CN113188767A - 紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法 - Google Patents

紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明发明涉及一种紫外光学测试和定标装置，具体涉及一种紫外镜片反射率、透射率测试及紫外成像系统定标用装置及相应的测试方法和定标方法。本发明的目的是解决现有紫外光学测试和定标装置存在光照强度弱或者易导致定标结果存在偏差，造成局部突变的技术问题。该装置包括激光驱动白光光源、紫外单色仪、平移台、光路传输单元、探测单元、转台单元和控制计算机；激光驱动白光光源的输出端经紫外光纤连接紫外单色仪的输入端；所述光路传输单元包括紫外平行光管和电控阀门，设置于紫外单色仪的出射光路上；探测单元设置于紫外分束器的出射光路上，包括反射光路上的参考探测器和透射光路上的探测器。

Description

紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法
技术领域
本发明发明涉及一种紫外光学测试和定标装置，具体涉及一种紫外镜片反射率、透射率测试及紫外成像系统定标用装置及相应的测试方法和定标方法。
背景技术
紫外光学成像系统主要用于地球大气层紫外辐射背景研究，在研制过程中需要对紫外光学成像系统中紫外光学镜片的反射率和透射率进行测试，还需要对整机系统的空间分辨率、响应波长范围、辐射响应度、和光谱响应曲线等进行定标。
由于常用的定标光源卤钨灯在250nm以下的光照强度非常弱，不能作为紫外测试定标装置的紫外光源。理想的测试定标光源应具有稳定的、平缓的输出光谱，才能准确地获得待定标设备的光谱响应。但现有的氙灯、氘灯光源在紫外谱段虽然比较强，但其输出光谱存在许多特征峰或谷，这些特征峰或谷容易导致测试定标结果出现偏差，造成局部突变。
发明内容
本发明的目的是解决现有紫外光学测试和定标装置存在光照强度弱或者易导致定标结果存在偏差，造成局部突变的技术问题，提供一种紫外镜片反射率、透射率测试及紫外成像系统定标用装置和反射率、透射率测试及紫外成像系统定标方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特殊之处在于：包括激光驱动白光光源、紫外单色仪、平移台、光路传输单元、探测单元、转台单元和控制计算机；
所述紫外单色仪设置于平移台上；所述激光驱动白光光源的输出端经紫外光纤连接紫外单色仪的输入端；
所述光路传输单元包括紫外平行光管和电控阀门，紫外平行光管设置于紫外单色仪的出射光路上，包括壳体，以及壳体内沿光路传输方向依次设置的紫外分辨率靶标、电控孔径可变光阑、离轴抛物面镜、平面反射镜和紫外分束器；所述紫外分辨率靶标设置于紫外平行光管壳体上的入光孔处；所述电控阀门设置于所述壳体上且位于紫外分辨率靶标的前端，电控阀门用于控制紫外分辨率靶标的开闭；所述探测单元设置于紫外分束器的出射光路上，包括设置于反射光路上的参考探测器和设置于透射光路上的探测器；
所述转台单元包括同心且共面设置的第一电动转台和第二电动转台，第一电动转台用于放置待测紫外镜片或待测紫外成像系统，所述探测器放置于第二电动转台上；
所述控制计算机分别与电控阀门、电控孔径可变光阑、参考探测器、探测器、第一电动转台和第二电动转台电连接。
进一步地，所述参考探测器和探测器均为紫外PMT探测器。
进一步地，所述平移台为电控平移台。
进一步地，所述紫外分束器设置于紫外平行光管的壳体内。
进一步地，所述紫外分辨率靶标和电控孔径可变光阑相贴合。
本发明还提供一种紫外镜片反射率测试方法，其特殊之处在于，基于上述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源和紫外单色仪，将紫外单色仪的波长λ设置在待测紫外镜片的待测波长范围内，通过电控阀门将紫外分辨率靶标移出光路，将电控孔径可变光阑的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器转动至光轴上，使探测器光敏面的法线指向紫外平行光管的出射口，采集探测器的输出值Ii，1，采集参考探测器的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片放置于第一电动转台上，使待测紫外镜片的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；
4)将探测器转动至平行光管与待测紫外镜片之间的光路上，定义待测紫外镜片此时的位置为0度，逆时针转动紫外镜片θ度，探测器逆时针转动2θ度，采集探测器的输出值Ir，1和参考探测器的输出值Ir，2，则待测紫外镜片在波长λ、入射角θ时的反射率rθ，λ为：
Figure BDA0003038149400000031
本发明还提供一种紫外镜片透射率测试方法，其特殊之处在于，基于上述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源和紫外单色仪，将紫外单色仪的波长λ设置在待测紫外镜片的待测波长范围内，通过电控阀门将紫外分辨率靶标移出光路，将电控孔径可变光阑的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器转动至光轴上，使探测器(光敏面的法线指向紫外平行光管的出射口，采集探测器的输出值Ii，1，采集参考探测器的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片放置于第一电动转台上，使待测紫外镜片的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；
4)采集探测器的输出值It，1和参考探测器的输出值It，2，则待测紫外镜片的透射率tθ，λ为：
Figure BDA0003038149400000032
本发明还提供一种紫外成像系统定标方法，其特殊之处在于，基于上述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源和紫外单色仪，将紫外单色仪的波长λ设置在待测紫外成像系统的待测波长范围内；
2)空间分辨率测试
将探测器移开，再将待测紫外成像系统放置在第一电动转台上且位于光轴上，使待测紫外成像系统的入瞳法线指向平行光管出射口，通过待测紫外成像系统输出图像至控制计算机，输出该图像中能够清晰分辨的分辨率靶标图案的线对数，即为待测系统的空间分辨率；
3)光谱响应度测试
将紫外分辨率靶标移出光路，将电控孔径可变光阑的孔径设置为最大；将探测器转动至光轴上，使探测器光敏面的法线指向紫外平行光管的出射口；
采集探测器的读出值Dλ，与紫外单色仪出射光的辐射通量Фλ有如下关系：
Figure BDA0003038149400000033
其中，
Dλ的单位为电流输出A或者电压输出V；
n为空气中的折射率，空气中可近似取1；
e为单个电子所带电量，单位为库伦；
h为普朗克常数；
c为光速；
ηλ为探测器量子效率；
4)利用下式计算紫外单色仪出射光的辐射照度Eλ：
Figure BDA0003038149400000041
其中，
S为电控孔径可变光阑的最大孔面积；
5)采集待测紫外系统在某个波长λ下的输出图像，选取该图像的灰度平均值作为待测系统输出计数值Cλ，利用下式计算待测紫外系统的光谱响应Sλ：
Figure BDA0003038149400000042
其中，Cb为无输入光条件下，系统输出的暗计数；
6)调整不同波长，根据步骤5)计算不同波长下的待测系统光谱响应，最后以波长为横坐标、辐射响应度为纵坐标，绘制光谱响应曲线Sλ，完成紫外成像系统定标。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，采用的激光驱动白光光源是一种紫外增强光源，可提高在短波紫外、尤其是波长小于250nm波段的测试精度。
2、本发明提供的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，通过采用电控平移台，精确控制不同工作模式下紫外单色仪出光口位置，使紫外单色仪出射光准确照射在紫外平行光管的焦面位置。
3、本发明提供的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，通过采用同心且共面设置的第一电动转台和第二电动转台组成，结合软件精确控制并读取转台转动角度，自动计算不同角度的反射率测试结果。
4、本发明提供的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，采用紫外PMT探测器作为探测器和参考探测器，实时监测参考光路光强变化，提高反射率、透过率测试和光谱响应度定标的精度。
5、本发明提供的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，通过控制计算机对装置整体进行一体化控制，实现紫外(200nm～400nm)光学材料透过率、反射率、紫外成像系统空间分辨率、光谱响应度定标的多功能测试与定标，即通过一套装置，实现了对多个指标的测试和定标，在满足了应用需求的同时，节省了设备空间和设备购置费用。
附图说明
图1为本发明紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置的结构示意图；
附图标记说明：
1-激光驱动白光光源、2-紫外光纤、3-紫外单色仪、4-平移台、5-紫外分辨率靶标、6-电控阀门、7-电控孔径可变光阑、8-入光孔、9-紫外平行光管、10-紫外分束器、11-参考探测器、12-待测紫外镜片、13-探测器、14-第一电动转台、15-第二电动转台、16-控制计算机、17-壳体、18-离轴抛物面镜、19-平面反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明提供一种紫外镜片反射率和透射率测试及紫外成像系统定标用装置，如图1所示，包括激光驱动白光光源1、紫外单色仪2、光路传输单元、探测单元、转台单元和控制计算机16。所述紫外单色仪3设置于可单独控制的平移台4上，平移台4可电控可手控；所述激光驱动白光光源1的输出端经紫外光纤2连接紫外单色仪3的输入端。所述光路传输单元包括紫外平行光管9和电控阀门6，紫外平行光管9设置于紫外单色仪3的出射光路上，包括壳体17，以及壳体17内沿光路传输方向依次设置的紫外分辨率靶标5、电控孔径可变光阑7、离轴抛物面镜18、平面反射镜19和紫外分束器10；所述紫外分辨率靶标5设置于紫外平行光管9壳体17上的入光孔8(即焦面)处；所述电控阀门6设置于所述壳体17上且位于紫外分辨率靶标5的前端，电控阀门6用于控制紫外分辨率靶标5的开闭；所述探测单元设置于紫外分束器10的出射光路上，包括设置于反射光路上的参考探测器11和设置于透射光路上的探测器13；所述电控孔径可变光阑7和所述紫外分束器10均设置于紫外平行光管9的壳体17内，当然所述紫外分束器10也可以设置于紫外平行光管9的壳体17外部，所述紫外分辨率靶标5和电控孔径可变光阑7相贴合。
所述探测单元设置于紫外分束器10的出射光路上，包括设置于反射光路上的参考探测器11和设置于透射光路上的探测器13；所述参考探测器11和探测器13均采用紫外PMT探测器。所述转台单元包括同心且共面设置的第一电动转台14和第二电动转台15，第一电动转台14用于放置待测紫外镜片12或待测紫外成像系统，所述探测器13放置于第二电动转台15上，待测紫外镜片12或待测紫外成像系统与探测器13分别位于两个电动转台上，均可旋转任意角度，所述控制计算机16分别与电控阀门6、电控孔径可变光阑7、参考探测器11、探测器13、第一电动转台14和第二电动转台15电连接，控制计算机16可通过软件对电控阀门6、电控孔径可变光阑7、参考探测器11、探测器13、第一电动转台14和第二电动转台15进行控制和数据及状态读取。
本发明还提供一种紫外镜片反射率测试方法，基于上述的紫外镜片反射率和透射率测试及紫外成像系统定标用装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源1和紫外单色仪3，将紫外单色仪3的波长λ设置在待测紫外镜片12的待测波长范围内，通过电控阀门6将紫外分辨率靶标5移出光路，为了使输入光的杂光最小化，将电控孔径可变光阑7的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器13转动至光轴上，使探测器13光敏面的法线指向紫外平行光管9的出射口，采集探测器13的输出值Ii，1，采集参考探测器11的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片12放置于第一电动转台14上，使待测紫外镜片12的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；紫外单色仪3的出射光一部分光反射至参考探测器11，另一部分光投射至待测紫外镜片12，经待测紫外镜片12反射至探测器13；
4)将探测器13转动至平行光管与待测紫外镜片12之间的光路上，定义待测紫外镜片12此时的位置为0度，逆时针转动紫外镜片θ度，探测器13逆时针转动2θ度，采集探测器13的输出值Ir，1和参考探测器11的输出值Ir，2，则待测紫外镜片12在波长λ、入射角θ时的反射率rθ，λ为：
Figure BDA0003038149400000071
本发明还提供一种紫外镜片透射率测试方法，基于上述的紫外镜片反射率和透射率测试及紫外成像系统定标用装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源1和紫外单色仪3，将紫外单色仪3的波长λ设置在待测紫外镜片12的待测波长范围内，通过电控阀门6将紫外分辨率靶标5移出光路，为了使输入光的杂光最小化，将电控孔径可变光阑7的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器13转动至光轴上，使探测器13光敏面的法线指向紫外平行光管9的出射口，采集探测器13的输出值Ii，1，采集参考探测器11的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片12放置于第一电动转台14上，使待测紫外镜片12的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；紫外单色仪3的出射光一部分光反射至参考探测器11，另一部分光投射至待测紫外镜片12，经待测紫外镜片12透射至探测器13；
4)采集探测器13的输出值It，1和参考探测器11的输出值It，2，则待测紫外镜片12的透射率tθ，λ为：
Figure BDA0003038149400000072
本发明还提供一种紫外成像系统定标方法，基于上述的紫外镜片反射率和透射率测试及紫外成像系统定标用装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源1和紫外单色仪3，将紫外单色仪3的波长λ设置在待测紫外成像系统的待测波长范围内；
2)空间分辨率测试
将探测器13移开，再将待测紫外成像系统放置在第一电动转台14上且位于光轴上，使待测紫外成像系统的入瞳法线指向平行光管出射口，通过待测紫外系统输出图像至控制计算机16，输出该图像中能够清晰分辨的分辨率靶标图案的线对数，即为待测系统的空间分辨率；
3)光谱响应度测试
将紫外分辨率靶标5移出光路，为了使输入光强较大，将电控孔径可变光阑7的孔径设置为最大，紫外单色仪(3)出射的单色光通过电控孔径可变光阑(7)进入紫外平行光管9，经紫外平行光管9传输至紫外分束器10；将探测器13转动至光轴上，使探测13光敏面的法线指向紫外平行光管9的出射口；
采集探测器(13)的读出值Dλ，与紫外单色仪(3)出射光的辐射通量Фλ有如下关系：
Figure BDA0003038149400000081
其中，
Dλ的单位为电流输出A或者电压输出V；
n为空气中的折射率，空气中可近似取1；
e为单个电子所带电量，单位为库伦；
h为普朗克常数；
c为光速；
ηλ为探测器13量子效率；
4)利用下式计算紫外单色仪3出射光的辐射照度Eλ：
Figure BDA0003038149400000082
其中，
S为电控孔径可变光阑7的最大孔面积；
5)采集待测紫外系统在某个波长λ下的输出图像，选取该图像的灰度平均值作为待测系统输出计数值Cλ，利用下式计算待测紫外系统的光谱响应Sλ：
Figure BDA0003038149400000083
其中，Cb为无输入光条件下，系统输出的暗计数；
6)调整不同波长，根据步骤5)计算不同波长下的待测系统光谱响应，最后以波长为横坐标、辐射响应度为纵坐标，绘制光谱响应曲线Sλ，完成紫外成像系统定标。
上述紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置及方法，通过控制计算机16对装置整体进行一体化控制，实现紫外(200nm～400nm)学材料透过率、反射率、紫外成像系统空间分辨率、光谱响应度定标的多功能测试与定标，即通过一套装置，实现了对多个指标的测试和定标，在满足了应用需求的同时，节省了设备空间和设备购置费用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特征在于：包括激光驱动白光光源(1)、紫外单色仪(3)、平移台(4)、光路传输单元、探测单元、转台单元和控制计算机(16)；
所述紫外单色仪(3)设置于平移台(4)上；所述激光驱动白光光源(1)的输出端经紫外光纤(2)连接紫外单色仪(3)的输入端；
所述光路传输单元包括紫外平行光管(9)和电控阀门(6)，紫外平行光管(9)设置于紫外单色仪(3)的出射光路上，包括壳体(17)，以及壳体(17)内沿光路传输方向依次设置的紫外分辨率靶标(5)、电控孔径可变光阑(7)、离轴抛物面镜(18)、平面反射镜(19)和紫外分束器(10)；所述紫外分辨率靶标(5)设置于紫外平行光管(9)壳体(17)上的入光孔(8)处；所述电控阀门(6)设置于所述壳体(17)上且位于紫外分辨率靶标(5)的前端，电控阀门(6)用于控制紫外分辨率靶标(5)的开闭；所述探测单元设置于紫外分束器(10)的出射光路上，包括设置于反射光路上的参考探测器(11)和设置于透射光路上的探测器(13)；
所述转台单元包括同心且共面设置的第一电动转台(14)和第二电动转台(15)，第一电动转台(14)用于放置待测紫外镜片(12)或待测紫外成像系统，所述探测器(13)放置于第二电动转台(15)上；
所述控制计算机(16)分别与电控阀门(6)、电控孔径可变光阑(7)、参考探测器(11)、探测器(13)、第一电动转台(14)和第二电动转台(15)电连接。
2.根据权利要求1所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特征在于：所述参考探测器(11)和探测器(13)均为紫外PMT探测器。
3.根据权利要求2所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特征在于：
所述平移台(4)为电控平移台。
4.根据权利要求3所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特征在于：
所述紫外分束器(10)设置于紫外平行光管(9)的壳体(17)内。
5.根据权利要求4所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，其特征在于：
所述紫外分辨率靶标(5)和电控孔径可变光阑(7)相贴合。
6.一种紫外镜片反射率测试方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源(1)和紫外单色仪(3)，将紫外单色仪(3)的波长λ设置在待测紫外镜片(12)的待测波长范围内，通过电控阀门(6)将紫外分辨率靶标(5)移出光路，将电控孔径可变光阑(7)的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器(13)转动至光轴上，使探测器(13)光敏面的法线指向紫外平行光管(9)的出射口，采集探测器(13)的输出值Ii，1，采集参考探测器(11)的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片(12)放置于第一电动转台(14)上，使待测紫外镜片(12)的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；
4)将探测器(13)转动至平行光管与待测紫外镜片(12)之间的光路上，定义待测紫外镜片(12)此时的位置为0度，逆时针转动紫外镜片θ度，探测器(13)逆时针转动2θ度，采集探测器(13)的输出值Ir，1和参考探测器(11)的输出值Ir，2，则待测紫外镜片(12)在波长λ、入射角θ时的反射率rθ，λ为：
Figure FDA0003038149390000021
7.一种紫外镜片透射率测试方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源(1)和紫外单色仪(3)，将紫外单色仪(3)的波长λ设置在待测紫外镜片(12)的待测波长范围内，通过电控阀门(6)将紫外分辨率靶标(5)移出光路，将电控孔径可变光阑(7)的孔径缩小至100微米以下；
2)将探测器(13)转动至光轴上，使探测器(13)光敏面的法线指向紫外平行光管(9)的出射口，采集探测器(13)的输出值Ii，1，采集参考探测器(11)的输出值Ii，2；
3)将待测紫外镜片(12)放置于第一电动转台(14)上，使待测紫外镜片(12)的法线指向平行光管出射口，并与光轴重合；
4)采集探测器(13)的输出值It，1和参考探测器(11)的输出值It，2，则待测紫外镜片(12)的透射率tθ，λ为：
Figure FDA0003038149390000031
8.一种紫外成像系统定标方法，其特征在于，基于权利要求1至5任一所述的紫外镜片反、透射率测试及紫外成像系统定标装置，包括以下步骤：
1)打开激光驱动白光光源(1)和紫外单色仪(3)，将紫外单色仪(3)的波长λ设置在待测紫外成像系统的待测波长范围内；
2)空间分辨率测试
将探测器(13)移开，再将待测紫外成像系统放置在第一电动转台(14)上且位于光轴上，使待测紫外成像系统的入瞳法线指向平行光管出射口，通过待测紫外成像系统输出图像至控制计算机(16)，输出该图像中能够清晰分辨的分辨率靶标图案的线对数，即为待测系统的空间分辨率；
3)光谱响应度测试
将紫外分辨率靶标(5)移出光路，将电控孔径可变光阑(7)的孔径设置为最大；将探测器(13)转动至光轴上，使探测器(13)光敏面的法线指向紫外平行光管(9)的出射口；
采集探测器(13)的读出值Dλ，与紫外单色仪(3)出射光的辐射通量Фλ有如下关系：
Figure FDA0003038149390000032
其中，
Dλ的单位为电流输出A或者电压输出V；
n为空气中的折射率，空气中可近似取1；
e为单个电子所带电量，单位为库伦；
h为普朗克常数；
c为光速；
ηλ为探测器(13)量子效率；
4)利用下式计算紫外单色仪(3)出射光的辐射照度Eλ：
Figure FDA0003038149390000041
其中，
S为电控孔径可变光阑(7)的最大孔面积；
5)采集待测紫外系统在某个波长λ下的输出图像，选取该图像的灰度平均值作为待测系统输出计数值Cλ，利用下式计算待测紫外系统的光谱响应Sλ：
Figure FDA0003038149390000042
其中，Cb为无输入光条件下，系统输出的暗计数；
6)调整不同波长，根据步骤5)计算不同波长下的待测系统光谱响应，最后以波长为横坐标、辐射响应度为纵坐标，绘制光谱响应曲线Sλ，完成紫外成像系统定标。
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