CN112345498A - 一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，属于光电子技术和仪器仪表领域。它可准确测量不透光材料表面的吸收率、散射率。待测件设置在散射光收集系统处并通过连续区域测量调节装置调节与散射光收集系统的相对位置，观测瞄准系统和红外激光器均设置在系统控制箱上，红外激光器向待测件发射激光，散射光收集系统收集待测件的散射光，数据处理中心接收并处理散射光收集系统发送的信号，数据处理中心安装在系统控制箱上，观测瞄准系统用于观测并确保光源照射在被测样品的被测量区域内。本发明的测量系统解决了传统散射率测量系统测量带宽低、响应慢、测量区域不连续、测量红外波长单一的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术和仪器仪表领域，涉及一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，可用于定量检测材料表面的吸收率、散射率。
背景技术
涂层材料表面的吸收率是反映涂层性能的关键参数之一，为准确测量涂层表面的吸收率，目前通常采用的方法是使用商用吸收率测试仪进行测试。由于涂层材料在不同入射激光功率密度下的吸收率和反射率特性将有所不同，而传统商用吸收率测试仪在相应波长下的输出功率很小，无法满足实际测量需求。
此外，涂层本身不透光，因此通过常用的透过率直接测量法无法获得准确的涂层吸收率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，该测量系统可准确测量不透光材料表面的吸收率、散射率(电磁波入射到不透光物体的交界面上发生反射、吸收后有：α+ρ＝1式中：α-吸收率；ρ-反射率)。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，包括红外激光器、待测件、数据处理中心、系统控制箱、散射光收集系统、连续区域测量调节装置、观测瞄准系统及框架，所述框架安装在系统控制箱上，所述散射光收集系统和连续区域测量调节装置均安装在框架上，所述待测件设置在散射光收集系统处并通过连续区域测量调节装置调节与散射光收集系统的相对位置，所述观测瞄准系统和红外激光器均设置在系统控制箱上，红外激光器向待测件发射激光，散射光收集系统收集待测件的散射光，所述数据处理中心接收并处理散射光收集系统发送的信号，所述数据处理中心安装在系统控制箱上，所述观测瞄准系统用于观测并确保光源照射在被测样品的被测量区域内。
本发明的有益效果在于：
1、材料的表面吸收率是反映涂层性能的关键参数之一，经测试本发明的测量系统具有可测散射率≥0.05％的超高测量精度，小于0.001秒的超快时间响应速度，具备材料测量区域可连续，支持连续红外激光波长测量的特点(波长范围0.8～12μm)，解决了传统散射率测量系统测量带宽低、响应慢、测量区域不连续、测量红外波长单一的问题。
2、与现有的商用散射率测试仪相比，本发明的测量系统提高了材料表面散射率的测量精度，可测量散射率不低于0.05％的不透光涂层材料，解决了传统透过率法不能测量不透光材料、不能连续测量待测区域和测量红外激光波段单一、入射激光功率单一的问题。
附图说明
图1是本发明俯视图；
图2是本发明主视图；
图3是本发明原理图；
图4是本发明球缺板主视图；
图5是本发明反射标准板主视图；
图6是本发明反射率待测样品主视图；
其中：1、塞子；2、可见光长焦摄像机；3、半透半反镜片；4、镜片支架；5、红外激光器；6、框架；7、积分球；71、激光入口；72、待测样品口；73、探测口；8、聚焦透镜；9、待测件；91、球缺板；92、反射标准板；93、反射率待测样品；94、球缺凸台；10、数据处理中心；11、红外探测器；12、电流放大器；13、高亮白光LED；14、系统控制箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明的基本思想是利用积分球7收集被测件被测区的红外散射激光，收集的散射光通过聚焦透镜8的聚集照射到红外探测器11上，红外探测器11通过电流放大器12把电信号放大输入到数据处理中心10计算，反演出被测件测试区的散射率，较好解决了传统商用透射法散射率检测仪不能测量不透光材料的问题；由一维剪式升降台和二维平移台组成的连续区域测量调节装置可以连续调节测试区域，改变了传统散射率检测仪一次装夹样品只能测量一次的局面；主要由半透半反镜片3和可见光长焦摄像机2组成的观测瞄准系统可以观测激光光斑与待测区的照射耦合情况，配合连续区域测量调节装置可以确保激光照射到待测区域内。
如图1～图6所示，一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，包括红外激光器5、待测件9、数据处理中心10、系统控制箱14、散射光收集系统、连续区域测量调节装置、观测瞄准系统及框架6，所述框架6安装在系统控制箱14上，所述散射光收集系统和连续区域测量调节装置均安装在框架6上，所述待测件9设置在散射光收集系统处并通过连续区域测量调节装置调节与散射光收集系统的相对位置，所述观测瞄准系统和红外激光器5均设置在系统控制箱14上，红外激光器5向待测件9发射激光，散射光收集系统收集待测件9的散射光，所述数据处理中心10接收并处理散射光收集系统发送的信号，所述数据处理中心10安装在系统控制箱14上，所述观测瞄准系统用于观测并确保光源照射在被测样品的被测量区域内。
如图1～3所示，所述散射光收集系统是本发明系统中的核心部分，散射光收集系统包括积分球7、聚焦透镜8、红外探测器11及电流放大器12；所述积分球7的激光入口71处设有用于发射激光的红外激光器5，待测件9放置在积分球7的待测样品口72处，使激光直接入射到对面的待测件9上，待测件9涂层表面在受激光辐射后会形成向空间发散的散射光，通过聚焦透镜8把该散射光会聚到积分球7内进行收集，从而保证了测量精度，所以，在积分球7的探测口73处设有聚焦透镜8，积分球7收集到的散射光最终被红外探测器11所采集，红外探测器11将光信号转化为电信号，由于散射光一般较弱，因此采用电流放大器12对红外探测器11的探测信号进行再放大，以增强测量的信号强度，该信号最终进入数据处理中心10，通过反演计算得到涂层的吸收率具体值。
本发明中，探测器组件采用的是全红外波段的红外探测器11，探测器材料为InSb和HgCdTe，探测范围为1～13μm，基本可实现对近红外、中红外和远红外波段的测量，同时配合两个前置电流放大器12使用获得数字信号，通过标定获得待测波长激光器的功率。
本发明中，光源可根据实际需求配备激光光源或普通光源。如图1～3所示，本发明系统的配备光源为高稳定度近红外连续红外激光器5，主要负责输出稳定度＜1％的1064nm近红外激光，其光斑直径约为2mm，光束功率的高稳定性能够保证被测材料表面散射率的测量精度，是该系统中重要的组成部分。
积分球7的膜层材料为金，厚度H＝1μm。
积分球7内部安装有一颗高亮白光LED13，可根据需求点亮用以观测和激光对准被测区。
本发明中，积分球7的待测样品口72与激光入口71相对应，目的是在反射率测量时，将待测件9置于激光入口光路中，使激光直接入射到对面的待测件9上，通过接收待测件9对入射激光的反射光信号，计算其反射率。
本发明中，针对不同的测试需求，将有待测件9的三种样本放在这里进行测量。如图4～6所示，这三种样本分别为①球缺板91、②反射标准板92、③反射率待测样品93。
①球缺板91(图4)：球缺板91上安装磁扣，使用时可直接对准积分球7上的磁扣即可，安装后开启标准光源(高亮白光LED13)，查看是否漏光，球缺板91与积分球7接触面无缝隙，磁扣吸引牢固，即安装正确，此时球缺板91上的球缺凸台94正好填补待测样品口72处的球面空缺，此时积分球7为无样本缺口状态。这种情况分别在透过率测试中的标准样品(无待测样品)测量步骤、激光功率测试中的所有步骤、所有本底测试步骤中使用。
②反射标准板92(图5)：反射标准板92在使用时需要用样品夹持工装进行夹装，夹装后开启标准光源(高亮白光LED13)，查看是否漏光，反射标准板9-2与积分球7接触面无缝隙，即为安装正确。这种情况在反射率测试中的标准样品测量步骤中使用。
③反射率待测样品93(图6)：与反射标准板93夹持方法相同。在反射率测试中的被测样品测量步骤中使用。
球缺板91和反射标准板92先对本系统进行调整测试，作为标准样品，反射率待测样品93为本系统的被测样品。
激光入口71用于测试中外部激光入射使用，其中：测量样品反射率、透过率时，入射已知标准激光，对待测样品进行测试；而在激光功率测试与激光能量测量中，入射待测激光，使用球缺板91将积分球7球缺部分补全，测量待测激光。
如图1～3所示，所述观测瞄准系统包括可见光长焦摄像机2、半透半反镜片3及镜片支架4；所述半透半反镜片3安装在镜片支架4上，半透半反镜片3设置在红外激光器5和积分球7之间，所述可见光长焦摄像机2的镜头轴线通过半透半反镜片3的中心。镜片支架4可放置在地面上或者安装在系统控制箱14上，可见光长焦摄像机2可通过摄像机支架放置在地面上或者安装在系统控制箱14上。
所述可见光长焦摄像机2的镜头轴线通过半透半反镜片3的中心，且半透半反镜片3与该镜头轴线夹角为45°，所述红外激光器5的光轴通过半透半反镜片3的中心；可见光长焦摄像机2的镜头轴线与红外激光器5的光轴垂直。目的是观测并确保光源照射在被测样品的被测量区域内。调整激光光斑和待测件9位置时，将半透半反镜片3平移至红外激光器5的光轴上，正面可透过激光光斑，反面可将光斑和样品的像反射至CCD(可见光长焦摄像机2)上，另外需要为CCD加配显示器。
所述连续区域测量调节装置由夹持工装和三维平移台构成，夹持工装安装在三维平移台上。夹持工装采用大恒样品夹GCM-1302M；三维平移台的X轴平移行程：±25mm，采用大恒的GCM-TD50MX；三维平移台的Y轴平移行程：±6.5mm，采用大恒的GCM-T13MC；三维平移台的Z轴平移行程：94mm，采用剪式升降台，GCM-1703M，可手动调节至相应位置。
所述数据处理中心10包括MCU模块、控制模块和显示模块，所述控制模块用于向MCU模块输入命令，所述MCU模块用于处理计算控制模块输入的命令；所述显示模块用于显示MCU模块处理后的信息。红外探测器11与数据处理中心10的通讯电路采用高速数据传输电路，可保证待测件在被激光辐照后第一时间获得吸收率的变化数值，使得测量响应时间小于等于1ms。
本发明中，红外探测器11的使用双色红外探测器采集0.8μm～1.5μm、1.5μm～12μm波段信号，其中1.5μm～12μm波段探测器需要使用液氮冷却，系统控制箱14上部留有液氮注入口并通过塞子1密封。将液氮灌满后可在6小时之内进行有效测量，超过6小时需补满液氮，进行灌注时，将漏斗插入液氮注入口中，抬起液氮罐往漏斗中缓慢倒液氮，待观察到液氮口处溢出冷凝雾气时灌满，可进行测量。
激光辐射量测试系统可对待测样品进行四种测量，分别为：样品反射率测量、样品透过率测量、连续激光功率测量、脉冲激光能量测量。
操作方法：
样品反射率测量与透过率测量，均使用外部标准激光(红外激光器5)作为测试光源对待测样品进行测量，在测量待测样品之前均需要进行本底测量，反射率测量还需测量反射标准板92，作为样品反射率计算的参数之一对样品反射率进行计算。反射率测量的反射标准板92与待测样品(反射率待测样品93)均放在积分球的待测样品口处进行测量；透过率测量的待测样品则需放在外部激光器与积分球的激光入口之间进行测量。
当需要测量待测激光时，需使用球缺板91将积分球7补充完整，此时分别对打开标准灯(高亮白光LED13)与关闭标准灯进行两次本底测量，之后关闭标准灯并打开待测激光(红外激光器5)，对其进行测量。当待测激光为连续激光时，直接计算出激光功率，测试完毕；当待测激光为脉冲激光时，需在测试之前手动键入三个信息：脉冲激光功率、脉冲时间、脉冲时间单位，开始测量，在计算出激光功率的基础上，再计算出该脉冲激光的激光能量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：包括红外激光器(5)、待测件(9)、数据处理中心(10)、系统控制箱(14)、散射光收集系统、连续区域测量调节装置、观测瞄准系统及框架(6)，所述框架(6)安装在系统控制箱(14)上，所述散射光收集系统和连续区域测量调节装置均安装在框架(6)上，所述待测件(9)设置在散射光收集系统处并通过连续区域测量调节装置调节与散射光收集系统的相对位置，所述观测瞄准系统和红外激光器(5)均设置在系统控制箱(14)上，红外激光器(5)向待测件(9)发射激光，散射光收集系统收集待测件(9)的散射光，所述数据处理中心(10)接收并处理散射光收集系统发送的信号，所述数据处理中心(10)安装在系统控制箱(14)上，所述观测瞄准系统用于观测并确保光源照射在被测样品的被测量区域内。
2.根据权利要求1所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述散射光收集系统包括积分球(7)、聚焦透镜(8)、红外探测器(11)及电流放大器(12)；所述积分球(7)的激光入口(71)处设有用于发射激光的红外激光器(5)，待测件(9)放置在积分球(7)的待测样品口(72)处，所述红外探测器(11)和积分球(7)的探测口(73)之间设有聚焦透镜(8)，所述红外探测器(11)将光信号转化为电信号，所述电流放大器(12)与红外探测器(11)电连接用于增强红外探测器(11)的电信号，电流放大器(12)与用于处理信号的数据处理中心(10)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述观测瞄准系统包括可见光长焦摄像机(2)、半透半反镜片(3)及镜片支架(4)；所述半透半反镜片(3)安装在镜片支架(4)上，半透半反镜片(3)设置在红外激光器(5)和积分球(7)之间，所述可见光长焦摄像机(2)的镜头轴线通过半透半反镜片3的中心。
4.根据权利要求3所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述半透半反镜片(3)与可见光长焦摄像机(2)的镜头轴线夹角为45°，所述红外激光器(5)的光轴通过半透半反镜片(3)的中心；可见光长焦摄像机(2)的镜头轴线与红外激光器(5)的光轴垂直。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述待测件(9)包含球缺板(91)、反射标准板(92)及反射率待测样品(93)，所述球缺板(91)用于在透过率测试、激光功率测试中使用，所述反射标准板(92)用于在反射率测试中当作标准样品使用，所述反射率待测样品(93)用于在反射率测试中当作被测样品使用。
6.根据权利要求5所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述球缺板(91)上安装磁扣，球缺板(91)上设有能够填补积分球(7)的待测样品口(72)处的球面空缺的球缺凸台(94)。
7.根据权利要求1或6所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述连续区域测量调节装置包括夹持工装及三维平移台；所述夹持工装设置积分球(7)的待测样品口(72)处用于夹持待测件(9)，夹持工装安装在三维平移台上。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述数据处理中心(10)包括MCU模块、控制模块及显示模块，所述控制模块用于向MCU模块输入命令，所述MCU模块用于处理计算控制模块输入的命令；所述显示模块用于显示MCU模块处理后的信息。
9.根据权利要求2所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述散射光收集系统包括还包括冷却系统，所述冷却系统包括液氮罐、液氮及漏斗；系统控制箱(14)上部留有液氮注入口并通过塞子(1)密封，所述漏斗插入液氮注入口(1)内，所述液氮罐内的液氮通过漏斗流入系统控制箱(14)内。
10.根据权利要求2所述的一种用于红外激光光源的高精度高散射率带宽测量系统，其特征在于：所述积分球(7)内部安装有一颗高亮白光LED(13)，可根据需求点亮用以观测和激光对准被测区。
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