CN109752348A - 透射比标准量具、透射比测量装置 - Google Patents

透射比标准量具、透射比测量装置 Download PDF

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李奕
林延东
张帆
孙若端
徐楠
张晓颖
毕磊
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Abstract

本发明公开了一种透射比标准量具及透射比测量装置，该透射比标准量具包括：一固定件和一个或多个遮光体，所述遮光体为扇形结构；所述遮光体设置在所述固定件上，通过旋转所述遮光体将接收的连续光调制成相应频率的光，根据所述调制的相应频率的光计算透射比及不确定度。通过在固定件上相间设置至少一个超精密加工的遮光体，设定遮光体的占比提高透射比的测量上限，大幅提升了透射比测量装置的透射比量值校准时的测量范围，同时大幅减小透射比测量装置透射比量值的测量结果不确定度，大幅提升了透射比测量装置透射比分辨率的校准能力。

Description

透射比标准量具、透射比测量装置
技术领域
本发明涉及光学计量技术领域，尤其涉及一种透射比标准量具及透射比 测量装置。
背景技术
透射比是光学计量技术领域非常重要的光学参数，是评价光学性能的重 要参数，常应用于光学元件、光学薄膜、能见度测量仪上。随着科学技术的 不断进步与发展，激光技术和光学薄膜技术得到迅速的发展，对光学元件的 透射比要求越来越高。
常见测量光学元件透射比的方法是采用分光光度法进行测量，分光光度 法是在特定波长处或一定波长范围内光的透射比，对该物质进行定性或定量 分析。分光光度计是光学计量技术领域常用于测量光学元件等介质光谱透射 比的装置。随着对光学元件的透射比要求越来越高，对类似透射比测量仪器 的高透射比参数进行高准确度定标和实时校准也提出更高的要求。
目前采用透射比较高的滤光片来校准和/或测量分光光度计或透射比测量 仪或能见度测量仪的透射比量值，因滤光片材料和表面反射的局限性，对于 透射比大于0.970的高透射比测量缺乏有效手段来进行和保证高透射比这项参 数测量的准确度或/和小的测量结果不确定度。
发明内容
本发明实施例提供一种透射比标准量具及透射比测量装置，用于解决现 有技术中高透射比量值测量结果不确定度大的问题。
本发明实施例提供一种透射比标准量具，包括：一固定件和一个或多个 遮光体，所述遮光体为扇形结构；
所述遮光体设置在所述固定件上，通过旋转所述遮光体将接收的连续光 调制成相应频率的光，根据所述调制的相应频率的光计算透射比及不确定 度。
较佳地，所述遮光体为中心对称的扇形结构，通过遮光体中心点固定在 所述固定件上。
优选地，所述滤光为体椭圆锥体或菱形锥体或梯形锥体，相间设置在所 述固定体上，所述遮光体的最大有效遮光面积与最小有效遮光面积不相等。
优选地，所述遮光体的有效遮光面积由所述遮光体的面积与所述标准量 具面积的占比计算所得，或根据所述遮光体的扇形圆心角占比计算所得。
优选地，当所述遮光体的有效遮光面积为最大有效遮光面积时，所述透 射比标准量具可测量的透射比为第一透射比。
优选地，当所述遮光体的有效遮光面积为最小有效遮光面积时，所述透 射比标准量具可测量的透射比为第二透射比。
优选地，当所述遮光体与空气相间设置时，所述遮光体的有效遮光面积 占比越小，所述透射比标准量具可测量的透射比越高。
优选地，本发明实施例还提供一种透射比测量装置，包括：
光源发射器，设置在遮光器的前方，用于发射连续光；
遮光器，所述遮光器上述任一标准量具；
光电探测器，设置在遮光器的后侧，用于接收遮光器调制后相应频率的 光以输出光电信号；
信号处理器，所述信号处理器基于所述光电探测器输出的光电信号计算 透射比和/或能见度及其测量结果不确定度。
优选地，所述装置还包括：光电探测器，设置在所述遮光器的后侧，用 于接收透过所述遮光器的脉冲光能量以输出光电信号，所述信号处理器基于 所述光电信号计算透射比和/或能见度。
优选地，所述光源发射器可以为可见光发射器，也可以为紫外辐射发射 器或红外辐射发射器。
本发明有益效果：
本发明实施例提供的透射比标准量具及透射比测量装置，通过在固定件 上相间设置至少一个扇形遮光体，通过调节遮光体的有效遮光面积占比提高 透射比的测量上限，大幅提升了透射比测量装置的测量范围，同时大幅减小 透射比的测量不确定度，大幅提升了透射比分辨率的校准能力，并在透射比 需求不同的应用场景下，通过旋转遮光体改变有效遮光面积，即可实现测量 不同透射比的需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说 明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优 点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实 现和获得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部 分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的 不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种透射比标准量具的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种透射比标准量具的结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的遮光体的横截面示意 图；
图3b为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的又一遮光体的横截面示 意图；
图4a为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的遮光体的横截面示意 图；
图4b为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的又一遮光体的横截面 示意图；
图5为本发明实施例提供一种透射比测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种透射比标准量具及透射比测量装置，用于解决 现有技术中透射比测量装置的高透射比量值无法校准，透射比测量不确定度 大的问题。
以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处 所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例一提供的一种透射比标准量具的结构示意图。本发明实施 例一提供的透射比标准量具，以便提升透射比的测量范围，以及减小透射比 量值测量结果不确定度。该透射比标准量具包括：
一固定件和一个或多个遮光体，所述遮光体为扇形结构；
所述遮光体设置在所述固定件上，通过旋转所述遮光体将接收的连续光 调制成相应频率的光，根据所述调制的相应频率的光计算透射比及其测量结 果不确定度。
本发明实施例中，透射比标准量具可以仅包括一个遮光体，如图1所 示，图1为本发明实施例提供的一种透射比标准量具的遮光体的结构示意 图，该遮光体为扇形结构的遮光体。
当然，本发明实施例中，透射比标准量具也可以包括多个遮光体，如图 2所示，透射比标准量具的遮光体为两个扇形结构，通过遮光体中心点对称固 定在固定件上。
如图3所示，本发明实施例中，另一种标准量具的结构示意图，该标准 量具包括固定件和3个扇形结构的遮光体。
进一步地，本发明实施例中，透射比标准量具的遮光体也为锥体，该锥 体从外围向圆心逐渐由粗变细。
可选地，本发明实施例中，该标准量具的遮光体可以为梯形锥体，该遮 光体的横截面为梯形，如图3a所示。
可选地，本发明实施例中，该标准量具的遮光体为矩形锥体，该遮光体 的横截面为矩形，如图3b所示。
锥体锥体优选地，如图4a所示，透射比标准量具的遮光体为椭圆锥体结 构的遮光体，该标准量具的遮光体的横截面为椭圆形，所述椭圆锥体遮光体 从外围向圆心逐渐由粗变细；如图4b所示，透射比标准量具的遮光体为菱形 锥体结构的遮光体，该标准量具的遮光体的横截面为菱形，该菱形锥体遮光 体从外围向圆心逐渐由粗变细。
若透射比标准量具包括多个遮光体，则可以相间设置在固定体上，其 中，透射比标准量具的遮光体的最大有效遮光面积与最小有效遮光面积不相 等，即最大有效遮光面积大于最小有效遮光面积。
可选的，本发明实施例中，透射比标准量具的遮光体的有效遮光面积由 遮光体和标准量具的占比计算所得，或者，若透射比标准量具的遮光体为扇 形遮光体，则透射比标准量具的遮光体的有效遮光面积可以由遮光体的扇形 圆心角占比计算所得。
较佳的，本发明实施例中，当遮光体为椭圆锥体或菱形锥体，该遮光体 横截面的长轴/长对角线与连续光垂直时为最大有效遮光面积，该遮光体横截 面的短轴/短对角线与连续光垂直时为最小有效遮光面积。当遮光体的有效遮 光面积为最大有效遮光面积时，该透射比标准量具可用于测量的透射比为第 一透射比；相应的，当遮光体的有效遮光面积为最小有效遮光面积时，透射 比标准量具可用于测量的透射比为第二透射比。该椭圆锥体或菱形锥体遮光 体可通过转轴或其他方式可转动的固定在固定件上，可以通过旋转改变遮光 体的有效遮光面积来调节标准量具测量的透射比。
实际应用中，透射比标准量具的遮光体可以与空气相间设置，当遮光体 与空气相间设置时，遮光体的有效遮光面积越小，透射比标准量具可测量的 透射比越高；相对应的，遮光体的有效遮光面积越大，透射比标准量具可测 量的透射比越低。
进一步的，本发明实施例中，还提供一种透射比测量装置，如图5所 示，该透射比测量装置包括：光源发射器，设置在遮光器的前方，用于发射 连续光；
遮光器，该遮光器包括上述透射比标准量具，该透射比标准量具包括一 固定件和一个或多个遮光体，遮光体为扇形结构，设置在固定件上；
光电探测器，设置在遮光器的后侧，用于接收遮光器调制后相应频率的 光以输出光电信号；
信号处理器，用于基于上述光电探测器输出的光电信号计算透射比及其 测量结果不确定度。
实际应用中，光源发射器是产生透射比测量所需的光的装置，设置在遮 光器的前方。优选地，该光源发射器产生的光为连续光。该光源发射器可以 为激光发射器、LED光源发射器、卤钨灯光源发射器的任意一种，也可以是 可见光发射器、紫外辐射发射器或红外辐射发射器的任意一种，可根据需要 选定。该光源发射器可放置在黑色护罩内，以便防止光源发射器产生的多余 光充当噪声。优选地，该光源发射器还包括一聚焦透镜，用于将光源产生的 光线聚集成准直光束。可选地，还可在光源发射器中设置一玻璃光纤，用于 将光源发射器产生的光以光损耗被降至最低的方式传送至遮光器。
遮光器是一种周期性截断光束的精密旋转电机仪器，用于调制光源发射 器发射的连续光束。遮光器包括电源、旋转电机、控制器、光电开关及上述 标准量具。该电源分别与旋转电机、控制器和光电开关连接，用于给遮光器 提供电力驱动；该控制器分别与旋转电机、光电开关连接，用于控制旋转电 机的转速及光电开关，通过光电开关可获取参考信号；该标准量具分别与旋 转电机、光电开关连接，该旋转电机用于驱动该标准量具转动，光电开关用 于控制旋转电机开启或关闭标准量具的转动。
本发明提供的透射比测量装置的标准量具包括一固定件及遮光体。可选 的，所述遮光体为扇形结构，所述遮光体可以为椭圆锥体或菱形锥体或矩形 锥体或梯形锥体，所述锥体遮光体的横截面可以为椭圆形或菱形或矩形或梯 形。锥体该遮光体可以为一个，也可以为多个，可以相间设置在所述固定件 上，当所述遮光体为椭圆锥体或菱形锥体时，所述遮光体可以通过旋转调整 有效遮光面积，遮光体的最大有效遮光面积与最小有效遮光面积不相等，即 通过旋转调整所述遮光体相对于所述固定件的位置，从而调节所述遮光体的有效遮光面积。
较佳的，所述遮光体通过螺丝或其他方式设置在固定件上。光源发射器 发射的连续光照射到遮光器上，打开光电开关对遮光器进行供电，通过控制 器控制旋转电机驱动遮光器的遮光体转动，连续光通过遮光体后将连续光调 制成相应的固定频率的光。
实施例一
下面，以遮光体为椭圆锥形为例，本发明提供的一种标准量具。该标准 量具包括固定体1和椭圆锥体2，椭圆锥体2设置在固定体1上，可围绕某一 轴转动所述椭圆锥体，固定件1为圆环形固定件，任一椭圆锥体2的一端设 置于在固定件1的圆环上，另一端设置在固定件1的中心点上，可通过旋转 椭圆锥体，即可实现与固定件1所在同一平面的，椭圆锥体的横截面积的大 小(即椭圆锥体有效遮光面积大小)。若椭圆锥体2旋转至相对于固定体1的 第一位置时，即该遮光体横截面的最长直径所在平面内与连续光垂直时，椭 圆锥体2的有效遮光面积最大，可测量或校准的透射比为第一透射比。若椭 圆锥体2旋转至相对于固定体1的第二位置时，即该遮光体横截面的最短直 径所在平面与连续光垂直时，椭圆锥体的有效遮光面积最小，则椭圆锥体2 的有效遮光面积占比最小，可测量或可校准的透射比为第二透射比，有效遮 光面积可根据需要转动椭圆锥体进行调节。
当然，标准量具可以由中心对称的两个椭圆锥体构成。相应的，标准量 具也可以由非对称的椭圆锥体结构，可以设置多个，等距间隔的设置在固定 件上。
所述遮光体的有效遮光面积占比可根据需要，通过调整遮光体相对于固 定件的位置来调节，当然，调节范围只能在可调节范围内(一个固定的范 围)调节，也有可能只能调节至两个或两个以上的固定值(如，遮光体的最 大有效遮光面积相对应的最大有效遮光面积占比和遮光体的最小有效遮光面 积相对应的最小有效遮光面积占比)。在校准透射比测量仪时，不需其他操 作，仅旋转调整锥体就可复现第一透射比和第二透射比，取两透射比的差 值，即可校准透射比测量仪的透射比分辨率，此操作过程几乎避免引入除旋 转因素外的其他不确定度来源，大幅提升了透射比分辨率的校准能力。
下面详细阐述标准量具测量透射比的方法和过程。
当遮光体与空气相间设置(不考虑其他因素的影响，空气的透射比为 1.000)，则透射比测量装置的透射比可计算为：
假设遮光体有效遮光面积占比为总面积的p＝1/10，则该标准量具的透射 比为：
T＝1.000*(1-1/10)＝0.900
假设遮光体有效遮光面积占比为总面积的p＝1/20，则该标准量具的透射 比为：
T＝1.000*(1-1/20)＝0.950
假设遮光体有效遮光面积占比为总面积的p＝1/50，则该标准量具的透射 比为：
T＝1.000*(1-1/50)＝0.980
根据以上计算数据可知，该遮光体有效遮光面积占比越小，则该透标准 量具可测量的透射比越高。
本发明实施例一提供的标准量具，通过在固定件上相间设置至少一个遮 光体，通过调节遮光体的有效遮光面积占比计算标准量具的透射比，提高透 射比的测量上限，大幅提升了标准量具的透射比测量范围。
实施例二
本发明实施例二在实施例一的基础上提供一种标准量具，以遮光体为椭 圆锥形为例，该标准量具包括：
一固定件和一个或多个遮光体，所述遮光体设置在所述固定件上，通过 旋转所述遮光体可调整所述遮光体有效遮光面积的大小，将连续光调制成相 应频率的光；
优选地，所述遮光体中心对称的两个椭圆锥体结构，所述遮光体的中心对 称点与固定件的中心点重合。所述遮光体可与空气相间设置，所述两个椭圆 锥体的透射比可以相同，也可以不同，具体根据需求来设定。
具体地，使用该扇形遮光体的标准量具透射比量值测量结果的不确定度大 幅减小。
举例来说，目前光学计量领域的透射比量值测量结果的不确定度都在万分 之一以上，而超精密机械加工中几何量量值测量结果的不确定度，远优于光 学量量值测量结果的不确定度。如超精密机械加工尺寸和位置精度d为 (0.01～0.3)μm，假设取d＝0.1μm，扇形遮光体的半径R为10cm，通过公 式L5＝πRα/180*2计算遮光体在距离圆心5cm处的长度L5的值，通过公式 L10＝πRα/180计算遮光体在距离圆心10cm处的长度L10的值，L取L5和 L10的平均值。计算透射比不确定度为：
Urel＝d/L (k＝2)
由以上可知，在采用超精密加工的遮光体与空气(假设空气的透射比为 1.000)相间设置时，在圆心角为1度时，此时的不确定度Urel＝0.000076，低 于万分之一，靠几何量超精密加工精度不确定度相对于光学透射比测量不确 定度大幅减小。
本发明实施例二提供的标准量具，通过在固定件上相间设置至少一个遮 光体，该遮光体采用超精密加工，其溯源可遵循光学透射比参数测量的溯源 链，优选遵循几何量参数测量的溯源链，大幅减小了透射比量值测量结果的 不确定度。
实施例三
如图5所示，本发明实施例在上述实施例的基础上提供一种透射比测量 装置，以便提升透射比的测量范围，以及减小透射比量值测量结果不确定 度。该透射比测量装置包括：
光源发射器，设置在遮光器的前方，用于发射连续光；
遮光器，所述遮光器包含一标准量具，所述标准量具包含一固定件和一 个或多个遮光体，所述遮光体设置在所述固定件上，通过旋转所述遮光体可 调整所述遮光体有效遮光面积的大小，将所述光源发射器发射的连续光调制 成相应频率的光；
光电探测器，设置在遮光器的后侧，用于接收遮光器调制的固定频率的 光，将接收到的固定频率的光转变成电信号以输出调制频率；
信号处理器，所述信号处理器基于所述遮光器调制的相应频率的光计算 所述透射比测量装置的透射比及不确定度。
光源发射器是产生透射比测量所需的光的装置，设置在遮光器的前方。 优选地，该光源发射器产生的光为连续光。该光源发射器可以为激光发射 器、LED光源发射器、卤钨灯光源发射器的任意一种，也可以是可见光发射 器、紫外辐射发射器或红外辐射发射器的任意一种，可根据需要选定。该光 源发射器可放置在黑色护罩内，以便防止光源发射器产生的多余光充当噪 声。优选地，该光源发射器还包括一聚焦透镜，用于将光源产生的光线聚集 成准直光束。可选地，还可在光源发射器中设置一玻璃光纤，用于将光源发 射器产生的光以光损耗被降至最低的方式传送至遮光器。
遮光器是一种周期性截断光束的精密旋转电机仪器，用于调制光源发射 器发射的连续光束。遮光器包括电源、旋转电机、控制器、光电开关及上述 标准量具。该电源分别与旋转电机、控制器和光电开关连接，用于给遮光器 提供电力驱动；该控制器分别与旋转电机、光电开关连接，用于控制旋转电 机的转速及光电开关，通过光电开关可获取参考信号；该标准量具分别与旋 转电机、光电开关连接，该旋转电机用于驱动该标准量具转动，光电开关用 于控制旋转电机开启或关闭标准量具的转动。本发明实施例提供的透射比测 量装置，通过在固定件上相间设置至少一个遮光体，通过调节遮光体的有效 遮光面积占比计算透射比测量装置的透射比，提高透射比的测量上限，大幅 提升了透射比测量装置的测量范围，同时采用超精密加工的遮光体，其溯源 优选遵循几何量参数测量的溯源链，大幅减小了透射比量值测量结果不确定 度。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了 基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权 利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要 求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种透射比标准量具，其特征在于，包括：
一固定件和一个或多个遮光体，所述遮光体为扇形结构；
所述遮光体设置在所述固定件上，通过旋转所述遮光体将接收的连续光调制成相应频率的光，根据所述调制的相应频率的光计算透射比和/或能见度及其测量结果的不确定度。
2.根据权利要求1所述的标准量具，其特征在于，所述遮光体为中心对称的扇形结构，通过遮光体中心点固定在所述固定件上。
3.根据权利要求1所述的标准量具，其特征在于，所述遮光体为椭圆锥体或菱形锥体或梯形锥体，相间设置在所述固定体上，所述遮光体的最大有效遮光面积与最小有效遮光面积不相等。
4.根据权利要求3所述的标准量具，其特征在于，所述遮光体的有效遮光面积由所述遮光体与所述标准量具的占比计算所得，或根据所述遮光体的扇形圆心角占比计算所得。
5.根据权利要求4所述的标准量具，其特征在于，当所述遮光体的有效遮光面积为最大有效遮光面积时，所述透射比标准量具可测量的透射比为第一透射比。
6.根据权利要求5所述的标准量具，其特征在于，当所述遮光体的有效遮光面积为最小有效遮光面积时，所述透射比标准量具可测量的透射比为第二透射比。
7.根据权利要求5所述的标准量具，其特征在于，当所述遮光体与空气相间设置时，所述遮光体的有效遮光面积占比越小，所述透射比标准量具可测量的透射比越高。
8.一种透射比测量装置，其特征在于，包括：
光源发射器，电连接在遮光器的前方，用于发射连续光；
遮光器，所述遮光器包含1-7任一项权利要求所述的标准量具，与所述光源发射器及信号处理器电连接；
信号处理器，所述信号处理器与遮光器电连接，基于所述遮光器输出的光电信号计算透射比及其测量结果不确定度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：光电探测器，设置在所述遮光器的后侧，与遮光器和信号处理器链接，用于接收透过所述遮光器的脉冲光能量以输出光电信号，所述信号处理器基于所述光电信号计算透射比和/或能见度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光源发射器可以为可见光发射器，也可以为紫外辐射发射器或红外辐射发射器。
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