CN109443703A - 一种透过率和反射率的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透过率和反射率的检测装置和检测方法，一种透过率和反射率的检测装置，利用分光镜将入射光一分为二，一路作为参照光路、另一路作为测试光路。本发明透过率和反射率的检测装置，即可实现对平面元件透射率和反射率的检测，也可实现对曲面元件透射率和反射率的检测，且无需陪镀片，大大降低了镀膜成本，镀膜时不再需要额外的平面陪镀片；进一步，本申请还可在全波段工作。

Description

一种透过率和反射率的检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种透过率和反射率的检测装置和检测方法，属于光学零件质量检测领 域。

背景技术

物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，称为反射率，不同物体的反射率也不同， 这主要取决于物体本身的性质(表面状况)，以及入射电感波的波长和入射角度；透射是入 射光经过折射穿过物体后的出射现象，为了表示透明体透过光的程度，通常用透过后的光 通量与入射光通量之比τ来表征物体的透光性质，τ称为光透射率。反射率和透射率是光 学镜片的重要性能指标，目前国内外用于检测光学零件的透过率或者反射率的设备都是只 能测试平面元件，尚不能检测曲面光学镜片。

同时现有市面上的相关检测设备都是单波段的检测设备，根据200～400nm的紫外光 区、400～760nm的可见光区和2.5～25μm的红外光区的不同使用要求，需配备不同的 检测设备，使检测成本大幅度提升。

发明内容

为了解决现有技术中不能检测曲面光学镜片反射率和透射率的缺陷，本发明提供一 种透过率和反射率的检测装置和检测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种透过率和反射率的检测装置，利用分光镜将入射光一分为二，一路作为参照光路、 另一路作为测试光路。

上述方法将入射光一分为二，使得测量结果具有时间的不相关性，利用双光束参比法 测量光学元件的透过率、反射率。

本申请装置适于平面和曲面光学镜片的透过率和反射率的检测，可在全波段下工作。

优选，透过率和反射率的检测装置，包括光束整形透镜、分光镜、第一光电探测器和 第二光电探测器；光束整形透镜和分光镜沿光的入射光方向依次设置，第一光电探测器设 在分光镜的投射光路上，第二光电探测器设在分光镜的反射光路上。

光束整形透镜可实现光束的扩束、整形等功能。

光束整形透镜和分光镜沿光的入射光方向依次设置也即入射光先经过光束整形透镜 后，再进入分光镜，进入分光镜的光一部分被反射、形成分光镜的反射光路，一部分被投 射、形成分光镜的投射光路。

上述检测装置入射光经光束整形透镜整形后，被分光镜分为两路，一路为分光镜的投 射光路，一路为分光镜的反射光路，投射光路中的光最终进入第一光电探测器，反射光路 中的光最终进入第二光电探测器。

为了提高测试的准确性，分光镜的镜面与光束整形透镜的中心轴线之间的夹角为45°

为了进一步提高测试的准确性，沿光的入射方向，光束整形透镜包括依次相接的第一 透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜和第二透镜的中心间距为零；第二透镜 和第三透镜的中心间距为5-6mm；第三透镜和第四透镜的中心间距为5-6mm。

本申请的中心间距指相邻两透镜的相邻两面的中心之间的距离。

进一步优选，沿光的入射方向，第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第二透镜 包括相对的第三曲面和第四曲面，第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第四透镜包 括相对的第七曲面和第八曲面；第一曲面的曲率半径为-28.2毫米，第二曲面的曲率半径 为25.5毫米，第一透镜的中心厚度为4.5毫米；第三曲面的曲率半径为100.3毫米，第四曲面的曲率半径为-12.6毫米，第二透镜的中心厚度为5毫米；第五曲面的曲率半径为-35.6毫米，第六曲面的曲率半径为-150.73毫米，第三透镜的中心厚度为2毫米；第七曲面的 曲率半径为80.04毫米，第八曲面的曲率半径为-30.6毫米，第四透镜的中心厚度为4毫 米。

本申请中心厚度指透镜中心处的厚度。

一种透过率和反射率的检测方法，利用上述透过率和反射率的检测装置，将待测元件 置于测试光路中进行测试。

检测时，入射光线经光束整形透镜整形后，一部分被分光镜投射、形成透射光路，一 部分被分光镜反射、形成反射光路；待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光 路中，透射光路中的光经待测元件投射或反射后被第一光电探测器接受，这一路作为测量 光强；反射光路中的光被第二光电探测器接受，这一路作为参考光强。

本申请也可以将透射光路作为参考光强，将反射光路作为测量光强。

作为常识，光电探测器包括光电池、互阻放大电路等，本申请的光电探测器直接使用 现有的市售产品即可，光电探测器接受光线后，由光电池输出的光电流分别被互阻放大电 路线性转化为电压，然后可通过板载ADC进行模数转换，由嵌入式MCU进行计算再输 入给PC机显示出来，本领域技术人员结合本申请的内容及现有技术可以毫无疑问的再现。 当然，本申请也可通过直接读取光电探测器的数据来计算透射率和反射率。

测量时，通过调节待测元件的位置，以及第一光电探测器的位置，实现测量。测量透 射率时，只需把投射光路中的第一光电探测器旋转到待测原件的透射光线能被第一光电探 测器直接接收即可；测量反射率时，待测元件不能与反射光路平行或垂直，也即要保证分 光镜出来的透射光能被待测元件反射，且反射角不为90°，把投射光路中的第一光电探 测器旋转到待测原件的反射光线能被第一光电探测器直接接收即可。优选，测量透射率时， 待测元件垂直于投射光路，被分光镜投射的光线经待测元件投射后进入第一光电探测器； 测量反射率时，待测元件从垂直于投射光路的位置顺时针旋转θ，移动第一光电探测器， 使被分光镜投射的光线经待测元件反射后进入第一光电探测器。

相对于测量透射率时的位置，测量反射率时，第一光电探测器的位置逆时针旋转了 180-2θ的角度。

测量过程中，第一光电探测器和第二光电探测器均可有-50～50mm的行程。这样便于 收集所有的光能量。

设入射光线光强值为P，光电探测器的光电池的输出电流值与其接收光强值成正比， 则第一光电探测器的光电池输出电流可表示为I1＝K1×T分×P，第二光电探测器的光电 池输出电流可表示为I2＝K2×R分×P，其中，K1、K2分别为第一光电探测器和第二光 电探测器的光电池光强/光电流线性转换因子，T分是分光镜透射率，R分是分光镜反射 率，P是光源的光强，光电池输出电流经过互阻放大电路线性放大后，输出一个电压信号， 第一光电探测器输出电压信号V1＝I1×Rf1，第二光电探测器输出电压信号V2＝I2×Rf2， 其中，Rf1，Rf2分别为投射光路和反射光路的互阻放大电路电流/电压线性转换因子， 俗称放大倍数。

作为优选，投射率采用如下方法测试：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入 到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生 了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光 的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P； (2-1)

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P； (2-2)

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光 电探测器的放大倍数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样 品的透过率是T‘，保持投射光路的第一光电探测器的光电池旋臂不动，使它可以完全接收待测元件的透射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则此时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1透＝Rf1×K1×T‘×T分×P源×α； (2-3)

第二光电探测器的输出电压信号V2透＝Rf2×K2×R分×P源×α； (2-4)

透射率T‘＝(V1透/V2透)/(V1始/V2始) (2-5)；

将上述式2-1,式2-2，式2-3，式2-4代入式2-5，可以明确看出，入射光的光强波动对测量结果几乎是没有任何影响的，因为波动因子α在计算过程中被消掉了。

优选，反射率采用如下方法测试：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入 到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生 了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光 的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P；

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P；

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光 电探测器的放大倍数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样 品的反过率是R‘，调整投射光路中第一光电探测器的位置，使第一光电探测器的光电池可以完全接收待测元件的反射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α 倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1反＝Rf1×K1×R‘×T分×P源×α；

第二光电探测器的输出电压信号V2反＝Rf2×K2×R分×P源×α；

反射率R‘＝(V1反/V2反)/(V1始/V2始)。

利用本申请方法测量时，无需陪镀片。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明透过率和反射率的检测装置，即可实现对平面元件透射率和反射率的检测， 也可实现对曲面元件透射率和反射率的检测，且无需陪镀片，大大降低镀膜成本，镀膜时不再需要额外的平面陪镀片；进一步，本申请可在全波段工作。

附图说明

图1为本发明透过率和反射率的检测装置的结构示意图；

图2为透射率测试示意图；

图3为反射率测试示意图；

图中，1为第一透镜、2为第二透镜、3为第三透镜、4为第四透镜、5为进光口、6 为分光镜、7为透射光路、8为反射光路、9为第一光电探测器、10为第二光电探测器、 11为待测元件、12为入射光、双向箭头表示位置可调；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容 不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-3所示的透过率和反射率的检测装置，包括光束整形透镜、分光镜、第一光电 探测器(PMT)和第二光电探测器(PMT)；光束整形透镜和分光镜沿光的入射光方向依 次设置，第一光电探测器设在分光镜的投射光路上，第二光电探测器设在分光镜的反射光 路上；分光镜的镜面与光束整形透镜的中心轴线之间的夹角为45°；

沿光的入射方向，光束整形透镜包括依次相接的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第 四透镜；第一透镜和第二透镜的中心间距为零；第二透镜和第三透镜的中心间距为5.5mm； 第三透镜和第四透镜的中心间距为5.5mm。

沿光的入射方向，第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第二透镜包括相对的第 三曲面和第四曲面，第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第四透镜包括相对的第七 曲面和第八曲面；第一曲面的曲率半径为-28.2毫米，第二曲面的曲率半径为25.5毫米， 第一透镜的中心厚度为4.5毫米；第三曲面的曲率半径为100.3毫米，第四曲面的曲率半 径为-12.6毫米，第二透镜的中心厚度为5毫米；第五曲面的曲率半径为-35.6毫米，第六曲面的曲率半径为-150.73毫米，第三透镜的中心厚度为2毫米；第七曲面的曲率半径为80.04毫米，第八曲面的曲率半径为-30.6毫米，第四透镜的中心厚度为4毫米。测试时， 入射光光源到第八曲面中心的距离为100.0171毫米。

本申请中心厚度指透镜中心处的厚度。

反射率和透射率的检测方法为：入射光线经光束整形透镜整形后，一部分被分光镜投 射、形成透射光路，一部分被分光镜反射、形成反射光路；待测元件置于分光镜和第一光 电探测器之间的投射光路中，透射光路中的光经待测元件投射或反射后被第一光电探测器 接受，这一路作为测量光强；反射光路中的光被第二光电探测器接受，这一路作为参考光 强。

测量时，通过透过调节待测元件的位置，以及第一光电探测器的位置，实现测量。测 量透射率时，只需把投射光路中的第一光电探测器旋转到待测原件的透射光线能被第一光 电探测器直接接收即可；测量反射率时，待测元件不能与反射光路平行或垂直，也即要保 证分光镜出来的透射光能被待测元件反射，且反射角不为90°，把投射光路中的第一光 电探测器旋转到待测原件的反射光线能被第一光电探测器直接接收即可。优选，测量透射 率时，待测元件垂直于投射光路，被分光镜投射的光线经待测元件投射后进入第一光电探 测器；测量反射率时，待测元件从垂直于投射光路的位置顺时针旋转θ，移动第一光电探测器，使被分光镜投射的光线经待测元件反射后进入第一光电探测器。相对于测量透射率时的位置，测量反射率时，第一光电探测器的位置逆时针旋转了180-2θ的角度。

测量过程中，第一光电探测器和第二光电探测器均可有-50～50mm的行程。这样便于 收集所有的光能量。光电探测器直接使用现有市售产品，作为常识，光电探测器包括光电 池、互阻放大电路等，光电探测器接受光线后，由光电池输出的光电流分别被互阻放大电 路线性转化为电压，可直接读取数据，也可通过板载ADC(双通道可以同时转换)进行 模数转换，由嵌入式STM32MCU进行计算再输入给PC机显示出来。

投射率的具体测试方法如下：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入 到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生 了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光 的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P； (2-1)

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P； (2-2)

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光 电探测器的放大倍数；T、R、K1、K2、Rf1和Rf2均为已知参数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样 品的透过率是T‘，保持投射光路的第一光电探测器的光电池旋臂不动，使它可以完全接收待测元件的透射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则此时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1透＝Rf1×K1×T‘×T分×P源×α； (2-3)

第二光电探测器的输出电压信号V2透＝Rf2×K2×R分×P源×α； (2-4)

透射率T‘＝(V1透/V2透)/(V1始/V2始) (2-5)；

也即通过两步读取的电压值可直接计算得到待测元件的透射率。

同理，反射率的具体测试方法如下：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入 到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生 了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光 的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P；

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P；

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光 电探测器的放大倍数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样 品的反过率是R‘，调整投射光路中第一光电探测器的位置，使第一光电探测器的光电池可以完全接收待测元件的反射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α 倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1反＝Rf1×K1×R‘×T分×P源×α；

第二光电探测器的输出电压信号V2反＝Rf2×K2×R分×P源×α；

反射率R‘＝(V1反/V2反)/(V1始/V2始)。

也即通过两步读取的电压值可直接计算得到待测元件的反射率，对待测元件是平面还 是曲面没有任何要求，测量简单、快速，同时还可在全波段工作。

Claims (10)

1.一种透过率和反射率的检测装置，其特征在于：利用分光镜将入射光一分为二，一路作为参照光路、另一路作为测试光路。

2.如权利要求1所述的透过率和反射率的检测装置，其特征在于：包括光束整形透镜、分光镜、第一光电探测器和第二光电探测器；光束整形透镜和分光镜沿光的入射光方向依次设置，第一光电探测器设在分光镜的投射光路上，第二光电探测器设在分光镜的反射光路上。

3.如权利要求2所述的透过率和反射率的检测装置，其特征在于：分光镜的镜面与光束整形透镜的中心轴线之间的夹角为45°。

4.如权利要求2或3所述的透过率和反射率的检测装置，其特征在于：沿光的入射方向，光束整形透镜包括依次相接的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜和第二透镜的中心间距为零；第二透镜和第三透镜的中心间距为5-6mm；第三透镜和第四透镜的中心间距为5-6mm。

5.如权利要求4所述的透过率和反射率的检测装置，其特征在于：沿光的入射方向，第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第二透镜包括相对的第三曲面和第四曲面，第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第四透镜包括相对的第七曲面和第八曲面；第一曲面的曲率半径为-28.2毫米，第二曲面的曲率半径为25.5毫米，第一透镜的中心厚度为4.5毫米；第三曲面的曲率半径为100.3毫米，第四曲面的曲率半径为-12.6毫米，第二透镜的中心厚度为5毫米；第五曲面的曲率半径为-35.6毫米，第六曲面的曲率半径为-150.73毫米，第三透镜的中心厚度为2毫米；第七曲面的曲率半径为80.04毫米，第八曲面的曲率半径为-30.6毫米，第四透镜的中心厚度为4毫米。

6.一种透过率和反射率的检测方法，其特征在于：利用权利要求1-5任意一项所述的透过率和反射率的检测装置，将待测元件置于测试光路中进行测试。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于：入射光线经光束整形透镜整形后，一部分被分光镜投射、形成透射光路，一部分被分光镜反射、形成反射光路；待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中，透射光路中的光经待测元件投射或反射后被第一光电探测器接受，这一路作为测量光强；反射光路中的光被第二光电探测器接受，这一路作为参考光强。

8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于：测量透射率时，待测元件垂直于投射光路，被分光镜投射的光线经待测元件投射后进入第一光电探测器；测量反射率时，待测元件从垂直于投射光路的位置顺时针旋转θ，移动第一光电探测器，使被分光镜投射的光线经待测元件反射后进入第一光电探测器。

9.如权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于：投射率的测试方法：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P；

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P；

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光电探测器的放大倍数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样品的透过率是T‘，保持投射光路的第一光电探测器的光电池旋臂不动，使它可以完全接收待测元件的透射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则此时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1透＝Rf1×K1×T‘×T分×P源×α；

第二光电探测器的输出电压信号V2透＝Rf2×K2×R分×P源×α；

透射率T‘＝(V1透/V2透)/(V1始/V2始)。

10.如权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于：反射率的测试方法：

1)调校光路：不放入待测镜片，使投射光路和反射光路中的光线的光斑分别能进入到第一光电探测器和第二光电探测器，这样在第一光电探测器和第二光电探测器上就产生了对应的光生电压，分别计算第一光电探测器和第二光电探测器上的信号值，假设入射光的光强为P，则得到以下结果：

第一光电探测器的输出电压信号V1始＝Rf1×K1×T分×P；

第二光电探测器的输出电压信号V2始＝Rf2×K2×R分×P；

T和R分别是分光镜的透射率和反射率，K1和K2分别为第一光电探测器和第二光电探测器的的光电池光强/光电流线性转换因子；Rf1和Rf2分别第一光电探测器和第二光电探测器的放大倍数；

2)将待测元件置于分光镜和第一光电探测器之间的投射光路中进行测量，设被测样品的反过率是R‘，调整投射光路中第一光电探测器的位置，使第一光电探测器的光电池可以完全接收待测元件的反射光，再对第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压信号进行采集，设入射光的波动因子为α，则时入射光的光强值是步骤1)中信号采集时的α倍，则：

第一光电探测器的输出电压信号V1反＝Rf1×K1×R‘×T分×P源×α；

第二光电探测器的输出电压信号V2反＝Rf2×K2×R分×P源×α；

反射率R‘＝(V1反/V2反)/(V1始/V2始)。