CN114486185A - 一种镜体发射率测量装置及方法 - Google Patents

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CN114486185A CN202111614158.4A CN202111614158A CN114486185A CN 114486185 A CN114486185 A CN 114486185A CN 202111614158 A CN202111614158 A CN 202111614158A CN 114486185 A CN114486185 A CN 114486185A
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intensity
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李文丽
刘彦磊
周海静
贾孝春
刘绍虎
许方宇
刘玉芳
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Abstract

本发明公开了一种镜体发射率测量装置，包括：激光接收装置和镜体，所述激光接收装置用于与所述镜体组成测量谐振腔，所述测量谐振腔被配置为：入射的激光束在所述镜体表面反射N次之后射出所述测量谐振腔，其中N≥2；光探测器，所述光探测器用于探测所述测量谐振腔出射的激光束的强度；处理器，所述处理器被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和处理器，所述处理器被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。

Description

一种镜体发射率测量装置及方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种镜体发射率测量装置及方法。
背景技术
镜面光学元件广泛用于光学系统，其发射率大小直接影响系统的灵敏度。测量镜面的发射率(例如，红外发射率)，对于评估光学系统(例如，红外望远镜等光学系统)的热辐射水平，测量其极限探测灵敏度非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镜体发射率测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镜体发射率测量装置，包括：激光接收装置和镜体，所述激光接收装置用于与所述镜体组成测量谐振腔，所述测量谐振腔被配置为：入射的激光束在所述镜体表面反射N次之后射出所述测量谐振腔，其中N≥2；光探测器，所述光探测器用于探测所述测量谐振腔出射的激光束的强度；处理器，所述处理器被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。
在一些实施例中，所述处理器还被配置为：基于入射到所述测量谐振腔的激光束的强度、所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。
在一些实施例中，所述激光接收装置包括光反射部，所述光反射部用于与所述镜体组成所述测量谐振腔。
在一些实施例中，所述光反射部包括第一反射镜，所述入射的激光束经过第一反射镜进入所述测量谐振腔，所述出射的激光束经所述第一反射镜射出所述测量谐振腔。
在一些实施例中，所述第一反射镜设有通光孔。所述通光孔用来通过入射激光束和出射激光束。
在一些实施例中，所述光反射部还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在所述第一反射镜与所述镜体的光路之间。
在一些实施例中，本发明镜体发射率测量装置还包括定标镜，所述定标镜与所述激光接收装置组成定标谐振腔，用于对所述激光接收装置进行定标。
在一些实施例中，所述处理器还被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束强度、反射次数N、所述定标谐振腔出射的激光束的强度和所述定标镜的镜面吸收率，确定所述镜体的发射率。
在一些实施例中，还包括摆镜，摆镜沿激光传输方向设置，处理器还被配置为：基于测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、激光接收装置的吸收率，确定镜体的发射率。
本发明一些实施例还公开了一种镜体发射率测量方法，包括：获取测量谐振腔出射的激光束的强度，所述测量谐振腔包括激光接收装置与镜体；以及基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率，其中N≥2，N为入射的激光束在所述镜体表面的反射次数。
在一些实施例中，镜体发射率测量方法还包括：获取入射到所述测量谐振腔的激光束的强度；基于所述入射到所述测量谐振腔的激光束的强度、所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，激光接收装置的吸收率，确定所述镜体的发射率。
在一些实施例中，镜体发射率测量方法，还包括：获取定标谐振腔出射的激光束的强度，所述定标谐振腔包括所述激光接收装置与定标镜；以及基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、所述定标谐振腔出射的激光束的强度和所述定标镜的镜面吸收率，确定所述镜体的发射率。
在一些实施例中，镜体发射率测量方法，还包括：基于摆镜调整到第一工作状态(I)时测量谐振腔出射的激光束的强度、摆镜调整到第二工作状态(II)时进入光探测器的激光光强、反射次数N、激光接收装置的吸收率，确定镜体的发射率。
本发明一些实施例公开的镜体发射率测量装置，通过将激光束导入激光接收装置与镜体组成的测量谐振腔，并经过多次反射之后将从谐振腔出射的激光束汇聚到激光接收装置，再利用处理器基于测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定镜体的发射率。
附图说明
图1示出根据本发明一些实施例的镜体发射率测量装置；
图2a示出根据本发明一些实施例的镜体发射率测量装置的示意图；
图2b示出根据本发明另一些实施例的镜体发射率测量装置的示意图；
图2c示出根据本发明另一些实施例的镜体发射率测量装置的示意图；
图3为谐振腔激光接收装置表面激光光斑位置变化示意图；
图4示出根据本发明一些实施例的镜体发射率的测量方法400的流程图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的示例性实施例，本领域技术人员可以理解，本发明的范围并不仅限于这些实施方案。本发明可以在下述实施方案的基础上作出各种改进和变化。这些改进和变化都包括在本发明的范围之内。在本发明的附图所示的各个实施方案之间，相似附图标记指示相似部件。
图1示出根据本发明一些实施例的镜体发射率测量装置100。如图1所示，镜体发射率测量装置100包括：激光接收装置103和镜体106，激光接收装置103用于与镜体106组成测量谐振腔；测量谐振腔被配置为：入射的激光束在镜体106表面反射N次之后射出测量谐振腔，其中N≥2；光探测器104，光探测器104用于探测测量谐振腔出射的激光束的强度；处理器105，处理器105被配置为：基于测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定镜体106的发射率。
图2a示出根据本发明一些实施例的镜体发射率测量装置200a的示意图；
图2b示出根据本发明另一些实施例的镜体发射率测量装置200b的示意图；
图2c示出根据本发明另一些实施例的镜体发射率测量装置200c的示意图。在一些实施例中，图1中示出的处理器105例如可以是图2a-c中示出的处理器205；图1中示出的镜体106例如可以是图2a-c中示出的镜体206；图1中示出的光探测器104例如可以是图2a-c中示出的光探测器204。
在一些实施例中，处理器(例如，图1中示出的处理器105或图2a-c中示出的处理器205)还被配置为：基于入射到测量谐振腔的激光束的强度、测量谐振腔出射的激光束的强度、激光接收装置的吸收率和反射次数N，确定镜体发射率。
在一些实施例中，镜体发射率可以基于公式(1)确定：
Figure BDA0003436466770000041
其中，εx为待测镜的发射率，N为激光在待测镜表面反射次数，PN为测量谐振腔的出射激光光强，PI表征入射到测量谐振腔的激光束的光强，αre为已知或已经被标定过的激光接收装置(例如，图2a中第一反射镜203)吸收率。
在一些实施例中，入射到测量谐振腔的激光束的强度数值上可以是激光器(例如，图2a中示出的激光器201)出射激光强度，还可以是激光器出射激光经过光学元件之后进入到测量谐振腔的激光强度。例如，光学元件可以是图2a中示出的摆镜202，在摆镜202工作在第一工作状态(I)时，PI可以等于P0(1-αsw)，其中P0为激光器出射激光光强，αsw为已知或已经被标定过的摆镜吸收率。
在一些实施例中，激光接收装置(例如，图1中示出的激光接收装置103)包括光反射部，光反射部用于与镜体组成测量谐振腔。在一些实施例中，如图2a-c所示，光反射部包括第一反射镜203。在一些实施例中，第一反射镜203与镜体206组成测量谐振腔。如图2a-c所示，入射的激光束经过第一反射镜203进入测量谐振腔，出射的激光束经第一反射镜射203出测量谐振腔。在一些实施例中，第一反射镜203设有通光孔207。在一些实施例中，第一反射镜203例如是通光镜。在一些实施例中，如图2c所示，光反射部还包括第二反射镜211，第二反射镜211设置在第一反射镜203与镜体206的光路之间。
在一些实施例中，如图2b和2c所示，镜体发射率测量装置还包括定标镜208，定标镜208与激光接收装置组成定标谐振腔。在一些实施例中，定标可以理解为消除测量和定标时公共光路总吸收的影响。
在一些实施例中，处理器(例如，图1中示出的处理器105或图2a-c中示出的处理器205)还被配置为：基于测量谐振腔出射的激光束强度、反射次数N、定标谐振腔出射的激光束的强度和定标镜的镜面吸收率，确定镜体的发射率。
在一些实施例中，镜体发射率可以基于公式(2)确定：
Figure BDA0003436466770000051
其中，εx为待测镜的发射率，N为激光在待测镜表面反射次数，αs为定标镜的吸收率，PN为测量谐振腔的出射激光光强，PN′为定标谐振腔的出射激光光强。
在一些实施例中，镜体发射率测量装置(例如，如图2b所示的镜体发射率测量装置200b)还包括移动导轨210，定标镜208设置在移动导轨210上。在一些实施例中，定标镜208可以在移动导轨210上移动，或者定标镜208跟随移动导轨210移动。在一些实施例中，通过移动定标镜208实现光传输在定标镜208和镜体206之间的转换，进而实现测量谐振腔和定标谐振腔的转换。在一些实施例中，可以由处理器205控制定标镜208在移动导轨210上移动，或者控制移动导轨210带动定标镜208移动。
在一些实施例中，如图2c所示，光反射部还包括第二反射镜211。在一些实施例中，第二反射镜211为平面反射镜。在一些实施例中，第二反射镜211可以设置在第一反射镜203与镜体206的光路之间，第一反射镜203、第二反射镜211与镜体206组成测量谐振腔。本领域技术人员可以理解，在测量谐振腔模式下，第二反射镜211可以将第一反射镜203反射的光线反射至镜体206，或者可以将镜体206反射的光线反射至第一反射镜203。
在一些实施例中，第二反射镜211可以设置在第一反射镜203与定标镜208的光路之间，第一反射镜203、第二反射镜211与定标镜208组成定标谐振腔。本领域技术人员可以理解，在定标谐振腔模式下，第二反射镜211可以将第一反射镜203反射的光线反射至定标镜208，或者可以将定标镜208反射的光线反射至第一反射镜203。
在一些实施例中，如图2c所示，镜体发射率测量装置还包括电动旋转台212，第二反射镜211可以设置在电动旋转台212上。在一些实施例中，第二反射镜211可以通过电动旋转台212实现光路在定标谐振腔和测量谐振腔之间转换。例如，可以由处理器205控制电动旋转台212旋转，进而带动第二反射镜211转动实现光路在定标谐振腔和测量谐振腔之间转换。
在一些实施例中，如图2b和图2c，测量谐振腔的出射激光光强可以表示为公式(3)
PN＝P0(1-αx)N(1-α0) (3)
其中，N为激光在待测镜表面反射次数，αx为待测镜的吸收率，其大小等于待测镜的发射率εx，PN为测量谐振腔的出射激光光强，P0为激光器的出射激光光强，α0为常数。
在一些实施例中，如图2b和图2c，定标谐振腔的出射激光光强可以表示为公式(4)
PN′＝P0(1-αs)N(1-α0) (4)
其中，αs为定标镜的吸收率，PN′为定标谐振腔的出射激光光强。
在一些实施例中，可以基于公式(3)和公式(4)确定公式(2)。
在一些实施例中，如图2a-c所示，镜体发射率测量装置还包括摆镜202，摆镜202沿激光传输方向设置。在一些实施例中，如图2a，摆镜202可被调整至第一工作状态(I)和第二工作状态(II)。例如，摆镜202与处理器205电性连接，处理器205控制摆镜202被调整至第一工作状态或第二工作状态。在一些实施例中，处理器205还被配置为基于测量谐振腔出射的激光束强度、反射次数N、激光接收装置的吸收率确定镜体的发射率。在一些实施例中，镜体发射率可以基于公式(5)确定：
Figure BDA0003436466770000071
其中，εx为待测镜的发射率，N为激光在待测镜表面反射次数，αre为已知或已经被标定过的激光接收装置吸收率，PN为测量谐振腔的出射激光光强，
Figure BDA0003436466770000072
为摆镜调整到第二工作状态(II)时进入光探测器的激光光强，其中，
Figure BDA0003436466770000073
的大小等于入射到测量谐振腔的激光光强。
在一些实施例中，PN通过将摆镜调整到第一工作状态(I)时获得。
在一些实施例中，在摆镜202处于第一工作状态下，激光束经过摆镜202反射后进入测量谐振腔。例如，激光束经过摆镜202一次反射后进入测量谐振腔，激光束在测量谐振腔内连续反射，其中在镜体206经过N次反射、在激光接收装置203经过N-1次反射。在一些实施例中，第一工作状态下测量谐振腔的出射激光强度可以基于公式(6)确定：
PN＝P0(1-αx)N(1-αre)N-1(1-αsw) (6)
其中，N为激光在待测镜表面反射次数，αx为待测镜的吸收率，其大小等于待测镜的发射率εx，PN为测量谐振腔的出射激光光强，P0激光器的出射激光光强，αre为已知或已经被标定过的激光接收装置吸收率，αsw为摆镜的吸收率。
在一些实施例中，摆镜吸收率αsw和激光器出射激光光强P0已知或被标定，可以基于公式(6)中的摆镜吸收率αsw和激光器出射激光光强P0确定公式(1)中的入射到测量谐振腔的激光束的强度PI。
在一些实施例中，在摆镜202处于第二工作状态下，激光束经过摆镜202反射后进入光探测器204。例如，激光束经过摆镜202一次反射后进入光探测器204。在一些实施例中，第二工作状态下进入光探测器204的激光强度可以基于公式(7)确定：
Figure BDA0003436466770000081
其中，
Figure BDA0003436466770000082
为第二工作状态下进入光探测器的激光光强，其大小等于入射到测量谐振腔的激光光强，P0为激光器出射激光光强，αsw为摆镜的吸收率。
在一些实施例中，可以基于公式(6)和公式(7)确定公式(5)。
在一些实施例中，如图2a-c所示，镜体发射率测量装置还包括激光器201，用于向测量谐振腔或定标谐振腔发射激光。在一些实施例中，如图2b-c所示，镜体发射率测量装置还包括聚光镜209，聚光镜209沿激光出射方向设置。在一些实施例中，测量谐振腔或定标谐振腔出射的激光束经聚光镜209导入光探测器204。
在一些实施例中，激光束在镜体206的反射次数N可以基于谐振腔(例如，共轴谐振腔)的光线传输矩阵理论确定。在一些实施例中，基于谐振腔的光线传输矩阵理论，可以根据镜体206的曲率半径、激光接收装置(例如，第一反射镜203)的曲率半径、激光接收装置(例如，第一反射镜203)的开孔(例如，通光孔207)大小、谐振腔(例如，测量谐振腔)长度来控制激光束在镜体206的反射次数N。
示例性地，根据共轴谐振腔的矩阵理论，曲率半径为R1的第一反射镜(先假定第一反射镜无孔，例如第一反射镜中心无孔)和曲率半径为R2的待测镜间隔L构成谐振腔，通光镜发出的傍轴光线在腔内一次往返的矩阵可以表示为公式(8)：
Figure BDA0003436466770000091
其中，A、B、C、D是光线在谐振腔内往返一次的光线传输矩阵元素值。
经过N次往返后的光线传输矩阵可以由公式(9)表示：
Figure BDA0003436466770000092
式中，AN、BN、CN、DN是光线在谐振腔内往返N次的传输矩阵元素值，φ＝arccos[(A+D)/2]，谐振腔的稳定性条件为-1<(A+D)/2<1。
经过N次往返后，光线在第一反射镜的投射位置rN和投射角度θN可以由公式(10)表示：
Figure BDA0003436466770000101
其中，r1为光线在第一反射镜的起始投射位置，θ1为光线在第一反射镜的起始投射角度。
设定第一反射镜的开孔位置等于r1(例如，通光镜的中心开孔时，r1＝0)，在待测镜反射N次后，光线在第一反射镜的透射位置rN可以表示为公式(11)：
Figure BDA0003436466770000102
由公式(11)可知，光线在第一反射镜的透射位置rN周期性变化，幅度为Bθ1/sinφ。
基于共轴谐振腔的矩阵理论，控制反射次数N的一个具体例子(不限于此例)：设定第一反射镜的曲率半径为1000mm，待测镜为平面镜，测量谐振腔的腔长为800mm，基于公式(8)，容易计算此腔(A+D)/2＝-0.6，测量谐振腔为稳定腔。通过数值计算，并对Bθ1/sinφ归一化，得rN值如图3。从图3可知，如果在第一反射镜203的中心开孔大小为光线位置幅值的0.12(对应横向虚线)，经过17次往返后，光线将从小孔(例如，通光孔207)射出；如果开孔大小略大于0.2，经过7次往返，光线将从小孔射出。
图4示出根据本发明一些实施例的镜体发射率的测量方法400的流程图。方法400可以应用于镜体测量装置，例如，图1示出的镜体测量装置100，图2a-c中示出的镜体测量装置200a-c。方法400中的部分或全部步骤可以由软件、固件和/或硬件来实现。在一些实施例中，方法400可以实现为计算机可读的指令。这些指令可以由通用处理器或专用处理器(例如，图1中示出的处理器105和图2a-c所示的处理器205)读取并执行。在一些实施例中，这些指令可以存储在计算机可读介质上。
参看图4，在步骤401，获取测量谐振腔出射的激光束的强度，测量谐振腔包括激光接收装置与镜体。在一些实施例中，测量谐振腔例如可以是图1和图2a-c中的测量谐振腔。
在步骤402，基于测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定镜体的发射率，其中N≥2，N为入射的激光束在所述镜体表面的反射次数。
在一些实施例中，方法400还包括：获取入射到测量谐振腔的激光束的强度；基于测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，激光接收装置的吸收率，确定镜体的发射率。在一些实施例中，可以基于公式(1)确定镜体发射率。
在一些实施例中，方法400还包括：获取定标谐振腔出射的激光束的强度，定标谐振腔包括激光接收装置与定标镜；以及基于测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、定标谐振腔出射的激光束的强度和定标镜的镜面吸收率，确定镜体的发射率。在一些实施例中，可以基于公式(2)确定镜体的发射率。
在一些实施例中，方法400还包括：基于摆镜调整到第一工作状态(I)时测量谐振腔出射的激光束的强度、摆镜调整到第二工作状态(II)时进入光探测器的激光光强、反射次数N、激光接收装置的吸收率，确定镜体的发射率。在一些实施例中，可以基于公式(5)确定镜体的发射率。在一些实施例中，摆镜例如是如图2a中示出的摆镜202，通过将摆镜202调整至第一工作状态(I)可以获取测量谐振腔出射的激光束的强度，通过将摆镜202调整至第二工作状态(II)可以获取进入光探测器的激光光强。
在发明人知晓的相关技术中，发射率测量方法包括辐射法、量热法和反射法。镜面发射率一般很低，辐射法很难测到镜体的辐射信号镜面辐射，激光量热法灵敏度较高，但是需要构造包含待测镜面的严格恒温环境，口径不宜过大。
本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法具有如下特点：
1、本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法中的激光是连续光源。
2、本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法用待测镜面构造谐振腔，通过调整谐振腔腔长，可以改变激光在待测镜面的反射次数，能够测量任意曲率半径的待测镜。
3、本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法采用镜面直接反射测量发射率，测量谐振腔的作用是增加镜面反射次数，提高信噪比。
4、本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法可以通过调整定标镜、镜体位置，改变激光在测量谐振腔或定标谐振腔内的反射次数。
5、本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法第一反射镜曲率半径可变，不限于凹面镜，激光从通光镜中心孔进入测量谐振腔，从同一小孔出射。
本发明一些实施例的镜体发射率测量装置和镜体发射率测量方法利用镜体构造稳定谐振腔，使激光在镜体表面多次反射，提高镜面发射率测量精度，能够满足任意曲率、任意口径的待测镜测量需求。

Claims (13)

1.一种镜体发射率测量装置，其特征在于，包括：
激光接收装置和镜体，所述激光接收装置用于与所述镜体组成测量谐振腔，所述测量谐振腔被配置为：入射的激光束在所述镜体表面反射N次之后射出所述测量谐振腔，其中N≥2；
光探测器，所述光探测器用于探测所述测量谐振腔出射的激光束的强度；
处理器，所述处理器被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。
2.根据权利要求1所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，所述处理器还被配置为：基于入射到所述测量谐振腔的激光束的强度、所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。
3.根据权利要求1所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，所述激光接收装置包括光反射部，所述光反射部用于与所述镜体组成所述测量谐振腔。
4.根据权利要求3所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，所述光反射部包括第一反射镜，所述入射的激光束经过第一反射镜进入所述测量谐振腔，所述出射的激光束经所述第一反射镜射出所述测量谐振腔。
5.根据权利要求4所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，所述第一反射镜设有通光孔。
6.根据权利要求4所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，所述光反射部还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在所述第一反射镜与所述镜体的光路之间。
7.根据权利要求1所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，还包括定标镜，所述定标镜与所述激光接收装置组成定标谐振腔，用于对所述激光接收装置进行定标。
8.根据权利要求7所述的一种镜体发射率测量装置，所述处理器还被配置为：基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、所述定标谐振腔出射的激光束的强度和所述定标镜的镜面吸收率，确定所述镜体的发射率。
9.根据权利要求1所述的一种镜体发射率测量装置，其特征在于，还包括摆镜，所述摆镜沿激光传输方向设置，所述处理器还被配置为：
基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、所述激光接收装置的吸收率，确定所述镜体的发射率。
10.一种镜体发射率的测量方法，其特征在于，包括：
获取测量谐振腔出射的激光束的强度，所述测量谐振腔包括激光接收装置与镜体；以及
基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率，其中N ≥2，N为入射的激光束在所述镜体表面的反射次数。
11.根据权利要求10所述的一种镜体发射率的测量方法，其特征在于，包括：获取入射到所述测量谐振腔的激光束的强度；
基于所述入射到所述测量谐振腔的激光束的强度、所述测量谐振腔出射的激光束的强度和反射次数N，确定所述镜体的发射率。
12.根据权利要求10所述的一种镜体发射率的测量方法，其特征在于，包括：
获取定标谐振腔出射的激光束的强度，所述定标谐振腔包括所述激光接收装置与定标镜；以及
基于所述测量谐振腔出射的激光束的强度、反射次数N、所述定标谐振腔出射的激光束的强度和所述定标镜的镜面吸收率，确定所述镜体的发射率。
13.根据权利要求10所述的一种镜体发射率的测量方法，其特征在于，包括：
基于摆镜调整到第一工作状态（I）时所述测量谐振腔出射的激光束的强度、所述摆镜调整到第二工作状态（II）时进入所述光探测器的激光光强、反射次数N，确定所述镜体的发射率。
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