（测试计量技术及仪器专业论文）光学系统可见光透过率测试技术研究.pdf

摘要 本论文主要研究光学系统可见光透过率测试方法。透过率反应了经过光学系统的 光线能量的损失情况本系统基于互相关检测技术，采用双通道原理进行，光电检测 技术进行可见光的透过率测试。和以往的单通道法检测相比，能有效抑制背景噪声和 l 厂噪声。系统可工作在亮场条件下，并同时对双通道进行检测，。测量方便且精度高。 而且，通过计算机软硬件实现对测量结果的实时监测和后期处理。系统测试精度达到 l 。 本论文介绍了上述系统的总体结构；并对各分系统进行原理叙述；设计照明系统， 并对斩光器进行改进，消除其带来的测量误差；通过对校正滤光片、光电池和光纤的 选配及各分系统的合理搭配构建了测试系统。并为后续研究作了理论铺垫。 关键词：可见光透过率光学系统互相关锁相放大器 a b s t r a c t t h eo p t i c a lc a p a b i l i t yo fv i s i b l el i 0 1 tt r a n s m i t t a n c ei ss t u d i e do nt h i sp a p e r t h e t r a n s m i t t a n c er e s p o n d e dt h el o s ss i t u a t i o ni nl i 啦e n e r g yc r o s s i n go p t i c a ls y s t e m t h e s y s t e m i sb a s e do nt h e p r i n c i p l e o fc r o s 争c 日玎d a t i d e t e c t i o n ,a n dm c a s u l 屯t h e t r a n s m i t t a n c eo fv i s i b l et i g h to p t i c a ls y s t e mt h o u g ht h ew a yo fd u a l - c h a n n e l s ，a n dp h o t o e l e c t r i c i t ye x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yt oc a r r yo nt h ev i s i b l el i g h tt r a n s t n i t t a n c et e s t c o m p a r e t ot h ep l 葛v i o u sw a y , e l i m i n a t et h eb a c k g r o u n da 【t 0 fi nm e a s u r i n gm a n yt i m e s a n dr e s t r a i n t h e 、ljn o i s es i g n a lm o r ee f f e c t i v e l y i na d d i t i o n , t h ew h o l es y s t e mc a nw o r ko nt h e c o n d i t i o n so fl i g h t 丘e l d m e a n w h i l e t e s tt h ed o u b l ec h a n n e ls i g n a l s 砒t h es a m e , t h u s , i t s c o n v e n i e n c ea n dh i g h - p r e c i s i o n a 回m o n i t o r i n ga n dd e a l i n gw i t ht h er e s u l ti nr e a l - t i m e t h et e s t i i l ga c c u r a c yr e a c h e sl t h ep r e s e n tp a p e rh a ss t u d i e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r em e n t i o n e da b o v e ；a n dn a r r a t et h e p r i n c i p l e o fe a c hs u b d i v i d e ds y s t e m ；d e s i g nt h e f i g h t i n gs y s t e m , a n dm a k et h e i m p r o v e m e n tt ot h et i g h tc h o p p e r , e l i m i n a t e sm e a s u r i l l ge r r s , t h r o u g ht oa d j u s t e dt h el i g h t f i l t e r , t h es o l a rb a t t e r ya n dt h e0 p l t i c a lf i b e rs e l e c t sa n d m a t c h e sv a r i o u ss u b s y s t e m s r e a s o n a b l yt oc o n s t r u c tt h ew h o l e t e s ts y s t e m a n dm a r ct h et h e o r yb a s i cf o rt h ef o l l o w i n g r e s e a r c h k e yw o r d s ：v i s i b l el i g h tt r a n s m i t t a n c eo p t i c a ls y s t e m c r o s s c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nl o c k - i na m p l i f i e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声踢 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文。光学系统可见光透过率测试技术研究是本人在 指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容步 ，奉论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：显备盈 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲嗡t - + - 指导导师签名：i ：三狸亟二遮年二月三2 日 第一章绪论 1 1引言 近年来，随着光电技术的快速发展，军用、民用的光电测试设备的研制越来越受 到重视，而对研制设备的光电性能参数测试的需要也日趋紧迫。但由于原有的技术条 件，使得对系统性能参数的测试技术发展很缓慢，因此我们的研究有着十分重要的意 义。本课题就是在这种大形势下，对光学系统透过率测试进行的深入研究。 透过率是光学系统的一种重要指标，其直接影响观察成像时像的亮度的大小。因 而对光学系统的透过率的测试非常的重要光学系统透过率f ，是指仪器出射光束的 光通量研。与入射的光通量埘。的比值“1 ，即： f ：堕1 0 0 它标志着进入仪器的光线由于光学零件的反射、吸收及气泡、表面疵病和污物造 成的散射等而使光通量受到损失的程度。 在现阶段的对于光学系统的透过率的测试主要是依靠传统的测试系统来实现的， 传统的对于光学系统的透过率的测试都是通过单通道系统实现的，即测出光束不通过 被测系统时的测试( 简称空测) 读数值与光束通过被测系统时的测试( 简称实测) 读数值 进行比对以得到被测系统的透过率。单通道系统有其本身的固有无法避免的缺点，如 对背景光要求比较严格，为了避免杂散光对测试结果的影响，就要求测试必须在暗室 中进行；由于对空测与实测是在单通道系统中进行的，由于光源的不稳定性等因素使 得测试误差比较大，以及为改善出射光束的性质需要加入附加的透镜就使得系统的结 构比较复杂等等一系列缺点。而新型的光学系统的透过率的测试系统针对于传统的望 远系统透过率的测试系统的不足进行改进。其主要的改进在于其结构形式一改传统的 光学系统的透过率的测试系统的单通道形式，而采用光纤双通道系统对于光学系统的 透过率测试进行空测与实测，以消除传统的单通道望远系统透过率测试系统的缺陷， 可以使测试的精度大大的提高。同时在测试系统中加入斩波器对被检测的光束进行调 制，使得最后入射到光电池上的被测试光束为被斩波器调制的高频的脉冲的光束，这 就使测试不必在暗室中进行，而且相应的提高了测试的精度，使测试的环境要求降低。 而且在测试的电路系统当中加入了锁相放大器使得测试的电路系统中的背景信号得以 减小，这是本设计中提高测试精确度的至关重要的一部分。同时本设计的装置的结构 比较紧凑，简洁。而且本测试系统易于操作。 本测试系统的结构比较灵活，论文以讨论对望远系统透过率测试为主，系统经过 少许的改进同样可以作为显微系统、照相系统等其他的光学系统的透过率的测试的装 置。 1 。2 课题来源、研究目的及意义 本课题来源于光学系统可见光透过率测试项目，光学系统透过率作为光学系统象 质评价的另一重要指标，和光学传递函数一样，其测量也是相当重要的，因为其大小 影响到成像信噪比高低，它是系统能量传输的重要指标乜1 。 本论文是对系统光学性能中可见光透过率性能的研究光学系统的透过率反映了 经过该系统治后光能量的损失程度。对于目视仪器来说，如果透过率比较低，则使用 这种仪器观察时主管亮度将降低。如果某些波长光的透过率特别低，则视场里就会看 到不应有的带色现象，例如所谓的“泛黄”现象。如果可见光波段的透过率低，将降 低对其后方光学系统的照度，则其后方光路的亮度将大大降低，直接影响成像质量， 使用时就要增加光通量所以光学系统的透过率是成像质量的重要指标之一，对光学 系统透光率的测量有着至关重大的意义。 1 3 本文研究的主要内容及主要技术指标 i 本文的主要的研究内容为： 第一章简单介绍课题的来源及论文主要研究内容；第二章介绍光学系统可见光透 过率测试系统传统测试方法，重点介绍望远系统的测试方法；第三章针对测试系统展 开详细介绍；第四章为测试系统的主要分系统设计部分；第五章进行了系统误差分析。 其中第三、四部分为论文的主体 2 主要技术指标 技术要求： 测试范围： 仪器精度： 测量重复性精度： 可见光波段 so 1 o 2 2 第二章可见光透过率传统测试方法 2 1 光学系统透过率概述。 透过率是光学系统的一种重要指标，其直接影响观察成像时像的亮度的大小因 而对光学系统的透过率的测试非常的重要。光学系统透过率f ，是指仪器出射光束的 光通量所。与入射的光通量埘。的比值m ，即： f ：堕1 0 0 它标志着进入仪器的光线由于光学零件的反射、吸收及气泡、表面疵病和污物造 成的散射等而使光通量受到损失的程度。 2 2 可见光透过率传统测试方法 2 2 1 照相物镜透过率的测试方法 下面简单介绍现有测量照相物镜的可见光透过率测量方法： 测量主要采用单通道法，所谓单通道检测法，是指将被测试品放在测试光路中得 到的实测值和撤掉被侧试品的空测值之比，即为被测试品的光学透过率。 测量原理：点光源平行光管用以提供进入系统得轴向光束光通量。硒光电池的光 谱特性与入眼接近，光电流与照射光通量近似成正比。用检流讦分别测得与入射光通 量f 对应的光电流( 简称“空测”) 和于通过系统后的光通量对应的光电流( 简称“实 f ， 一 测”) ，便可计算出系统的透过率f = 二：= = 兰1 0 0 式中m 、肼l 分别为空测和实 ，聊 测时的检流计读数“ 测量时分空测和实测两步。在空测时，可变光阑的口径应小到保证，是全部光束 进入积分球，积分球应靠近可变光阑。实测时，积分球放置在被测照相物镜之后的会 聚光束中注意调节积分球的位置，最好使透射到内壁上的光斑直径和位置与空测时 相近。这样可减少由于内壁涂层布均匀对测量准确度的影响实测时可在光束的会聚 点附近另外加一限制光阑，以避免由被测照相物镜的物镜的透过率为f = 【埘o 所t j 1 0 0 。 由于积分球的进光孔径一般都比较小，所以上述方法只能对入射光瞳直径较小的 照相物镜测量。对于如同直径较大的照相物镜可以利用附加透镜的方法来测量。测量 时将可变光阑口径开到小于被测照相物镜的入射光瞳直径，或者按规定要求调节。 照相物镜的透过率一般都是指轴上透过率。也有一些广角照相物镜需要研究透过 3 率随视场变化的情况。测量轴外透过率时，要使被测照相物镜大致绕其入射光瞳中心 旋转相应的视场角需要注意的是使光束的中心与入射光瞳中心与入射光瞳中心大致重 合。并且应保证光束在不被切割的情况下通过被测物镜。积分球要正对来自被测物镜 的出射光束“1 ( 1 ) 照相物镜轴上点透过率的测量 图2 1 5 所示为照相物镜轴上点透过率测量的光路图。直接测量物镜透过率时，它 由白炽灯通过窄带滤光片f 照明，或者由单色仪产生的单色光照明通过检流计分别测 出与入射光通量币对应的光电流鸭( 即“空测”，见图2 1 ( a ) 所示) 和j ，l l ( 即。实测一， 见图2 1 ( b ) 所示) ，照相物镜轴上点透过率为 f ；生。堕1 0 0 尹 要使测得的是摄影透过率，则应使用与被测物镜实际使用光源性能相同的光源， 探测器的光谱灵敏度曲线通过加入的修正滤光片校正到与被测物镜所用感光胶片的光 谱灵敏度曲线基本一致。如果是测光谱透过率，因是逐点单色相对测量，可以不要修 正滤光片，但有时需要加修正滤光片，使得探测器的光谱灵敏度随单色光波长的变化 不大，从而有利于测量仪器的设计与制造每一波长单色辐射下的透过率由下式计算 f ：里盟1 0 0 烈a ) 图2 1 测量照相物镜轴上点透过率 1 点光源平行光管；2 一可变光阑：3 _ 兔分球；垂- 检流计；5 _ 光电探测器； 6 _ 待检照相物镜；7 一视场光阑 在规定波长范围内按一定波长间隔逐点测量，可得光谱透过率曲线。 对于近距离工作的物镜，如投影物镜、制版物镜等，测量光路如图2 2 所示。 4 。1 字一一k 2 图2 2 近距离工作物镜的透过率测量光路 l 小孔板；2 - 司径光阑；3 一附加透镜： 4 - 积分球；争待检物镜；6 一限制光阑 ( 2 ) 照相物镜轴外点透过率的测量 对某些广角物镜，由于透过率随视场角有较大的变化，因此除测量轴上点的透过 率外，还需测规定视场角下得透过率。其测量光路如图2 3 所示测量时，应注意使 入射光束的中心通过入瞳中心 图2 3 测量照相物镜轴外透过率的光路 1 准直物镜；2 _ - 可变光阑； 箭检照相物镜；4 一积分球 ( 3 ) 测量条件和注意事项 测量时应注意被测物镜的外露光学表面应擦拭干净，测量应在暗室内进行，仪器 照明光源漏光不能进入积分球，光电探测器应有足够好的线性，在整个测量过程中要 保持光源稳定。 2 2 2 传统的望远系统测试方法 测试的仪器大体有三种，分别有：光电透过率检查仪，b j 型透过率检查仪，t g y - 2 型透过率检查仪以下将对三种测试方法及相应的原理分别进行叙述。 ( 1 ) 用光电透过率检查仪测试望远系统的透过率： 测试的实验仪器的结构与光学系统如图2 4 所示。 测试原理：点光源平行光管l 用于提供进入系统的轴向光束的光通量f 。硒光电 池的光谱特性与人眼接近，光电流与照射光通量近似的成正比。用检流计8 分别测得 5 与入射光通量f 对应的光电流( 空测) 和与通过系统后的光通量f l 对应的光电流( 实 测) ，便可计算出系统的透过率： f ：旦1 0 0 ( 2 1 ) 式中巩光束不通过被测系统时检流计的读数值 光束通过被测系统时检流计的读数值 点光源的平行光管中，小孔光阑1 3 位于物镜1 4 的焦面上。照明灯泡能上下调节 和绕灯头摆动，使灯丝通过聚光镜1 2 所成的像充满小孔光阑：打开盖片l o 可进行检 查。物镜前的光阑1 5 孔径略小于被测系统的入瞳直径，以保证空测与实测时有相同的 入射光通量毛玻璃组5 上刻有一系列同心圆用来检查和保证其空测与实测时光束 截面( 光斑) 的大小基本相同，并且照射在硒光电池相同的部位上。 支座4 可沿导轨7 前后移动，以调节在实测的过程中硒光电池上光斑的大小，使 之与空铡时相同。支座上安置硒光电池的插座可横向微调，使实测的过程中硒光电池 上的光斑位置与空测时相同 测试方法： ( 1 ) 空测时，先直接将硒光电池组2 放在平行光管i 的插座内从检流计8 上得到与 f 对应的读数，为计算方便，可调节检流计外电路中串联的可变电阻，使读数为 1 0 0 。 ( 2 ) 实测时，将毛玻璃组5 插在支座4 上，移动支座4 或调节被测系统目镜视度( 不 得已时调节) ，使光斑的大小及位置与空测时基本相同然后用硒光电池组2 取代毛玻 璃组，从检流计上得到与玎对应的读数撼。 ( 3 ) 将检流计读数和嘲。代人公式算出透过率。 - 6 l 点光源平行光管；2 硒光电池组；3 被测系统支座：4 接收器支座：5 毛玻璃组；矗底座；7 - 导轨 ( 可摆动9 0 ) ；8 - 检流计；9 - 稳压器；l o - 盖片；1 1 一光源；1 2 - e 光镜；1 3 小孔光阑；1 4 - 平行光 管物镜；l 刚闻；1 6 - 硒光电池 图2 4 用光电透过率检查仪进行望远系统的透过率原理 注意事项： ( 1 ) 平行光管光源的色温应与被测系统使用时照明光源的色温基本一致对于在 自然光照明下使用的系统，可用灯丝密集的自炽灯泡作为光源 ( 2 ) 在整个测试过程中，照明灯泡的发光强度应是稳定的当用稳压器作电源时 其电压稳定误差应不大于l 接通电源使灯泡点燃5 l o 分钟后再进行测试 ( 3 ) 检流计外电路电阻应符合规定的临界电阻，以免光点摆动不停取读数前应 调整检流计零位 ( 4 ) 测试应在暗室内进行 ( 5 ) 测试的过程中硒光电池不允许长时间连续照射，以免疲劳 ( 6 ) 被测系统和测试仪器的全部外露通光表面，特别是有窄光束通过的表面( 如 目镜外表面) ，测试前要仔细清擦，不允许有尘土、手印和污物遮拦光线。 ( 2 ) 用b j 型透过率检查仪测试望远系统的透过率： 仪器的结构和原理： 仪器分点光源平行光管和光电接收器两大部分。除增加了附加透镜外，其主要组 成及测试原理均与光电透过率检查仪基本相同 由于目前的硒光电池各点的灵敏度相差比较大。如果在测试时不注意使光电池的 受照面积较大；使空测时与实测时光束照射在光电池上的位置、光斑的大小、光束结 构基本一致，否则将发生较大的测试误差。所以不能用硒光电池直接接收入射前与出 射后的光束进行测试，因为出射光束的照射光斑只有入射时的l r 倍，而且光束结构也 不尽相同。 7 为了避免上述的误差，亦同样为了得到较大的照射面积以及得到在空测的过程中 与实测的过程中的光斑的大小、光照的位置、光束的结构基本一致。可采用增加附加 透镜的方法进行测试，图2 5 为空测时与实测时的原理图。 图2 5 空测时与实测时的原理图 其中附加透镜i 与附加透镜u 的焦距的关系是： 彳= 瞒 ( 2 2 ) 式中：矗是附加透镜i 的焦距； 石是附加透镜i i 的焦距； r 是被测系统的放大率。 在将附加透镜i ，的材料，厚度尺寸取成一致时，由附加透镜引起的测试误差 是比较小的，可以忽略。因而对每一种被测系统备有两片附加透镜，一般做成平凸透 镜形式。它们的玻璃材料和厚度相同，而曲率半径不同( 因而焦距不同分别用在空测 与实测中。) 而由于硒光电池的光电流与其光照强度的线性关系，实际并不十分严格，为了提 高测试的精度，透过率测试仪可以配备一套中性的滤光片，以修正误差。 其测试的仪器见图2 6 所示 8 罾占 1 - 照明器；2 一聚光镜；3 _ 小孔光阑：4 - 平行光管物镜；5 光阕；6 附加透镜l ；7 - 附加透镜2 ；s 硒 光电池组；9 - 定位销；l o 毛玻璃组；11 - 调节螺钉；1 2 滑板；1 3 齿轮；1 4 齿条；1 5 指标；1 6 _ 标 尺 图2 6 用b j 型透过率检查仪测试透过事 测试方法： ( 1 ) 空测 a 在平行光管上套上附加透镜l ，取下光电接收器上的附加透镜i b 将毛玻璃组插人光电接收器的插座中，调整接收器与平行光管的相对位置并 微调插座，使平行光管的光束全部射人接收器，并且使毛玻璃片上光斑的清晰轮廓与 分划圆重合，不应有人眼可以觉察的切边或椭圆现象 c 拔出毛玻璃组，换上硒光电池组8 ，并使其在插座中插到位。待检流计上的光 点稳定后取读数 ( 2 ) 实测 a - 取下平行光管上的附加透镜l ，在光电接收器上拧入附加透镜。 b 将被测系统固定在支座上，置于平行光管和光电接收器之间，并使被测系统 尽量靠近平行光管，两者的光轴大致重合 c 从插座中拔出硒光电池组，插入毛玻璃组，用齿轮齿条机构移动光电接收器 滑板1 2 ，使指标在标尺1 6 上的读数为l l o ：其中k 是当指标指零时，附加透镜1 后 表面到接收面之间的距离，是事先可以测试或计算出来的。 d 保持l 不变( 即指标读数l 不变) ，调整整个光电接收器与被测系统的相对位 置，至毛玻璃组上光斑的清晰轮廓与分划圆重合，并且无人眼可觉察的切边和椭圆现 象。然后换上硒光电池组，从检流计上取读数帆 e 根据公式算出r 值。 3 用t g y 一2 型透过率测定仪测试望远系统的透过率： 1 g y 2 型透过率测定仪主要用于测试光学玻璃试样及被测系统的透过率。在配 9 备适当的夹持器或支座，也可用来测定光学系统的反射率 原理及结构： t ( 一2 型透过率测定仪的外形如图2 7 和光学系统如图2 8 所示由灯泡l 发出 的光线，经聚光镜2 会聚，并通过毛玻璃3 均匀照亮小孔光阑4 物镜7 可沿轴向移 动，当小孔光阑刚好位于物镜焦点上时，照明器就发出平行光束。一般情况下由照明 器发出会聚光束，进入积分球8 为了测试被测系统某波段范围的透过率，可将毛玻 璃片3 更换为相应的滤光片 图2 7t g y 一2 型透过率测定仪的外形 积分球内壁涂有高反射率的白色涂料光线进入积分球，经过内壁的多次反射后， 球壁各处的照度基本均匀一致，且照度与射入球内的光通量成正比硒光电池9 装在 积分球的一侧，并用导线与检流计l o 连接。硒光电池的光敏表面上照度与积分球内壁 其他部位的照度相同。因此，光电流的大小反映进入球内的光通量的大小为了计算 方便，常常把小调整到整数( 如1 0 0 ) ，调整的方法是改变可变光阑6 的孔径。 1 - g y 一2 型透过率测定仪由两大部分组成，即光源部分和接收部分： 1 ) 光源部分 光源部分由稳压器、变压器和照明器组成。照明器内的6 伏小灯泡由变压器供电， 而输入变压器的交流电必须经过稳压，否则检流计就不可能得到稳定的读数。 1 0 1 灯泡；2 景光镜；3 毛玻璃片：4 小孔光阑；5 - 光阑；6 _ 可变光朗；7 - 物镜；s _ 积分球；9 - 光电池； l o - 检流计 2 8t ( 一2 型透过率测定仪的光路结构 2 ) 接收部分 接收部分由积分球、硒光电池和检流计组成积分球是由两个半球组成的空心球 体，内壁涂有白色无光硫酸钡作为漫射层，涂层必须均匀，特别是积分球的后半部( 即 光线进入积分球后第一次反射的球壁部分) ，涂层均匀性更应严格球壁上开有进光的 小孔和用以安放硒光电池的窗孔 注意事项： 1 ) 仪器要求在暗室内工作 2 ) 硒光电池是直接影响仪器精度的关键元件，而其性能又容易受外界影响而变化， 所以必须注意保护。 3 ) 检流计在使用时要大致处于水平位置不要让太强的电流通过检流计。 4 ) 工作完毕应将各护盖盖好，以防灰尘落入积分球。 现将以上的三种望远系统透过率的测试系统的优缺点对比列表于表2 1 所示 ， 表2 1 三种传统透过率的测试系统优缺点对比 序号仪器名称测量误差优缺点 1 光电透过率检测仪 2 b j 型透过率检测仪 4 - 3 1 操作简便 2 具有通用性 3 精度比较低 1 1 消除了因硒光电池的各点灵敏度不 同而造成的影响，精度比较高。 2 具有一定的通用性 3 由于加入了附加透镜准备及操作比 较麻烦。 1 】 3 t g y - 2 型透过率检测仪4 - 0 5 1 消除了硒光电池的各点灵 敏度不同而造成的影响，精 度更高 2 仪器具有一定的通用性 3 对于积分球的要求比较高。 显微系统的可见光透过率测试方法与望远系统类似，这里不作详细介绍，本论文 主要研究望远系统可见光透过率测试新方法下面对现有望远系统透过率测试方法进 行比较。 2 2 3 方案的比较分析与确定 ( 1 ) 方案的比较分析 由上节的叙述知，在采用的传统的对于望远系统的透过率的测试中所采取的方法 都是单通道测试法 所谓单通道测试法，是指将被测试品放在测试光路中得到的实测值和空测值之比， 即为被测试品的光学透过率锄 单通道法测试的几个特点： 不能减少背景光的影响，铡试必须在暗室内进行； 由于被测信号为直流信号，无法避免背景噪声的干扰； 由于无法保证实测和空测试光源强度的一致性，测试误差较大 影响单通道测试法测试精度的关键就在于各种噪声对测试结果影昀很大，在影响 精度的各种噪声中，1 f 噪声可以通过将之流信号调制为交流信号而得到有效抑制，但 背景噪声属于白噪声，即使将信号调制为交流信号也无法将其削弱，在测试中，光信 号是通过光电池将其转换为电流信号的，信号非常微弱，一般为i l a 级甚至p a 级，这 样微弱的信号即使在暗室中测试，杂散光的干扰也会对测试结果影响很大。 传统的测试方法通常采用透射比测定仪完成，对背景光的要求严格，需要在暗室 内进行同时在加入了附加透镜之后由于透镜的焦距误差以及安装附加透镜后附加透 镜的安装位置误差等的一系列原因会使测试的精度下降。而且由于空测与实测是由单 通道进行的，在不同的时刻由于采用的交流光源的不稳定等因素同样会产生测试的误 差因而测试的精度不是很高难以达到比较高的测试精度要求。 但是对于传统的测试装置的优点是：装置的结构比较简单，易于操作，能满足一 般测试精度的要求。但是对于精度要求比较高的测试传统的测试装置就难以满足测试 精度的要求，因此必须对传统的测试的装置进行改进。以适应对于高精度测试的需要。 对于传统的望远系统的测试系统的所需加以改进之处主要是针对于背景光的要求 使之能够在通常的照明环境下工作；为消除交流电源的不稳定性所造成的误差应改进 装置；以及如何能尽可能的减小误差的影响来进行。同时还要考虑实验测试装置的简 易性与可操作性。 1 2 所以针对于以上的对传统的装置的应改进之处的分析，本次设计中将采用双通道 系统来实现对望远系统的透过率的测试。即将测试光路和参考光路的光信号，经各自 的光点信号处理系统处理后送入模拟器，从而实现透过率的测试，其结果采用数显器 直接显示并且在装置中增加斩波器用以对透过被检系统的光束进行调制，使被检测 的光束为高频脉冲光，使实验测试环境不必在暗室中进行。同时在装置中加入锁相放 大器以减小测试中的背景噪声，使测试的精度得以提高，以达到设计要求中的关于测 试精度小于1 的要求同时在抗干扰能力方面也将有很大提高。 对于传统的望远系统的透过率的测试装置与所设计的测试装置的对比见表2 2 所 示 表2 2 传统的测试系统与所设计的测试系统的对比 由表2 2 知本设计系统相对于传统的望远系统的透过率的测试系统有很大的改进， 是一种新型的望远系统的透过率测试系统。 本测试系统中加入的双通道系统是多通道系统的一种。 多通道系统与单通道系统相比的主要优点是它与同时记录许多个物理量，从而提 高了信噪比，即提高了测试灵敏度或者缩短了测试时间 多通道仪器与电子计算机结合起来应用为多通道接收器，将大大提高仪器的人机 交互能力 双光路测量方法则有很大的优越性，能有效保证实测和空测光源强度的一致性： 但原始双光路测量方法较简单，仍不能很好的抑制噪声的影响。 ( 2 ) 方案设计考虑因素： 基于以上分析，我们的系统要采用双光路的基本结构，并能有效抑制1 f 噪声以 及背景噪声的干扰。 在影响精度的各种噪声中，l - ，噪声可以通过将之流信号调制为交流信号而得到 有效抑制，但背景噪声属于白噪声，即使将信号调制为交流信号也无法将其削弱，因 此在本系统的方案设计中，光信号通过光电转换将其转换为电流信号的，信号非常微 弱，一般为鲥级甚至p 一级，这样微弱的信号即使在暗室中检测，某些杂散光的干扰 也会对测试结果形象很大m 因此，我们采用互相关技术，并在后期电信号处理中 采用同步检测及锁相放大，从而很好的达到了噪声的有效抑制；另外，加入软件程序 控制，测试结果得以后斯存储、处理方便。 ( 3 ) 测试透过率新方法 我们方案的主体选择的是抗干扰性强的双光路测量方法，即实测和空测同时在两 个光路进行采用光机电算技术完成光学系统可将光透过率的精密检测，计算机控制 试验的整个过程。在方案的设计过程中，考虑了仪器的可扩展性、高可靠性和稳定性姐1 “同时也考虑了先进技术的应用，使得仪器功能在同行业中处于较高的水平。 根据项目要求，我们的被测试品是望远系统，基于望远系统的物象关系，我们提 出了整体设计方案，下面是系统总体结构框图 照明 系统 攀h 嚣崔 信号 采集 系统 信号处 理和显 示系统 图2 9 系统总体结构框图 为了使系统可以测量各类望远系统，考虑到以下特殊情况：望远系统入射光轴与 出射光轴有小于4 5 。的夹角的情况，故修改原方案，将用积分球接收改成光纤传输结 构，这样可以提高光能利用率图2 1 0 为原来方案的结构图，图2 1 1 为修改后方案 的结构图。 早= = = ：= = = ：= = ：二7 1 ii ! 图2 1 0 原方案系统总体结构概况图 1 4 图2 1 1 修改后方案的系统原理图 本系统的关键技术在于：如何解决以下问题： 1 由目标发生器发出的光要经过两个不同频率的光路； 2 对两个光路光线的接收及光电转换； 3 通过软件系统对信号进行处理获得检测结果，并进一步进行数据存储及结果分 析。 前两者取决于装置的硬件设计，后者则取决于装置的软件设计。 可见光透过率测试系统的特点是：采用主动光源照明，调制为双光路进行测量， 并采用光纤传输光线，经信号采集部分到计算机，从而进行数据处理及测量该系统 在光学原理上要解决两个问题： ( 1 ) 光源选配及照明系统的设计。 ( 2 ) 光纤接收光线的问题，即不同光束孔径光纤如何无损耗的接收；以及光路中光 瞳匹配问题。 ( 4 ) 此系统比较以前的测试方法将有以下优点： ( 1 ) 测量不必在暗室中进行； ( 2 ) 对l 噪声及背景噪声有抑制作用”1 ； ( 3 ) 本系统由金属外壳，可克服外界灰尘及其他环境污染； ( 4 ) 实测与空测同时进行，且不用移动测量，大大提高7 测量精度： ( 5 ) 采用滤光片对平行光管发出的平行光进行光谱校正，可避免照明光源的色温 不稳定或提供光源的电压不稳定的问题 1 s 第三章望远系统可见光透过率测试系统 3 1系统的总体结构及功能 系统总体结构框图如图3 1 所示。 网孵竹蹬 图3 1 系统总体结构框图 信号ll 信号处 采集l - 理和显 系统ll 示系统 图3 。2 测试系统组成框图 该系统由照明系统、校正滤光片、调制系统、信号采集系统( 含光纤束、积分球、 光电倍增管、锁相放大器) ，信号处理和显示系统组成( 如图3 1 ) ，组成框图见图3 2 所示。 照明系统用于产生足够的光通量以充满后续系统的入瞳，校正滤光片放置于照明 系统后，功能为被试品提供与人眼视觉光谱响应特性匹配的白光；调制系统包括同步 检测器、调制器、分光镜组成，它的主要功能是将直流信号转变为交流信号，并为锁 相放大器提供参考信号；信号采集系统采集被试品光电信号，并进行光电转换，并由 锁相放大器将信号放大，送入信号处理与显示系统，进行最终数据处理n “ 本系统的基本功能是测量光学系统可见光波段的透过率。本系统原始方案的被侧 试品是望远系统，测量系统的主要功能是按任务书中规定的测量精度完成的测量。 3 2 系统的工作原理 1 测试原理 本系统是基于互相关原理对噪声屏蔽的光学系统透过率的测试，对两路不同频率 的光迸行的双通道测试m ，最后由计算机处理结果。具有测试精度高、结果处理能力 1 6 强、不损伤被测件( 非接触性) 、并且适用于批量测试等优点。， 其中由照明系统发出的光经过校正滤光片校正后，被分光镜分成两路光，分别作 为参考光和测量光，参考光经调制盘调制后变成固定频率调制光，通过附加透镜并通 过光导纤维进行匀光后进入接收器。测量光经调制器调制后变成具有一定频率的调制 光，再经附加透镜会聚并通过光导纤维进行匀光后进入接收器。接收器前加v ( 丑) 滤光 片进行光谱校正得到与人眼视觉光谱响应特性相近白光。光电池接收参考光与测量光， 光电池把光信号转换为电信号，由于光是两种频率光合成，因此，电信号含有两种频 率信号，再经同步锁定放大器放大即可得到与出瞳光能量成正比的电信号。处理后 的电信号由c 伽口输入机算机，进行后期处理。 漱蟠醴女构 g 舶二。、? f 。ai r r r 弋1 精毒l - - 。， 。 声磋 骈 p 阱芝一m 彬l 黝懒燃工下钲渤饼 i 、俪磊面函b 图3 3 光纤法测试光学透过率原理示意图 图3 4 透过率测试装置 2 测试方法 设测量光信道为a 信道，参考光信道为b 信道。进行透过率测试时，首先要进行 1 7 空测标定，。即先不加入被测瞄具，a 信道的测量结果为，b 信道的测试结果为， 则分光比为七2 加入被测瞄具实测后， 信道的测量结果为钿，b 信道的测量 1 咱 f = 结果为，则被测瞄具的透过率为： 鼻b n 根据上式，可以算出被测试品的透过率t 3 3 测试系统的各分系统概述 3 3 1 光源的选配 对于本测试装置中，由于是对系统的透过率的测试，就必须需要有光辐射通过被 测试的系统加以测试才可以所以必须对提供光辐射的光源进行必要的选配 通常的光源器件有自炽灯，钠灯，汞灯，卤素灯等等，白炽灯的光谱辐射主要集 中在可见光的范围内，是连续光谱而钠灯及汞灯等光源都是通过高压蒸汽放电而发 光的，只能是产生某一个特定的波段内的光辐射，而且其光辐射的带宽比较小，但是 其单色性较好；而卤素灯的光效好，光色较好； 而本测试系统的光谱辐射的特性应与人眼的光谱特性相匹配，即在可见光的范围 内有很高的响应度。故在本设计中，只要是满足在可见光的范围内有较好的辐射度即 可，因而使用卤素灯作为光源是完全能够满足照明的需要的 一 综上所述，认为在本次的设计中选用卤素灯作为平行光管的照明器件是完全能满 足对于照明要求的。但是考虑到光效、光色的好坏、光源的热效应以及节约电能等方 面的限制，可以采用卤素灯作为照明的光源。 3 3 2 照明系统 为了提供必要的照明视场和孔径，光源和照明系统组成的光学系统出射光必须充 满后面光学系统的入瞳和物平面 根据照明方式不同照明系统可分为两种： ( 1 ) 光源直接照明。最简单的照明方式，即直接用光源去照射物平面。为了是 照明均匀，光源发光面积需要大一些，如图3 5 ( a ) 所示，并且光源离物面越远，所 需光源的尺寸就越大有时还可插入一个毛玻璃以使视场均匀。这种照明方式简单， 视场较均匀且结构紧凑。但是，毛玻璃的散射使光能利用率不高，还伴有杂光，故这 种照明只用于对光能要求不高的目视系统n ” 1 8 光源 ( 口) 图3 5 照明系统 ( 2 ) 采用聚光镜照明系统这种照明方式就是在光源和物面之间加一个聚光镜， 光源发出的光线经聚光镜把物平面照明。这种照明方式可以提高光源的利用率，见图 3 5 ( b ) ，也可以缩小光源的尺寸，实现了小面积光源照明大面积物体 聚光照明系统的作用总的来说大致有以下几个方面： 提高光源的利用率，使光源发出的光线尽可能多地进入投影物镜 充分发挥成像物镜的作用，使照明光束能充满光管物镜的口径 使进入平行光管的照明光束口径尽可能一致 由于被测系统是望远系统，照相系统出射光线需是平行光，故我们采用聚光镜后 接平行光管的结构型式( 如图3 6 ) 袭夼。摹j - f n 葑_ 业一 图3 6 照明系统结构图 光源的像成在平行光管的焦平面附近，故光源表面亮度的不均匀性会影响效果。 聚光镜的出射和像方视场分别与平行光管物镜的入射光瞳和物方视场重合一般平行 光管物镜的入射光瞳在无限远，所以可变光阑放在其前焦平面上 3 3 3 校正滤光片 校正滤光片放置于照明系统后，根据人眼视觉光谱响应特性和光电倍增管的光谱 响应特性进行光谱校正，得到校正白光。 能够滤过( 反射、透过或散射) 某波段光谱的器件称为滤光器。滤光器的最简单 结构是平板式的，称为滤光片。 1 9 在光学系统中加入了滤波片的作用是改变光强度或改变光波中的光谱成分，使观 察的条件得到改善，从而提高仪器的观察的效果| 1 4 1 1 1 5 1 。 滤波片按其作用可以分为颜色滤光片，中性滤光片等。 颜色滤光片按照其吸收的波段性的性质可以分为： ( 1 ) ：选择性吸收的滤波片：只能透过波长在某一个或是某几个的波段范围内的 光波的滤波片 ( 2 ) ：以某一波长为界的吸收性的滤波片：其透过的波段范围很宽，它在光谱的 范围内有一个吸收率变化很快的波段。 ( 3 ) ：中性滤波片：指在光谱范围内，使各个的波长的光强度均匀的减弱，不分 光的振动的方向，使各个的偏振方向的光的强度均匀的减弱的中性滤光片通常称为灰 度滤波片；只吸收某一振动方向的偏振光波而使该振动方向的光强变小，而其他的振 动的方向上的光强没有发生变化的滤波片称为偏振滤波片 在本测试仪器中由于被测试的对象为望远系统，其接收的器件为人眼，那么通过 被检系统的光通量与最后照射在光电池上的光通量的光谱的性质，应与望远系统在使 用时进入人眼的光通量的性质相似。即在可见光的范围内( 3 8 0 n m 一7 8 0 r a n ) 有较强 的光谱敏感度，在5 5 5 ，珊处有其敏感度的峰值的波长故在本测试系统中加入一片 矿“) 滤光片，用以校正由平行光管的光源所产生的光束的光谱特性与人眼所接收的光 谱的特性相似。 其原理是对于不同的波段的光波的透过率不同，对于一定的波段的光波的透过率 为零，而对于另外的波段的光波的透过率则为1 0 0 。即只透过波长在某一个或是某几 个波段的范围内的光谱的成分其余的波长的光谱的成分将被其滤掉 由于被测的系统的接收器件为人眼，故所选用的光学滤波片的导通的波段理论应 该是可见光的范围内，即3 8 0 w n 7 6 0 n m 。而且尽可能的使其敏感的波长的峰值位子 5 5 5 n m 处。其导通的波段的范围与作为接收器件的硒光电池的灵敏范围即可见光的范 围相同。 这说明如果硒光电池与所选的合适的滤波片来配合，它的光谱的灵敏度与人的眼 睛很接近，可用它来客观的决定照度在加入了校正的滤光片后，出射的光束的光谱 特性在入射到光电池上之前被校正为与人眼的光谱特性相似，以使测试的结果更加的 精确”m 1 。 3 3 4 调制系统 调制系统包含分光镜、同步检测器、调制器，用于对校正白光进行调制，产生具 有一定频率的调制光信号，配合锁相放大器可以抑制背景噪声，提高测量精度。其中 同步检测器为锁福放大器提供与测试通道同步、同相的参考频率信号，保证锁相放大 器放大的信号是测试通道的信号；调制器将检测的直流信号转变为交流信号| t g l 。 系统中由照明系统发出的光束被一个分光镜分裂，使5 0 光连续的通过被测通道。 5 0 光连续的通过参考通道。为了识别和分离参考光束和信号光束，将它们以不同的 频率调制，方法使利用两组小孔的斩光器提供二种不同的频率即双频斩波器。测 试系统中为减少背景光对测试结果的影响应使光电池测试的光束为被斩波器调制后的 两路不同频率的高频交流光束，本试验不受外界光强的影响，适合测试可见光波段的 光学系统透过率 斩波器目前常用的按工作原理分有两种，一种是机械式的：另一种是全电子集成 化的。考虑到在本测试装置中加入的斩波器为全电子集成化形式的虽然会使调制的效 果更好但是考虑到设计测试仪器时的成本问题以及本仪器的结构的紧凑性与简洁性， 可以采用普通的机械式的斩波器进行光波的调制。1 。 用斩光器对直流信号进行调制，即把信号在频率上进行平移，可以避开1 厂噪声和 直接漂移，有利于检测信号。调制问题实际上就是抽样问题，设信号为巾) ，斩波器 函数为s k ( t ) ，则调制后的信号为x ( o = ( f ) 瓯( f ) ，它的频谱为： 湘= 毛学f u 一如) 置 如图3 7 所示，其中t 、t r 分别为斩波器的脉冲宽度和周期。调制后的频谱为如 图3 8 所示。 图3 7 斩波器函数s l ( t ) 的波形图 人爪爪人 - 2 f if t 0f r2 f i 图3 8 经调制器调制后的频谱 由图3 8 可知，若要恢复原来信号f ，只要把厂= 以o = o l ，2 a ) 中任一处的频谱 滤出来就行了，但调制频率要厶2 叫2 万，这样才能保证信号恢复不失真。 若斩波器函数为对称方波，则 2 l 而圭f l , q + i 1 刍 丽1 - ( 2 疗+ 1 ) 厶) l 如果用低隔直电容把直流附近的频谱滤掉，将得到 们= 昙喜点1 彤邮川川 石：i z 一十 其对应频谱如图3 9 所示 人爪爪人 - 3 f l-f0f l3 f 图3 9 斩波器函数为对称方波时调制后的波形图 我们选用南京大学微弱信号检测技术开发研究中心生产的n d - 4 型可变频率双参 考斩波器