ(0°)是入射光垂直入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。
对于特定的入射天顶角θi，比较δ(θi)和cosθi之间的偏差，偏差越小，则该光学器件的余弦响应性能越好。
本发明还公开了一种基于角度传感器的光学器件方位响应检测方法，应用于系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上。具体方法为：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定。
调整支撑型角度刻盘的倾角，并用锯齿状固定器和支撑杆固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定。
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光。
记录角度传感器的天顶角和方位角，读数精确到0.01度。
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度。
调整支撑型角度刻盘的倾角和滑块的位置，得到不同入射天顶角和方位角的入射辐射，记录光谱仪采集到的信号。
进一步地，对于每一个入射天顶角采样，光谱仪记录了不同入射方位角入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该入射天顶角和方位角下，透过待检测光学器件的辐射强度值。
进一步地，其中θi，是入射光的天顶角和方位角，由角度传感器采集。是入射光在θi，角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度。是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度。λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长。
光学器件的方位响应度的计算方法为：
比较同一入射天顶角、不同入射方位角下，光谱仪接收到的辐射信号的大小。统计其标准差，标准差越小，说明光学器件的方位一致性越好。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (3)

1.一种基于光学器件响应的检测系统，其特征在于，所述系统包括：支撑型角度刻盘、导轨和滑块、平行激光光源、角度传感器、带积分球光谱仪和载物台；
支撑型角度刻盘是一个带角度刻线的半圆盘，圆盘圆心位置镂空；角度刻盘背后带两个锯齿状固定器，圆盘上设有支撑杆，通过调整支撑杆在锯齿状固定器上的位置来调整角度刻盘的倾角，角度刻盘用于控制入射光源的天顶角和方位角；
导轨固定在圆盘外圈，为内凹式弧形导轨；
滑块带外凸式卡扣，内嵌在导轨内槽，并在弧形导轨上滑动，滑块上安装有滑块固定螺栓，在测量时通过滑块锁定螺栓将滑块固定在滑轨上，用于调整入射光源的入射角度；
滑块上开设有平行光源载光筒，平行激光光源可直接插入载光筒并固定，平行激光光源为光学器件角度响应检测提供平行入射光源；
角度传感器为电子式双轴倾角传感器，可实现天顶和方位角同时精确测量，所述角度传感器用螺栓固定在滑块正面，用于精确记录每次测量时入射光源的天顶角和方位角；
带积分球光谱仪包括带入射小孔的积分球腔体、光谱仪主机和软件系统；用于记录不同角度入射光源透过待测目标后的光强；
载物台用于固定待测光学器件，包括外框、固定臂和压片。
2.一种基于角度传感器的光学器件余弦响应检测方法，应用于权利要求1所述的系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定；
将支撑型角度刻盘垂直载物台固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定；
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光；
记录角度传感器的天顶角，读数精确到0.01度；
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度；
调整滑块的位置，得到不同天顶角的入射辐射，记录角度传感器的读数和光谱仪采集到的信号；
对于每一个角度采样，光谱仪记录了入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该角度下，透过待检测光学器件的辐射强度值；
其中θi是入射光的天顶角，由角度传感器采集；Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度；λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长；
计算光学器件的余弦响应；
其中δ(θi)是θi的响应度，Eλ(θi)是入射光在θi角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；Eλ(0°)是入射光垂直入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；对于特定的入射天顶角θi，比较δ(θi)和cosθi之间的偏差，偏差越小，则该光学器件的余弦响应性能越好。
3.一种基于角度传感器的光学器件方位响应检测方法，应用于权利要求1所述的系统，包括：
将待检测光学器件固定在载物台上；具体方法为：将待检测光学器件放置在载物台中心、积分球入射小孔上方，用载物台压片将待检测光学器件固定；
调整支撑型角度刻盘的倾角，并用锯齿状固定器和支撑杆固定；将滑块沿导轨滑动，并用螺栓固定；
将平行激光光源插入平行光源载光筒，得到入射于待检测光学目标中心的平行入射光；
记录角度传感器的天顶角和方位角，读数精确到0.01度；
用带积分球光谱仪记录平行入射光透过待检测光学器件的强度；
调整支撑型角度刻盘的倾角和滑块的位置，得到不同入射天顶角和方位角的入射辐射，记录光谱仪采集到的信号；
对于每一个入射天顶角，光谱仪记录了不同入射方位角入射光波段范围内的辐射强度，将该波段范围内的辐射强度进行积分，得到该入射天顶角和方位角下，透过待检测光学器件的辐射强度值；
其中θi，是入射光的天顶角和方位角，由角度传感器采集；是入射光在θi，角度下入射到待检测光源后被积分球光谱仪检测到的总的辐射强度；是光谱仪检测到的λi波段上的辐射强度；λ1和λ2分别是入射光的起始和结束波长；
光学器件的方位响应度的计算方法为：
比较同一入射天顶角、不同入射方位角下，光谱仪接收到的辐射信号的大小；统计其标准差，标准差越小，说明光学器件的方位一致性越好。
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