（光学工程专业论文）望远系统透过率测试系统.pdf

南京理工人学工程硕士学位论文 摘要 望远系统是一类重要的光学系统。其性能指标的好坏直接影响 其使用性能。透过率是望远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。望远系统的透过率传统的测试都是通过单 通道系统实现的，对测试的背景环境的要求比较高，而且由于空测 与实测均是通过单通道系统进行的，使得测试的误差比较大，故须 对望远系统透过率测试系统进行改进。 本文将首先对望远系统相关的基础知识进行讨论，进而阐述新 型的双通道望远系统透过率测试系统的原理。 新型的双通道望远系统透过率测试系统相对于传统的单通道 望远系统透过率测试系统的主要改进之处是采用光纤双通道系统进 行空测与实测，以消除因光源的不稳定等因素造成的误差；同时采 用斩波器将被检测光调制成脉冲的高频光，使得测试的环境不必在 暗室中进行；同时在系统中加入了锁相放大器以消除在测试中由于 背景信号所产生的误差，提高信噪比，以提高测试的精度，使测试 的精度可以达到1 。 关键词：望远系统透过率光纤双通道系统锁相放大器 南京理t 大学t 程硕i ：学位论文 a b s t r a c t t e l e s c o p ei sak i n do fi m p o r t a n to p t i c a li m p l e m e n t s i t si n d e x e so ff u n c t i o n s d i r e c ti m p a c te f f e c t si nu s a g e t r a n s m i t t a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e s w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n to b s e r v i n gb r i g h t n e s s t r a d i t i o nt e s t i n go ft r a n s m i t t a n c eo f t e l e s c o p ei sb a s eo nt h es i n g l ec h a n n e ls y s t e mw h i c hn e e d ss t r i c t l yd e m a n d so f b a c k g r o u n de n v i r o n m e n tt oa c h i e v e s i n c ev i r t u a lm e a s u r e sa n dr e a l i t ym e a s u r e sc a n n o tp r o c e s sa tt h es a m et i m ew h i c hm e a n st e s t se r r o rc o m p a r a t i v e l yh i g h e rw h i c h s h o u l de a r l yo u ta ni m p r o v e m e n t t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oi s s u et h eb a s i ck n o w l e d g eo ft e l e s c o p e ，t h e n i l l u m i n a t et h ep r i n c i p l eo ft h en e w t y p ed o u b l e c h a n n e lt r a n s m i t t a n c et e s t i n gs y s t e m o ft e l e s c o p e t h em a i nm e t h o dt oi m p r o v et h et r a n s m i t t a n c ei st oa d o p td o u b l ef i b e rc h a n n e l s y s t e mt om e a s u r er e a l i t ym e a s u r ea n dv i r t u a lm e a s u r e s ，w h i c hc a nr e m o v et h ee r r o r s c a u s e db yt h eu n s t a b l ei l l u m i n a n ts y s t e me f f i c i e n t l y s e c o n d t h r o u g ha d d i n gt h e c h o p p e rt ot r a n s f o r mt h ed e t e c t i v el i g h tr a yi n t oh i g hf r e q u e n c yi m p u l s e sw h i c ha l l o w t h et e s t i n gd oi nt h et o t a ld a r k n e s sr o o mu n n e c e s s a r i l y ；ia l s oa d d e dp h r a s el o c k a m p l i f i e rt or e m o v et h ee r r o rw h i c hp r o d u c e si nt h et e s t i n gl e db yb a c k g r o u n dn o i s e s i g n a l s i tc a ni m p r o v en o i s e s i g n a lr a t i oa n da c c u r a c yw h ic hc o u l dr e a c h1 i nt h e t e s t i n ge f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：t e l e s c o p e t r a n s m i t t a n c e d o u b l ec h a n n e l ss y s t e m f i b e r p h r a s el o c ka m p l i f i e r 南京理工人学_ 丁程硕l 学位论文 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学 位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借 阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机 构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 绪论 望远系统是一类重要的光学系统，它能将远处的物体成像于近处以供人眼观 察。透过率是望远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。 因而对望远系统的透过率的测试非常的重要。在现阶段望远系统的透过率的测试 主要是依靠传统的单通道测试系统来实现的，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) 读数值进行比对得 出被测系统的透过率。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，要求测试必须在暗室中进行； 由于空测与实测是在单通道系统中进行的，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。新型的望远系统的透过率的测试系统是对传统的望远系统 透过率的测试系统的不足而进行的改进。主要的改进在于以下几个方面：1 ) ：测 试单通道系统变为光纤双通道系统，以消除传统的单通道望远系统透过率测试系 统的缺陷，使测试的精度大大的提高；2 ) ：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，相应提高了测试的精度，使测试的 环境要求降低；3 ) ：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； 4 ) ：本设计的装置的结构比较紧凑，简洁，易于操作。 综上所述本望远系统透过率的测试系统将采用锁相放大技术，利用光导纤维 进行双通道传光，滤光片光谱校正，光电池接收的透过率测试系统，克服了传统 的对背景光要求严格的透过率测试系统的不足，并相应的提高了测试的精度，其 可使测试的精度达到1 之内，可以测试入瞳直径在5 m m 4 0 m m 之间的望远系 统的透过率，是一种新型的望远系统的透过率的测试装置。 本望远系统的透过率的测试系统的结构比较灵活，通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。 本文的主要的研究内容为： 1 ) 望远系统的原理及其基本的性能参数； 2 ) 对望远系统的透过率的测试系统的简单介绍； 3 ) 对所设计的系统的结构、原理以及测试的方法进行详细的论述； 4 ) 对所设计的系统的部件的设计与选配。 其中3 与4 部分是本文所论述的重点。 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 l 望远系统基础 1 1 望远系统的基础知识 望远镜是用于观察远距离目标的一种光学系统，相应的目视仪器我们称之 为望远系统。通过望远系统所成的像对于眼睛的张角大于物体本身的直观张角， 因此给人一种物体被拉近了的感觉。 对于望远系统而言，其组成一般是物镜，目镜，分划板以及折射式或是反射 式的转像系统。其特点是物镜的像方的焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隔为 零。因此，平行光入射到望远系统之后，仍然以平行光出射。 望远物镜的特点是视场与相对孔径都比较小，要求校正的像差比较少，所以 它们的结构一般比较简单。一般望远系统都是折射式的。常见的折射式的物镜形 式有双胶合，双分离，三分离，摄远等形式。但是如果对于望远系统的倍率要求 比较高时，常采用反射式的非球面镜作为望远系统的物镜，常见的反射式的望远 物镜有牛顿式，格里高利式，卡塞格林式三种。而为了避免非球面的制造的困难 和改善轴外点成像质量，可采用球面的反射镜作为主镜，用透镜来校正球面镜的 像差这就是折反射式的系统。 折射式望远系统分两种：伽利略望远系统与开普勒望远系统。我们对于望远 系统的透过率的测试都是对于折射式的望远系统而言的。 伽利略望远系统的结构特点是物镜是一块正透镜，目镜是一块负透镜其成像 原理图如图1 1 所示 物镜 图1 - 1伽利略望远系统的结构形式 伽利略望远系统的放大率一般不超过6 8 倍，以便获得较大的视场。其优 点是结构简单，镜筒较短，光能损失小，而且使物体成正立的像不需要转向系统 来调整。但是伽利略望远系统没有中间实像，无法安装分划板来实现瞄准或测试 定位。因此，伽利略望远系统在问世后不久就被开普勒望远系统所代替。 开普勒望远系统结构特点是物镜同样是一块f 透镜，但是不同于f d n 汞j 略望远 系统它的目镜却是一块正透镜。由于其成的像是倒像，故需在物镜与目镜之间加 入一个转向系统使所成的倒像调整为f 像以方便观察。有时为了方便瞄准或测试 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 的方便，在所成的实像面处还加入一块分划板。其成像原理见图1 2 所示 由于开普勒望远系统在物镜与目镜中间可以成物体的实像，具备了测试与瞄 准的条件，这使丌普勒望远系统在许多的领域有重要的应用。 物镜 ( 人瞳)视场光阑 图1 2 开普勒望远系统成像原理 1 2 望远系统的基本性能指标 望远系统的基本性能指标有：视度( s d ) ，视差，放大率，视场，分辨率， 出瞳距，透过率等基本性能指标。 1 ) 望远系统的视度是指通过望远系统出射的光束的会聚或发散程度。其可 以表示为： s d ：1 ( m - i )( 1 1 ) 三 式中l 是眼点至仪器出射光束的顶点的距离，单位为m 。由此可知，若出 射光束为平行光束，则视度为零，以适应正常眼的要求。若出射的是发散光束， 像点位于眼点的前方，视度为负值，满足近视眼的要求。若出射的是会聚光束， 像点位于眼点的后方，视度为正值，满足远视眼的要求。可见，视度的大小及正 负可以清楚地描述出射光束的结构特征。 视度的测试是指目镜视度分划调节到某一示值时，测试其视度装定误差是否 在规定的公差范围内。对于固定视度的仪器，其视度的大小装定在0 5 - 1 屈光 度之间。 在本设计中所采用的被测望远系统视度为零，而通常为了适应人眼观察的需 要目视望远系统的视度校正为0 5 到一1 屈光度之间为宜【3 j 。关于望远系统的视度 调节的具体实例可参考有关资料。 2 ) 望远系统的视差通常用视差角或视度差表示，前者是由于视差而引起的 物方极限瞄准误差角，而后者是物像与分划板在系统的像方的视度之差。以视度 差表示，即以分划在系统的像方的视度s d k 和物像的视度s d 。之差来表示 s d = s d k s d 。( 1 2 ) 3 ) 望远系统的视放大率我们定义为同一目标用望远系统观察时物像对人眼 4 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 的张角的正切与人眼直接观察时的张角正切之比，即： f = 厂。t = d d 7 ( 1 - 3 ) 式中：厂一望远系统物镜的焦距，z 一望远系统的目镜的焦距， d 一望 远系统的入瞳直径，d7 一望远系统的出瞳直径。 望远系统的放大倍率是望远系统的一个重要的参数，它的大小直接影响到望 远系统对远处的物体的细节的分辨能力。 4 ) 视场的大小表征了一个望远系统的所能观测到的范围的大小，对于一个 望远系统，它的视场愈大表征它所能观测到的范围也愈大。 5 ) 望远系统的分辨率是指望远系统能够分开两个靠的很近的物体的能力， 由计算知望远系统的分辨率的极限分辨角用y 来表示为 y = 型 ( 1 4 ) d 一望远系统的入瞳直径。 6 ) 出瞳距：出瞳距的定义为出瞳到光学系统的最后一面的距离。由于望远 系统为避免人的眼睫毛与目镜相接触而影响观察的质量，所以望远系统的出瞳距 必须大于眼睫毛的长度，一般定为8 c m 。对于特殊的军事光学系统，考虑到戴防 毒面具的需要，其出瞳距可以达到2 0 c m 。 7 ) 透过率：望远系统的透过率其定义为望远系统的出射的光通量与其入射 的光通量的比值。一般的望远系统不要求其透过率的上限，而对其下限有十分严 格的要求。其数值与光学系统中的光学零件数量的多少和镀膜质量好坏有关，零 件多的系统其透过率往往低于4 0 ，而一般产品的透过率在5 0 8 0 的范围内。 透过率标志着进入光学系统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。透过率低，则意味着使用 光学仪器时主观亮度的降低，因而会对分辨率及体视锐度产生不利的影响。此外， 透过率的降低必然伴随着散射杂光的增加，使像的衬度降低，影响观察的质量。 因而检验光学系统的透过率是非常有意义，而且是势在必行的。 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 2 望远系统透过率的测试 2 1 传统的测试方法的概述 传统的望远系统的透过率可用透射比测定仪进行测定。 其结构原理的简单概述为：由点光源的平行光管和接收器组成，点光源的平 行光管在测试的时候提供光束，接收器件采用与人眼的光谱特性的曲线较为接近 的硒光电池作为敏感器件。利用光电池所产生的光电流与光强度成正比的关系， 用检流计测得光电流的大小，即可算出被测系统的透过率。 弘旦1 0 0 ( 2 1 )r = iz l ， 朋o 式中m o _ 光束不通过被测系统时的测试( 简称空测) 读数值； m l 一光束通过被测系统时的测试( 简称实测) 读数值。 2 2 传统的测试方法 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。 2 2 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 1 所示。 测试原理：点光源平行光管1 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 1 对 应的光电流( 实测) ，便可计算出系统的透过率： 仁堕10 0 x3 0l 7 “z - - “z )f = o， 朋0 式中r n l 一光束不通过被测系统时检流计的读数值 m o _ 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1 0 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， 6 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 使之与空测时相同。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1 的插座内。从检流计8 上得 到与f 对应的读数m 。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m o 为 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f 1 对应的读数m l 。 3 ) 将检流计读数m o 和m 。代人公式算出透过率。 田3 1 8 - ! i 一直竞一千行先蕾i 扣竞 3 - 1 1 1 1 t i 主m , 一接杠主蔓5 一毛t 囊丑i 卜忘蔓，7 一t ( 可一功- o i - - m i i r - 卜压l 卜量斗- i i - i i , 1 2 - - i 光，l i 一小孔走拦- 平行走f 蕾1 5 - - 光拦l i - - m 光电 图2 - i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，可用灯丝密集的白炽灯泡作为光源。 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1 。接通电源使灯泡点燃5 1 0 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白j 连续照射，以免疲劳。 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 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 2 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 池的受照面积增大；必须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 1 r 倍，而且光束结构也不尽相同。 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 2 为空测时与实测时的原理图。 图2 2 至测时与实测时的腺理图 其中附加透镜i 与附加透镜i i 的焦距的关系是： 石。= f 石 ( 2 - 3 ) 式中： z 是附加透镜i 的焦距； 一：是附加透镜i i 的焦距； r 是被测系统的放大率。 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 在将附加透镜i ，i 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 3 所示 滔园 l 一_ 舅- 2 一_ 光- 一小孔光栏早行竞t 钧_ i5 一克栏6 一荫却量- i j7 - - m m a e ml 。l l s 先q , i l i ，一室位_ - l 一毛，_ 组i 1 1 一一节曩订 1 z - - m 籀d1 3 - - n 轮1 4 - - f f mj l 一擅标i 1 6 一耘足 图2 3 用b j 型透过率检查仪沏9 试透过率 测试方法： 1 ) 空测 a 在平行光管上套上附加透镜i ，取下光电接收器上的附加透镜i i 。 b 将毛玻璃组插入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入接收器，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m o 。 2 ) 实测 a 取下平行光管上的附加透镜i ，在光电接收器上拧入附加透镜i i 。 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l o 是当指标指零时，附 加透镜i 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。 9 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 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m l 。 e 根据公式算出t 值。 2 2 3 用t g y 一2 型透过率测定仪测试望远系统的透过率： t g y 一2 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 g y 一2 型透过率测定仪的外形如图2 4 和光学系统如图2 5 所示。由灯泡 1 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 - 4t g y 一2 型透过翠测定仪的外形 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1 0 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m 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。 t 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 l o 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 数。 卜 泡：一彖光镜；3 一毛玻瑞”：4 - 4 、孔悲阑：5 - _ ) 匕阑：6 - i - t 变光阑；i 一物镜：8 一积分球；9 一硝兜l 也池：1 0 一柃流i 2 5t g y 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 操作简便 1 光电透过率检测仪3 2 具有通川性 3 精度比较低 1 消除了冈硒光电池的各点灵敏 度不同而造成的影响，精度比较 2 b j 型透过率检测仪 1 高。 2 具有一定的通“j 性。 工程硕+ 学位论文望远系统透过率测试系统 3 由于加入了附加透镜准备及操 作比较麻烦。 1 消除了硒光电池的各点灵 敏度不同而造成的影响，精 3 t g v 2 型透过率检测仪0 ，5 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。 2 3 对测试方法的优缺点的评价 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引。 单通道法测试的几个缺点是： a ) 不能减少背景光的影响，测试必须在暗室内进行； b ) 由于被测信号为直流信号，无法避免背景噪声的干扰； c ) 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响很大，在 影响精度的各种噪声中，1 f 噪声可以通过将直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 n 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。 单通道测试的优点是：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有以下几个方面： 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。 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 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d , n 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 仪器名称传统的测试系统所设计的测试系统 测量精度 1 _ - _ 4 - 3 1 通道系统单通道系统双通道系统 对背景光要求严格，需在r 音室进行不严格，不需在暗室进行 背景噪声影响较大由于加入锁相放人器，较小 测试系统结构较为复杂较为简便，结构紧凑 需加入附加透镜等操作，比无需加入附加透镜等不必 测试操作 较麻烦。要的操作，操作简便 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。 工程硕+ 学位论文 望远系统透过率测试系统 3 望远系统透过率测试系统 3 1 测试原理 对于本测试系统测试对象是望远系统的透过率，其基本的测试思想是通过双 通道系统对系统进行空测与实测，并通过斩波电路对光束进行调制，同时在最后 的测试电路中加入锁相放大电路以抑制背景噪声对测试结果的影响。所以对于所 设计的系统，其基本的结构可以分为对于本地信号与混有噪声的输入信号进行相 关以提高电路抗干扰性能的相关理论部分；对接收的电信号进行测试、放大、显 示的电路系统的部分；对光束进行传递，控制其传播方向及对光束的传播性质进 行调制的光路部分；以及对于光束的不一致性或是对其光谱特性进行调制的光能 的一致性处理部分等四部分i l 。 其基本的测试原理图见图3 1 所示 图3 - 1 测试原理示慈图 下面对各个部分的作用及原理分别进行叙述： 1 ) 互相关理论部分【1 0 】：相关测试技术是应用信号周期性和噪声随机性的特 点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。互相关测试的抗干扰 能力比自相关系统好。互相关运算由于输出信噪比高，在微弱信号测试中得到较 多的应用。 互相关函数是度量两个随机过程间的相关性。如果两个随机过程的发生互相 独立( 如信号与随机噪声) ，则互相关函数将是一个常数，它等于两个随机函数 的平均值的积。若其中有一个平均值是零，则互相关函数处处为零。 如果发送信号的重复周期或频率已知，就可在接收端发出一重复周期与发送 信号相同的本地信号，将本地信号与混有噪声的输入信号进行相关就能提高电路 工程硕士学位论文望远系统透过率测试系统 抗干扰性能。 图3 - 2 相关原理图 2 ) 电路处理部分：微弱信号的锁相测试技术是现代电子测试理论中的一种 重要方法。而对被测信号进行调制使其与参考信号相关是实现锁相测试的关键。 其中利用光学斩波器对被测光进行调制使其与方波参考信号相关是对微弱光信 号进行锁相测试的一种常用方法0 1 。 锁相放大器是利用互相关的原理设计的一种同步相干测试仪，可以使仪器抑 制噪声的性能提高了好几个数量级，另外利用斩波技术，把低频直流信号变成系 统要求的两路高频交流信号，也避开了低频段的1 纩噪声影响。一般锁相放大器 分为三部分：信号通道、参考通道和相关器【2 3 。 锁相放大器和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而 是把交流放大并变成像应直流信号，即把待测信号中与参考信号同步的信号放大 并测试出来。 3 ) 光路设计部分：我们采用直管式平行光管，光源为卤素灯，并加入滤光 片以达到均匀照明【4 j 。 本系统是对系统可见光波段透过率进行的测试，从平行光管发出的光需经滤 光片校正为与人眼视觉光谱相应匹配的均匀白光，经调制后的两路光均由光纤束 进行传输，可减少干扰，直接进入光电池进行光电转换，使两通道的不同频率的 光转换成不同频率的电信号，进入后续电路处理。 决定实际光度性能的因素有三个：照明光源、光学系统、接收器，本系统采 用硒光电池为接收器，由于前面光路的光束是经校j 下滤光片校正到人眼视觉光谱 相匹配的波长，在进入光电池后需进行v ( 九) 校e ，以满足硒光电池的光谱特 性，v ( 九) 是探测器的相对光谱灵敏度函数1 。 4 ) 光能量一致性的处理：仪器为光透过率测试仪器，在设计中要保证整个 光路中背景光的干扰以及光能量的损失，而且所测试的仪器入瞳一般都很小，可 采取以下方式进行测试： 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 进入光纤前的光束用聚光镜进行聚光以满足光纤束的直径，使得光线能完 全进入到光纤的内部； 在a 通道放置被测仪器前设计加入了可调光阑，以满足对通过的光通量 进行有效的控制利用； 3 2 测试系统的基本结构 基于以上对测试系统的原理及工作的过程的分析：本系统共分六大部分：照 明部分、光处理部分、光接收部分、光电转换、电处理部分及计算机结果处理。 如图3 3 所示 嚣募h 鬻雾h 鬻渊叫粪羹h 絮雾h 蓥簧? 釜票 图3 3 系统简图 现就各个部分的用途及其原理作简单的介绍，对于相应的部件的详细地介绍 将在下面的章节中进行1 2 4 j ： 1 ) 照明部分：其作用是通过光源向外辐射光辐射，为整个的测试的过程提 供光辐射。本设计中所采用的光源是卤光灯2 1 。 2 1 光处理部分：可以分为光传输部分与光调制部分两类，光传输部分主要 包括空气介质、光纤等，其作用是通过几何光学的原理使光线从其中通过，以达 到传输光线的作用；光调制部分主要包括分光一反射镜系统、斩波器、滤波片等 部分，其作用是通过应用光学及相关的物理光学的原理对光线的性质进行调制， 使得光线的性质满足测试的要求后再将其传播到下一个部分。 3 ) 光接收部分：主要包括聚光镜及双通道传输的光纤部分。其通过聚光镜 将前方射来的空测与实测的出射光线会聚之光纤中，再由光纤将光线传至光电转 换部分。这部分的设计时为使光线能全部进入到光纤中去，应注意使聚光镜的包 容角大于光纤的数值孔径。 4 ) 光电转换部分：主要包括硒光电池及其前面的v ( 九) 滤光片组成，其主 要的作用是通过滤光片对入射的光辐射进行光谱调整，使之光谱特性与光电池的 光谱特性相符合，并且通过调整使光电池工作在线形区使得光电池的输出光电流 的大小与入射的光辐射的大小有较好的直线度。 5 1 电处理部分：主要包括锁相放大电路的等电子电路部分，其主要的作用 是通过接收由光电转换部分输出的光电流并对其加以测试及转换，并减小背景噪 声的影响，提高测试的精确度。使由光电转换部分输出的直流的模拟的电信号变 为数字信号，并将此信号输入到计算机处理显示部分中。 6 ) 计算机处理显示部分：主要由装有相应的程序的计算机及输入输出的接 1 6 工程硕士! 学位论文 望远系统透过率测试系统 1 ：3 组成，其主要的作用是通过计算机的计算使由电处理部分传来的信号加以运算 处理后在计算机上直接显示以方便计算结果的读取。 总之，上述的对于本系统的论述可以看出，以上的六个部分是一环连一环的， 每一环节对于本系统都是非常的重要的，而且每个部分都要求设计的尽可能的精 细，以达到设计的要求并提高设计的精度。 3 3 测试的方法【2 3 】 本系统在测试时，首先从平行光管发出的均匀光束经校正滤光片产生与人眼 视觉光谱相匹配的白光后，由5 0 分光镜和反射镜组合系统分为两路能量、频 率相同的光束。 上述光束经斩波器的调制产生两路不同频率的高频交流光束，分别进入通道 a 和通道b ；进入通道a 的光束经过调整好的有效孔径光阑后，通过被测的仪 器，后经聚光镜的会聚进入光纤a 中。同时进入通道b 的光束直接经聚光镜的 会聚耦合入光纤b 中；聚光镜将两束光会聚与光纤的有效孔径相匹配后耦合进 入光纤，再进入经过v ( 九) 校正的硒光电池进行光电转换，输出为相应频率的 电信号，此电信号经由输出的系统将再进入锁相放大器的信号输入端。 另外锁定放大器的同步测试部分把从滤光片后发出光频率采集进入锁相放 大器，经由锁相放大器中的相关器将参考信号和被测信号之间相关函数进行运算 再输出到下一级的处理环节中。 调制盘结构 通麓 亨、 反射镜调制盘被测瞄具聚光镜光纤h a ，滤光片硒光电泄 ， 、 l 。广 互 k | l 五 7 l 一一1图托。 a 光源匀光器 平行光管 乏一， p 一、， l l lr 11 1 ，心 上 1 9m 一：r夕 v i y 几几一 = j i 。么矿 垂 u 、少( 旷 磊镜分划板准直物镑 y n几广_ | |掣 分光镜光电同步检测器器丫1tr l 信号处理与l i 显示系统i 图3 4 测试光学系统透过率装置图 上步骤地输出量为直流模拟信号，经a d 转换后将数字信号由上位机的c o m 1 7 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 口输入至计算机，再通过透过率监测软件进行实时监控和后续的数据处理，在计 算机上显示响应的测试的结果。 在进行测试的过程中，我们要注意以下几点： 1 1对于将由平行光管出射的光束调制成两束光的分光一反射镜系统的透 过率与反射率一定要相等，同时为5 0 ； 2 )进行光学系统透过率测试时，首先要进行空测标定，即先不加入被试 品，a 通道的测试结果为a 标，b 通道的测试结果为b 标，则分光比 k = 善。加入被试品实测后，a 通道的测试结果为a 测，b 通道的测 6 标 1 一 试结果为b 测。则被试品透过率t 为f = ； k 6 测 3 )一定要使平行光管，被测系统，及光纤的聚光镜的光轴线相互重合， 以消除由于光轴不重合而引起的系统误差。 3 3 1 对光源的选配【1 2 】 对于本测试装置中，由于是对系统的透过率的测试，就必须要有光辐射通过 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。 通常的光源器件有白炽灯，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。 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 对滤波片的说明【】【2 0 l 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。 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。 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： 工程硕士学位论文 望远系统透过率测试系统 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 1 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 称为狄度滤波片；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 7 8 0 n m ) 有较强的光谱敏感度，在5 5 5 n m 处有其敏感度的峰值的波长。 故在本测试系统中加入一片v ( 九) 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 n m 7 6 0 n m 。而且尽可能的使其敏感的波长的 峰值位于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。 3 3 3 锁相放大器的说明【1 0 】 由于在对于一个信号的测试中由于有背景噪声的存在与干扰，使得测试的结 果总是不尽人意，于是人们就丌始研究如何消除或是抑制背景噪声的干扰以及简 化测试系统的结构。在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰，并 使得测试变得非常简单且测试速度快、成本低廉。 锁相放大的基本原理框图如图3 5 所示： 由于被测试的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被测试的信号应进行 放大和滤