CN117589426A - 一种光学系统光谱透过率测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学系统光谱透过率测试装置，属于光学工程领域。该装置由单色光源模块、照明模块、准直光学模块、参考会聚模块、光强探测模块、调制解调模块和计算机组成。单色光源模块经过调制解调模块中的斩波器后产生交变的单色光源，照明至位于准直光学模块焦平面的小孔上，经过准直光学模块准直后分别入射至被测光学系统和参考会聚模块上，出射光由光强探测模块接收后产生电流信号，并由调制解调模块对电流信号进行解调。比较被测光学系统和参考会聚模块分别产生的电流信号，由计算机采集该电流信号并解算出被测光学系统的光谱透过率值，实现了亮背景条件、全口径测试的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统系统参数测试的技术领域，特别涉及一种光学系统光谱透过率测试装置。
背景技术
本发明所涉及的领域为光学检测领域，主要是对一定口径光学系统光谱透过率测试。光学系统透过率定义为被测系统的出射光通量与入射光通量之比来表征，它是标志光学系统传输光辐射能强弱，表征光学系统质量的一个重要性能指标，其大小影响到成像信噪比高低。光学系统的光谱透过率则采用功率值进行表征，即在每个波长下出射光的辐通量与入射光的辐通量之比进行表征。
传统的透过率测试方法主要存在以下两个缺点。第一，测试通常采用单通道检测方法，该法通过测试被测试件位于光信道和移出光信道两种情况下的信号值，两者比值得到光学透过率。由于被测信号为直流信号，无法避免背景光和1/f噪声的干扰，测试须在暗室中进行。可见，单通道检测法一方面易受各种噪声如白噪声背景光的影响。第二，对光学系统的测试往往采用细光束，无法覆盖整个系统的口径，这样采用细光束代表整个口径的方式显然存在着非常大的误差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种光学系统光谱透过率测试装置，该装置基于相关放大原理对光谱透过率进行测试。光谱透过率测试用的单色光往往采用单色仪作为光源，但是该光源经过分光后其光强已经非常微弱，特别容易受环境光的影响。为了解决该问题，采用斩波器对输入源进行调制，用锁相放大器对输出电信号进行精确锁频，可以有效地消除杂光影响，从而对斩波频率的光源产生的电压/电流信号检测。另外，将单色光进行会聚后经准直系统进行准直，产生成一定的口径大小的准直光，可以满足不大于准直系统直径的光学系统光谱透过率检测，从而实现了光学系统全口径光谱透过率测试。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种光学系统光谱透过率测试装置：所述装置由单色光源模块1、照明模块2、准直光学模块3、参考会聚模块4、光强探测模块5、调制解调模块6和计算机7组成，以上组成光学系统光谱透过率测试装置，可以为被测系统8提供一定范围光谱和全口径的光谱透过率测试。
进一步的，调制解调模块6的斩波器29位于单色光源模块1的卤素灯12之后、入射光阑13之前，斩波器29将卤素灯12的光调制成一定频率的调制光。
进一步的，照明模块2位于单色光源模块1之后，并对单色光源模块1的出射光阑17出射光进行会聚，形成与准直光学模块3数值孔径相匹配的照明光，设计时使得会聚光的数值孔径稍大于准直光学模块3的数值孔径。
进一步的，参考会聚模块4的可变光阑22调节为与被测系统8口径相适应的大小。
进一步的，参考会聚模块4的参考会聚镜24和被测系统8对准直光学模块3出射的平行光进行会聚，分别入射至光强探测模块5的积分球26出口处，并由积分球26进行匀化。
进一步的，调制解调模块6的锁相放大器30接受光强探测模块5的功率探头27的输出的交变电流信号，并由锁相放大器30解调为电流值。
所述单色光源模块1由光源模块9和分光模块10组成，光源模块9提供稳定的、满足波长范围要求的光源，分光模块10将光源模块9的入射光进行分光，从而提供单色光源照明。
进一步的，所述分光模块10是由入射光阑13、准直镜114、衍射光栅15、准直镜216和出射光阑17组成，将单色光源模块1的输出光细分至所需要分辨率的单色光。
所述参考会聚模块4由导轨120、可变光阑支撑架21、可变光阑22、导轨223、参考会聚镜24、参考会聚镜支撑架25组成。
进一步的，可变光阑22安装在可变光阑支撑架21上，可变光阑支撑架21位于导轨120上，这样可变光阑22可沿垂直于准直光学模块3光轴方向作一维运动。参考会聚镜24安装在参考会聚镜支撑架25上，参考会聚镜支撑架25与参考会聚镜24整体位于导轨223上，这样参考会聚镜24可沿垂直于准直光学模块3光轴方向作一维运动。
进一步的，可变光阑22的光阑口径依据被测系统8口径大小进行调节，满足被测系统8口径大小要求。
所述光强探测模块5由积分球26、功率探头27和调整台28组成，其特征在于功率探头27安装于积分球26之上，功率探头27探测面与积分球26出口面对齐。积分球26和功率探头27均位于调整台28之上，用于调整参考会聚镜24及被测系统8的会聚光会聚至积分球26入口处。
进一步的，积分球26的入口大要稍大于参考会聚镜24和被测系统8的会聚光斑大小。
进一步的，功率探头27的探测灵敏度要高于由积分球26匀化后的光强大小。
所述被测系统8位于调节架31之上，用于对被测系统8位置的调整，主要用于调整会聚光斑与积分球26入口的位置关系。
所述调制解调模块6由斩波器29和锁相放大器30组成，斩波器29与锁相放大器30通过BNC导线相连，用于提供触发信号给锁相放大器30。功率探头27的电流信号通过BNC线导线输入至锁相放大器30。
计算机7通过串口将锁相放大器30的信号采集至计算机中，计算出透过率测试值。
本发明的有益效果在于：
本发明基于微弱信号检测原理，通过对单色光源进行斩波，使得原有直流信号变为交流信号。调制后的单色光经过准直系统的准直，形成一定口径的平行光。采用光强探测模块及锁相放大器分别测试入射至被测系统前后的光强大小，从而计算出被测系统的光谱透过率。采用以上的手段，可以有效地在亮背景条件下，对光学系统全口径光谱透过率测试。该方法与现有测试方式相比，具有高抗干扰、全口径测试的特点，可以全天候和全面地评价光学系统的技术参数指标。
附图说明
图1是本发明一种光学系统光谱透过率测试装置示意图；
图2是本发明单色光源模块示意图；
图3是本发明准直光学模块示意图；
图4是本发明参考会聚模块示意图；
图5是本发明光强探测模块示意图；
图6是本发明调制解调模块示意图；
图7是本发明被测光学系统调节架示意图。
图中零部件的标号说明：
1.单色光源模块、2.照明模块、3.准直光学模块、4.参考会聚模块、5.光强探测模块、6.调制解调模块、7.计算机、8.被测系统、9.光源模块、10.分光模块、11.稳压电源、12.卤素灯、13.入射光阑、14.准直镜1、15.衍射光栅、16.准直镜2、17.出射光阑、18.目标孔、19.准直镜、20.导轨1、21.可变光阑支撑架、22.可变光阑、23.导轨2、24.参考会聚镜、25.参考会聚镜支撑架、26.积分球、27.功率探头、28.调整台、29.斩波器、30.锁相放大器、31.调节架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
为了使光源功率稳定，单色光源模块采用了卤素灯作为照明光源，在卤素灯后和入射光阑前即放置斩波器，这样可以有效地减小外界光带来的干扰。
通过计算机设置单色光源的波长后，通过出射光阑出射的光为有一定发散角的出射光，经过照明模块进行会聚后照明位于准直镜焦平面的目标孔。照明模块需要充分的设计，使得照明光大小既覆盖目标孔的大小，有稍大于准直镜的数值孔径，这样就可以使得准直光充满准直镜的口径。
对被测光学系统透过率进行测试时，需要分成两个步骤，即入射光测试和出射光测试。首先对入射光进行测试。根据被测系统的通光口径大小通过导轨1及可变光阑支撑架进行可变光阑位置调整，使得平行光束口径充满被测系统口径。将被测系统移开通过导轨2及参考会聚镜支撑架放置参考会聚镜，会聚镜将平行光会聚并入射至积分球入口，通过功率探头及锁相放大器后得到测试电信号。设平行光束的波长为λi，辐通量为Φλi，聚光镜光谱透过率为τ1λi，光电探测器和锁相放大器转换系数Rλi，则可以得到锁相放大器输出信号V1(λi)如下式所示，
V1(λi)＝φλi·τ1λi·Rλi (1)
然后将参考会聚镜替换为被测系统，平行光束保持不变波长为λi、辐通量仍为Mλi，被测系统光谱透过率为τ2λi，光电探测器和锁相放大器转换系数Rλi，则可以得到锁相放大器输出信号V2(λi)如下式所示，
V2(λi)＝φλi·τ2λi·Rλi (2)
通过式(1)和式(2)，可以得到被测系统的光谱透过率τ2λi如下式3所示，
将参考参考会聚镜的透过率标定结果带入上式，便可以求出被测光学系统的光谱透过率。
式(3)中将光强为Mλi和光电探测器和锁相放大器转换系数Rλi同时除去，前提建立在两次测试过程中光强基本不变以及光电探测器和锁相放大器转换基本不变的情况前提下，若上述两个过程发生变化，则会带来测试结果的影响；
输出信号V1和V2是测试系统的关键，由于经过分光后的光强非常微弱，与外界环境杂光比起来很弱，因此需要采用斩波器及锁相放大器尽可能提高信噪比；
除了输出信号V1和V2外，需要对参考会聚镜的光谱透过率进行严格控制，不仅需要精确测试其光谱透过率τ1(λi)，还要要求其在通过孔径的范围内空间变化小。
具体地，如图1所示，所述装置由单色光源模块1、照明模块2、准直光学模块3、参考会聚模块4、光强探测模块5、调制解调模块6和计算机7组成，所述装置为被测系统8提供一定范围光谱和全口径的光谱透过率测试；其中，单色光源模块1产生调制的单色光，由照明模块2会聚至位于准直光学模块3焦平面上的目标孔上形成准直光，准直光分别经过被测系统8和参考会聚模块4产生会聚光，光强探测模块5对会聚光进行收集并产生交变电流信号，调制解调模块6将交变电流信号进行解调并采集至计算机7中进行计算。
如图2所示，所述单色光源模块1由光源模块9和分光模块10组成，其中，光源模块9提供稳定的、满足波长范围要求的光源，分光模块10将光源模块9的入射光进行分光，从而提供单色光源照明；所述光源模块9由稳压电源11和卤素灯12组成；所述分光模块10由入射光阑13、准直镜114、衍射光栅15、准直镜216和出射光阑17组成；
所述照明模块2将单色光源模块1的出射光阑17出射的光进行会聚，形成具有一定数值孔径且与准直光学模块3相匹配的照明光；
如图3所示，所述准直光学模块3由目标孔18和准直镜19组成，且目标孔18位于准直镜19的焦平面上；
如图4所示，所述参考会聚模块4由导轨120、可变光阑支撑架21、可变光阑22、导轨223、参考会聚镜24、参考会聚镜支撑架25组成，其中，可变光阑22安装在可变光阑支撑架21上，可变光阑支撑架21位于导轨120上，使可变光阑22沿垂直于准直光学模块3光轴方向作一维运动；参考会聚镜24安装在参考会聚镜支撑架25上，参考会聚镜支撑架25与参考会聚镜24整体位于导轨223上，使参考会聚镜24沿垂直于准直光学模块3光轴方向作一维运动；
如图5所示，所述光强探测模块5由积分球26、功率探头27和调整台28组成，其中，功率探头27安装于积分球26之上，功率探头27的探测面与积分球26的出口面对齐，积分球26和功率探头27均位于调整台28之上；
如图6所示，所述调制解调模块6由斩波器29和锁相放大器30组成，其中，斩波器29位于卤素灯12之后入射光阑13之前，斩波器29与锁相放大器30通过BNC导线相连；
所述计算机7通过串口将锁相放大器30的信号采集至计算机中，分别得到经被测系统8的电流信号和和经参考会聚模块4的电流信号，再结合参考会聚模块4的光谱透过率标定值从而计算出被测系统8的光谱透过率；
如图7所示，所述被测系统8位于调节架31之上，所述调节架31对被测系统8进行位置的调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种光学系统光谱透过率测试装置，其特征在于：
所述装置由单色光源模块(1)、照明模块(2)、准直光学模块(3)、参考会聚模块(4)、光强探测模块(5)、调制解调模块(6)和计算机(7)组成，所述装置为被测系统(8)提供一定范围光谱和全口径的光谱透过率测试；其中，单色光源模块(1)产生调制的单色光，由照明模块(2)会聚至位于准直光学模块(3)焦平面上的目标孔上形成准直光，准直光分别经过被测系统(8)和参考会聚模块(4)产生会聚光，光强探测模块(5)对会聚光进行收集并产生交变电流信号，调制解调模块(6)将交变电流信号进行解调并采集至计算机(7)中进行计算；
所述单色光源模块(1)由光源模块(9)和分光模块(10)组成，其中，光源模块(9)提供稳定的、满足波长范围要求的光源，分光模块(10)将光源模块(9)的入射光进行分光，从而提供单色光源照明；所述光源模块(9)由稳压电源(11)和卤素灯(12)组成；所述分光模块(10)由入射光阑(13)、准直镜1(14)、衍射光栅(15)、准直镜2(16)和出射光阑(17)组成；
所述照明模块(2)将单色光源模块(1)的出射光阑(17)出射的光进行会聚，形成具有一定数值孔径且与准直光学模块(3)相匹配的照明光；
所述准直光学模块(3)由目标孔(18)和准直镜(19)组成，且目标孔(18)位于准直镜(19)的焦平面上；
所述参考会聚模块(4)由导轨1(20)、可变光阑支撑架(21)、可变光阑(22)、导轨2(23)、参考会聚镜(24)、参考会聚镜支撑架(25)组成，其中，可变光阑(22)安装在可变光阑支撑架(21)上，可变光阑支撑架(21)位于导轨1(20)上，使可变光阑(22)沿垂直于准直光学模块(3)光轴方向作一维运动；参考会聚镜(24)安装在参考会聚镜支撑架(25)上，参考会聚镜支撑架(25)与参考会聚镜(24)整体位于导轨2(23)上，使参考会聚镜(24)沿垂直于准直光学模块(3)光轴方向作一维运动；
所述光强探测模块(5)由积分球(26)、功率探头(27)和调整台(28)组成，其中，功率探头(27)安装于积分球(26)之上，功率探头(27)的探测面与积分球(26)的出口面对齐，积分球(26)和功率探头(27)均位于调整台(28)之上；
所述调制解调模块(6)由斩波器(29)和锁相放大器(30)组成，其中，斩波器(29)位于卤素灯(12)之后入射光阑(13)之前，斩波器(29)与锁相放大器(30)通过BNC导线相连；
所述计算机(7)通过串口将锁相放大器(30)的信号采集至计算机中，分别得到经被测系统(8)的电流信号和和经参考会聚模块(4)的电流信号，再结合参考会聚模块(4)的光谱透过率标定值从而计算出被测系统(8)的光谱透过率；
所述被测系统(8)位于调节架(31)之上，所述调节架(31)对被测系统(8)进行位置的调整。
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