CN114235756A - 高精度激光扫描式透射率分布测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置及测量方法，其克服了现有技术中单点测量仪器使用机械位移组件实现范围扫描存在的运动误差大、测量时间长、效率低和多点测量仪器存在抗干扰能力弱等问题。本发明包括主控单元，主控单元与激光光源连接，激光光源通过光纤与声光偏转组件连接，声光偏转组件与超声波驱动电路连接，超声波驱动电路与主控单元连接声光偏转组件出射面一侧设置有积分球，积分球上放置待测样品，待测样品入射面一侧设置有陷光器，积分球与光电探测器连接，光电探测器与信号处理组件连接，信号处理组件与主控单元连接。

Description

高精度激光扫描式透射率分布测量装置及测量方法

技术领域：

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种使用声光晶体使光线发生偏转从而实现光斑精细二维扫描的高精度激光扫描式透射率分布测量装置及测量方法。

背景技术：

透射率作为表征物质材料透射特性的一个重要指标，被广泛应用在军工、国防、药品分析、医学影像和仪器检测等领域。此外某些物理量的变化也可转换为透射率的测量，通过测量待测样品的透射率信息从而反应其它物理量的变化，如通过溶液透射率变化反应溶液浓度的变化等。

现有的透射率测量仪器虽有着不同的应用场景，但根据测量方式可大致分为单点测量和多点测量两类。基于单点测量的光电仪器，容易实现高精度、抗干扰能力强等优点，但其探测范围有限，若是大量增加探测器个数则会同时增加后端采集与处理的成本；若是单纯地使用光源与传感器进行推扫，则存在测量时间长、效率低、运动机构误差大等问题。而基于多点测量的光电仪器，一般基于成像原理，光电成像探测器可以实现大范围探测，且保持较高的分辨率，但测量过程中容易受到背景光、杂散光的影响，测量精度较低。

因此，传统单点测量仪器存在探测范围小，增加推扫机械组件存在运动误差大、测量时间长、效率低，多点测量仪器存在抗干扰能力弱，测量精度低等问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置及测量方法，其克服了现有技术中存在的运动误差大、测量时间长、效率低和多点测量仪器存在抗干扰能力弱的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置，其特征在于：包括主控单元，主控单元与激光光源连接，激光光源通过光纤与声光偏转组件连接，声光偏转组件与超声波驱动电路连接，超声波驱动电路与主控单元连接，声光偏转组件出射面一侧设置有积分球，积分球上放置待测样品，待测样品入射面一侧设置有陷光器，积分球与光电探测器连接，光电探测器与信号处理组件连接，信号处理组件与主控单元连接。

声光偏转组件包括y轴偏转的声光晶体一，在声光晶体一的出射面耦合有准直器件一，声光晶体一出射面一侧设置有x轴偏转的声光晶体二，声光晶体二的入射面设置有入射光耦合器件，声光晶体二的出射面设置有准直器件二，声光晶体一和声光晶体二分别与超声波驱动电路连接。

一种采用高精度激光扫描式透射率分布测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)主控单元驱动激光光源产生功率稳定的调制光信号；

b)光信号以布拉格角进入声光晶体偏转组件，主控单元控制超声波驱动电路改变声光晶体的驱动频率实现出射光的偏转，完成对待测样品的扫描工作；

c)待测样品的透射光经由积分球匀光作用，被光电探测器接收；

d)光电探测器输出的电信号传输至信号处理组件对其进行处理；

e)主控单元对处理后的电信号进行采集与显示。

步骤b)中：

通过主控单元调节驱动信号的频率精细的控制光线在晶体内的偏转，声波通过声光介质时，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，当光波通过此介质时，产生光的衍射，当入射角满足布拉格衍射条件时，仅出现零级和1级衍射光，超声波频率f_s变化引起光束偏转角Δθ的变化如下式(1)所示：

式中Δθ为光线偏转角的变化，λ为入射光线的波长，n为声光晶体的折射率，v_s为超声波在介质中的传播速度，Δf_s为超声波频率的变化值。

在声光晶体出射面耦合一准直器件，使出射光角度偏转变为出射光位置偏转，保持出射光角度平行照射到待测样品上；透过待测样品后入射到积分球内。

测量中引入标定过程消去系统误差，将待测样品替换为已知衰减倍数的中性衰减片，重复步骤b)至e)，将两次处理后的电信号进行对比，如式(2)所示：

式中Φ_i(λ)为测量阶段探测器光敏面接受的光通量，Φ₀(λ)为标定阶段探测器光敏面接受的光通量，S(λ)为探测器的灵敏度，U_i(λ)为测量电压，U₀(λ)为标定电压，T_i(λ)为待测样品的透射率，T₀(λ)为标定片的透过率。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明通过使激光以布拉格角照射在声光晶体表面，利用声光晶体的一级衍射光照射待测样品，通过调节声光晶体的驱动频率，使出射光发生偏转，并通过积分球收集待测样品的透射光能量，从而实现对待测样品扫描并通过透射光能量测量其透射率，这种测量方式的优点是：一方面所需的扫描时间短，另外可以准确控制扫描位置。

2、本发明通过驱动激光偏转对待测区域进行扫描的方式相比传统的单点测量，在保留其高精度的基础上，实现了较大的探测范围，解决了机械式推扫存在震动与效率低的问题，所需的扫描时间短，另外可以准确控制扫描位置。相比成像测量，通过对信号进行调制等方式，实现了更强的抗干扰能力。

3、由于扫描待测样品时，光斑位置和入射角会变化，通过积分球对待测样品透射光进行收集和匀光，不需要改变探测器的接收位置，无需机械对准机构，能准确测量透射光。

4、本发明装置通过主控单元进行控制，扫描与测量过程均为自动进行，避免了由于调整光源、各光学元件的位置所导致的测量误差，提高了系统的测量精度。

5、本发明通过对光电探测器的输出信号进行去噪处理，提高信号的信噪比与装置的抗干扰能力。

附图说明：

图1为本发明的原理图；

图2为本发明声光晶体偏转光路的示意图；

图3为声光晶体偏转扫描方式的示意图。

图中，1-主控单元；2-激光光源；3-声光偏转组件；4-陷光器；5-待测样品；6-积分球；7-光电探测器；8-信号处理组件；9-超声波驱动电路；10-声光晶体一；11-准直器件一；12-入射光耦合器件；13-声光晶体二；14-准直器件二。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置，参见图1，装置由主控单元1、激光光源2、声光偏转组件3、陷光器4、待测样品5、积分球6、光电探测器7、信号处理组件8和超声波驱动电路9组成。声光偏转组件3由入射耦合光学元件12、两块相耦合的声光晶体与耦合在出射面的准直器件组成，信号处理组件由放大倍率可调的前置放大电路和锁相放大器组成，主控单元负责激光器驱动、数据的处理、存储和显示。

通过控制超声波驱动9改变两块相耦合的声光晶体的驱动信号频率，实现出射光的偏转，继而实现对待测样品5的二维扫描，并在积分球6的均光作用下，透射光被光电探测器7接受，经由信号处理组件8处理后传输至主控单元。

本发明还提供了一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置的测量方法，本发明提供的测量方法为：将整个测量装置调整完毕后，通过主控单元1驱动激光光源2产生功率稳定的调制光信号，光信号经由光纤传输，以布拉格角入射声光偏转组件3，通过主控单元1调节声光晶体的驱动频率，使经过声光晶体的出射光发生偏转继而实现对目标区域的二维扫描，经过待测样品5，其反射光被陷光器4吸收，而透射光则在积分球6的作用下被光电探测器7接受，随后采集的信号经过信号处理组件8处理后传输至主控单元1完成信号的采集与显示。

此外，可引入标定环节提高测量的信噪比，其具体操作为，将待测样品5替换为已知衰减倍率的中性衰减片，完成测量过程，记录信号电压值，并将其作为比值测量中的参考量。

实施例：

参见图1，本发明装置由主控单元1、激光光源2、声光偏转组件3、陷光器4、待测样品5、积分球6、光电探测器7、信号处理组件8和超声波驱动电路9组成。其中声光偏转组件3由入射耦合光学元件、两块相耦合的声光晶体与耦合在出射面准直器件组成，信号处理组件8由放大倍率可调的前置放大电路和锁相放大器组成。主控单元1与激光光源2连接，主控单元1采用带数据采集卡的工控机，激光光源2通过光纤与声光偏转组件3连接，声光偏转组件3与超声波驱动电路9连接，超声波驱动电路9采用超声波换能器，超声波驱动电路9与主控单元1连接，声光偏转组件3出射面一侧设置有积分球6，积分球6上放置待测样品5，待测样品5入射面一侧设置有陷光器4，积分球6与光电探测器7连接，光电探测器7与信号处理组件8连接，信号处理组件8采用锁相放大器，信号处理组件8与主控单元1连接。

本发明还提供了一种测量待测样品的光谱透射率信息的方法，包括以下步骤：

a)主控单元1驱动激光光源2产生功率稳定的调制光信号；

b)光信号以布拉格角进入声光晶体偏转组件3，主控单元1控制超声波驱动电路9改变声光晶体的驱动频率实现出射光的偏转，完成对待测样品的扫描工作；

c)待测样品5的透射光经由积分球6匀光作用，被光电探测器7接收；

d)光电探测器7输出的电信号传输至信号处理组件8对其进行处理；

e)主控芯片1对处理后的电信号进行采集与显示。

步骤b)中，通过主控单元1调节驱动信号的频率可以精细的控制光线在晶体内的偏转，具体过程为声波通过声光介质时，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，当光波通过此介质时，就会产生光的衍射，当入射角满足布拉格衍射条件时，仅出现零级和1级衍射光，光线偏转示意如附图2所示。超声波频率f_s变化引起光束偏转角Δθ的变化，如下式(1)所示：

式中Δθ为光线偏转角的变化，λ为入射光线的波长，n为声光晶体的折射率，v_s为超声波在介质中的传播速度，Δf_s为超声波频率的变化值。

在声光晶体出射面耦合一准直器件，使出射光角度偏转变为出射光位置偏转，保持出射光角度平行照射到待测样品上；透过待测样品后入射到积分球内。

此外，测量中可引入标定过程消去系统误差，具体操作方法为：将待测样品替换为已知衰减倍数的中性衰减片，重复步骤b)至e)，将两次处理后的电信号进行对比，如式(2)所示：

式中Φ_i(λ)为测量阶段探测器光敏面接受的光通量，Φ₀(λ)为标定阶段探测器光敏面接受的光通量，S(λ)为探测器的灵敏度，U_i(λ)为测量电压，U₀(λ)为标定电压，T_i(λ)为待测样品的透射率，T₀(λ)为标定片的透过率。

通过标定过程，基于比值测量法的测量可以消除系统误差，提高测量的信噪比。

参见图2，图2为声光晶体偏转光路示意图。声光偏转组件3包括y轴偏转的声光晶体一10，在声光晶体一10的出射面耦合有准直器件一11，声光晶体一10出射面一侧设置有x轴偏转的声光晶体二13，声光晶体二13的入射面设置有入射光耦合器件12，声光晶体二13的出射面设置有准直器件二14，声光晶体一10和声光晶体二13分别与超声波驱动电路9连接。其中超声波驱动电路9输出的驱动信号分两路，一路频率以固定间隔由f_y，1变化至f_y，n，使出射光由标注光线L₁偏转至标注光线L_m，另一路固定间隔由f_x，1变化至f_x，m。最终出射光可分解为共计L(1，1)-L(m，n)共m×n条偏转光线，其照射在待测样品处的二维分布如附图3所示。

参见图3，,图3装置的扫描方式为：首先固定驱动声光晶体一的驱动频率为f_y，1，驱动声光晶体二的驱动信号频率以固定的间隔由f_x，1变化至f_x，m，完成第一行扫描，随后频率复位至f_x，1，驱动声光晶体一的信号频率由f_y，1变化至f_y，2，随后驱动声光晶体二的驱动信号频率以固定的间隔由f_x，1变化至f_x，m，完成第二行扫描，如此重复进行，直到完成扫描。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种高精度激光扫描式透射率分布测量装置，其特征在于：包括主控单元(1)，主控单元(1)与激光光源(2)连接，激光光源(2)通过光纤与声光偏转组件(3)连接，声光偏转组件(3)与超声波驱动电路(9)连接，超声波驱动电路(9)与主控单元(1)连接，声光偏转组件(3)出射面一侧设置有积分球(6)，积分球(6)上放置待测样品(5)，待测样品(5)入射面一侧设置有陷光器(4)，积分球(6)与光电探测器(7)连接，光电探测器(7)与信号处理组件(8)连接，信号处理组件(8)与主控单元(1)连接。

2.根据权利要求1所述的激光扫描式光伏板积灰散射率分布检测装置，其特征在于：声光偏转组件(3)包括y轴偏转的声光晶体一(10)，在声光晶体一(10)的出射面耦合有准直器件一(11)，声光晶体一(10)出射面一侧设置有x轴偏转的声光晶体二(13)，声光晶体二(13)的入射面设置有入射光耦合器件(12)，声光晶体二(13)的出射面设置有准直器件二(14)，声光晶体一(10)和声光晶体二(13)分别与超声波驱动电路(9)连接。

3.一种采用如权利要求1所述的高精度激光扫描式透射率分布测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)主控单元(1)驱动激光光源(2)产生功率稳定的调制光信号；

b)光信号以布拉格角进入声光晶体偏转组件(3)，主控单元(1)控制超声波驱动电路(9)改变声光晶体的驱动频率实现出射光的偏转，完成对待测样品(5)的扫描工作；

c)待测样品(5)的透射光经由积分球(6)匀光作用，被光电探测器(7)接收；

d)光电探测器(7)输出的电信号传输至信号处理组件(8)对其进行处理；

e)主控单元(1)对处理后的电信号进行采集与显示。

4.根据权利要求3所述的高精度激光扫描式透射率分布测量装置的测量方法，其特征在于：步骤b)中：

通过主控单元调节驱动信号的频率精细的控制光线在晶体内的偏转，声波通过声光介质时，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，当光波通过此介质时，产生光的衍射，当入射角满足布拉格衍射条件时，仅出现零级和1级衍射光，超声波频率f_s变化引起光束偏转角Δθ的变化如下式(1)所示：

式中Δθ为光线偏转角的变化，λ为入射光线的波长，n为声光晶体的折射率，v_s为超声波在介质中的传播速度，Δf_s为超声波频率的变化值。

在声光晶体出射面耦合一准直器件，使出射光角度偏转变为出射光位置偏转，保持出射光角度平行照射到待测样品(5)上；透过待测样品(5)后入射到积分球(6)内。

5.根据权利要求3所述的高精度激光扫描式透射率分布测量装置的测量方法，其特征在于：

测量中引入标定过程消去系统误差，将待测样品(5)替换为已知衰减倍数的中性衰减片，重复步骤b)至e)，将两次处理后的电信号进行对比，如式(2)所示：

式中Φ_i(λ)为测量阶段探测器光敏面接受的光通量，Φ₀(λ)为标定阶段探测器光敏面接受的光通量，S(λ)为探测器的灵敏度，U_i(λ)为测量电压，U₀(λ)为标定电压，T_i(λ)为待测样品的透射率，T₀(λ)为标定片的透过率。

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