一种均匀光源的辐射特性测试装置的制作方法

本实用新型涉及光学测试技术领域，具体涉及一种均匀光源的辐射特性测试装置。

背景技术：

均匀光源，作为成像相机相对和绝对辐射定标实验中不可或缺的试验设备，其辐射特性的优劣直接影响试验精度，进而影响被试相机的修正水平和准确程度。随着空间遥感相机分辨率的不断提高，其口径也在不断加大，为满足辐射定标的基本原理要求，均匀辐射光源的口径也随之增大，对其辐射特性的要求也在不断提高。

随着均匀光源输出口径的不断提高，其辐射输出特性的测试也愈发困难，尤其是其面均匀性和角均匀性。

现有小口径(≤1m)面均匀性的测试方法如图1所示，在均匀光源01输出面前方安装x-y坐标扫描装置，其运动平面垂直于均匀光源01的光轴，扫描平面为均匀光源01出射面的外切正方形。光电探测器02安装在x-y坐标扫描架上，使其光轴垂直于均匀光源01输出平面。扫描架带动光亮度计以一定的x向和y向步长移动，对整个均匀光源01出射面进行网格状扫描，扫描结束，人工剔除那些位于出射平面外的数据点，按照评价算法计算此均匀光源01出射面的面均匀性。

此方法存在如下问题：随着均匀光源出射面的进一步增大，如2m，需要搭建更大尺寸的x-y扫描架，使得标定设备过于庞大沉重，不易调试、移动。

现有小口径(≤1m)角均匀性的测试方法如图2所示，其定义为在垂直于均匀光源01出射面的平面03内，以均匀光源01出射面圆心04为原点，以均匀光源10出射面半径05为半径，沿水平方向和垂直方向扫描形成的圆弧线上，一定角度范围内光亮度的均匀性。按照此定义，光电探测器02的运动轨迹为圆弧线，圆弧中心为均匀光源01出射面圆心，半径为均匀光源01出射面半径。

要进行角均匀性测试，必须配置与均匀光源出射面直径一致的圆弧导轨，但是由于不同口径均匀光源的均匀光源出射面尺寸不同，因此圆弧导轨的半径也随之变化，不同半径的圆弧导轨之间不能通用，容易造成资源浪费；而且随着均匀光源出射面的直径不断增大，配备相适应的导轨越来越复杂，投入不断提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有超大口径(1m～2m)均匀光源均匀性测试时，现有面均匀性测试装置结构复杂，庞大沉重，以及角均匀性测试装置不能通用、结构复杂，难以满足均匀光源出射面直径不断增大的实际需要等问题，而提供一种均匀光源的辐射特性测试装置。实现了仅使用一套设备，即可同时完成(100mm～2000mm)均匀光源的面均匀性、角均匀性(x向和y向)的测试装置和方法，提高了测量设备的适应性和测试效率。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

本实用新型提供了一种均匀光源的辐射特性测试装置，其特殊之处在于，

包括升降机构、载物板、轻质横杆、光电探测器组件以及信号处理及测量控制单元；

载物板安装于升降机构上，在升降机构驱动下可沿竖直方向移动；

轻质横杆安装于载物板上，且可以载物板中心为圆心做旋转运动，轻质横杆的长度大于等于待测均匀光源的出射面尺寸；

光电探测器组件设置为多个，均包括光电探测器、滑动架以及连接板；滑动架卡装于所述轻质横杆上，连接板一端固定光电探测器，另一端与所述滑动架铰接；

轻质横杆上设有刻度尺，用于对每个探测器的单元的位置进行指示；

载物板上设有刻度范围为±90°的第一角刻度尺，用于手动旋转轻质横杆时，对其旋转角度进行指示；

滑动架上设有第二角度尺，用于对各光电探测器的光轴指向进行指示；

所有光电探测器均与所述信号处理及测量控制单元电连接，用于将光电探测器输出的电流信号进行处理；

信号处理及测量控制单元同时与升降机构电连接，用于控制升降机构上下移动。

进一步地，上述装置还包括水平支架和垂直设置在水平支架端部的竖直支架；所述升降机构设置在竖直支架上，所述水平支架后部安装信号处理及测量控制单元；所述水平支架的四个角上分别设有调平螺栓。

进一步地，上述升降机构包括电机、直线导轨副、滚珠丝杠幅组合而成的结构，直线导轨副、滚珠丝杠幅均安装于所述竖直支架上，电机与滚珠丝杠副中丝杠连接，载物板与直线导轨幅的滑块连接。

进一步地，上述轻质横杆通过转盘组件安装于载物板中心设置的转轴上；所述转盘组件包括转盘、连接臂以及第一锁紧手柄；转盘安装于所述转轴上，转盘上开设有圆弧槽，圆弧槽上设置有第一锁紧手柄，轻质横杆通过两个连接臂与转盘固定连接。

进一步地，上述连接板与滑动架铰接点处设有第二锁紧手柄。

进一步地，上述轻质横杆上安装有线缆槽，所有光电探测器的输出信号线经由线缆槽统一汇聚于所述竖直支架两侧的履带式线缆架内，并与所述信号处理及测量控制单元连接。

进一步地，上述信号处理及测量控制单元包括信号处理单元、数据采集卡、主控计算机和电机控制装置，信号处理单元用于将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号并放大；数据采集卡用于采集信号处理单元输出的电压信号，并对其进行模数转换后传输至主控计算机；主控计算机用于规划测试路径，同时对模数转换后的数据进行处理；电机控制装置将主控计算机的运动控制指令转换为驱动电机运动的电信号。

进一步地，上述光电探测器采用筒式机械结构，适配3°视场角的光学透镜。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型采用轻质横杆承载多个光电探测器，由升降机构带动轻质横杆实现推扫，可以快速完成均匀光源面均匀性的测试，相比以往的x-y扫描架结构，具有结构简单，测量速度快的优点。

可快速完成对每个探测器单元光轴指向的调整，配合相应的数据处理方法，可以快速完成均匀光源角均匀性的测试，相比通常的角均匀性测试中使用的专用测试架，解决了其不具有通用性和结构复杂的问题；

从而使得通过一台测试装置即可实现均匀光源的面均匀性和角均匀性的测试，大大节省了测试成本。

2、本实用新型光电探测器组件具有位置指示功能与位置调整功能，可快速完成每个探测器位置的快速调整，以适应不同均匀光源出射口径和测量间隔的要求，提高了测量装置易用性、通用性。

3、本实用新型在面均匀性测试时制定有效数据的选取条件，以及在角均匀性测试时对探测数据进行了修正，从而能够根据测量项目，得到合理的探测数据，屏蔽那些位置不符合测量要求的数据，提高了数据处理程序的智能程度。解决了以往对探测器数据的甄别问题，提高了测试结果的准确度。

附图说明

图1为现有均匀光源的面均匀性测试结构原理图；

图2为现有均匀光源的角均匀性测试结构原理图；

图3为本实用新型的立体结构示意图；

图4为一个光电探测器组件与轻质横杆的装配结构示意图；

图5为轻质横杆与载物板的装配结构示意图。

附图标记如下：

1—支架、11-水平支架、12-竖直支架、13-调平螺栓；

2—升降机构；

3—轻质横杆、31-刻度尺、32-线缆槽；

4—光电探测器组件；41-光电探测器、42-滑动架、43-连接板、44-第二角度尺、45-第二锁紧手柄；

5—载物板、51-第一角刻度尺、52-转轴；

6—信号处理及测量控制单元；

7-转盘组件、71-转盘、72-连接臂、73-第二锁紧手柄、74-圆弧槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

本实用新型给出了一种均匀光源辐射特性测试装置的具体结构，如图3所示，包括支架1、升降机构2、轻质横杆3、光电探测器组件4、载物板5以及信号处理及测量控制单元6。

支架1为立式龙门结构，包括水平支架11和垂直设置在水平支架11端部的竖直支架12；水平支架11上安装信号处理及测量控制单元6，这样的安装目的是为了使整个装置更加稳定、可靠；为了方便对整个装置进行水平调节，水平支架11的四个角上分别设有调平螺栓13。

升降机构2设置在竖直支架12上，该升降机构可采用链条结构、传动带结构或本实施例采用的由电机、直线导轨副、滚珠丝杠幅组合而成的结构，具体来说，直线导轨副、滚珠丝杠幅均安装于所述竖直支架上，电机与滚珠丝杠副中丝杠连接，载物板5与直线导轨幅的滑块连接。电机带动丝杠旋转，使得滑块上下移动，从而使得载物板在直线导轨幅的导向作用下沿竖直方向上、下移动。

如图5所示，轻质横杆3与载物板5相连，并且轻质横杆3可以载物台中心旋转，轻质横杆3上设有刻度尺31，该刻度尺31的刻度为mm级，用于对每个光电探测器组件的位置进行指示；载物板5上设有刻度范围为±90°、精度为5°的第一角刻度尺51，用于轻质横杆3旋转时，对其旋转角度进行指示；

如图5所示，轻质横杆3与载物板5的具体连接结构为：轻质横杆3通过转盘组件7安装于载物板5中心设置的转轴52上；转盘组件7包括转盘71、连接臂72以及第一锁紧手柄73；转盘71安装于所述转轴52上，转盘71上开设有圆弧槽74，圆弧槽74上设置有第一锁紧手柄73，轻质横杆3通过两个连接臂72与转盘71固定连接，轻质横杆3旋转到设定角度后，可通过拧紧第一锁紧手柄73从而限定轻质横杆3的位置不动。

如图4所示，光电探测器组件4为多个，每个光电探测器组件4均包括光电探测器41、滑动架42以及连接板43；滑动架42卡装于所述轻质横杆3上，连接板41一端固定光电探测器41，另一端与所述滑动架42铰接；滑动架42上设有第二角度尺44，用于对各光电探测器的光轴指向进行指示，连接板43与滑动架42铰接点处设有第二锁紧手柄45。旋转连接板43，使得光电探测器41旋转使其到达设定位置，可通过拧紧第二锁紧手柄45，使得光电探测器45在该位置保持不动。

本实施例中，对所使用到的光电探测器41均采用筒式机械结构，适配3°视场角的光学透镜，可将此视场角范围内的光线汇聚到光电探测器的光敏面上，同时避免视场外杂光投射到探测器光敏面上，影响测量准确性，并且每个光电探测器在使用前均进行了响应线性度、一致性、稳定性测试，并对其进行了修正，以避免因探测器自身特性影响测试结果的真实性和准确性。

如图5所示，轻质横杆3下部设有线缆槽32，所有光电探测器41的输出信号线经由线缆槽32统一汇聚于所述竖直支架11两侧的履带式线缆架内(避免因轻质横杆旋转可能带来的缠绕)，并与所述信号处理及测量控制单元6连接；

信号处理及测量控制单元6包括信号处理单元、数据采集卡、主控计算机和电机控制装置，信号处理单元用于将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号并放大；数据采集卡用于采集信号处理单元输出的电压信号，并对其进行模数转换后传输至主控计算机；主控计算机用于规划测试路径，同时对模数转换后的数据进行处理；电机控制装置将主控计算机的运动控制指令转换为驱动电机运动的电信号。

本实施例中电机为可为步进电机或配有旋转编码器的直流伺服电机，其与电机控制装置电连接；由电机控制装置驱动，受主控计算机控制，通过主控计算机控制电机的精确转动，提高升降机构上下移动位置的精确定位，进而完成上下推扫的扫描功能。

基于对本实施例的结构描述，现对采用该测试装置进行均匀光源的面均匀性测试和角均匀性测试的具体过程进行详细描述：

面均匀性测试

具体实现步骤如下：

步骤1：根据被测均匀光源辐射面的口径和光电探测器数量，以均布为原则调整各光电探测器的间距，并调整每个光电探测器的光轴指向，使它们都垂直于均匀光源出射面，轻质横杆与地面平行，拧紧第二锁紧手柄使得各光电探测器的x向位置(即水平位置)在整个测试过程保持不变；

步骤2：调整待测均匀光源或测试装置的位置，使待测均匀光源出射面与轻质横杆推扫平面平行；通过升降机构调整轻质横杆的初始高度，使位于轻质横杆中心位置光电探测器光轴与待测均匀光源出射面的中心等高；

步骤3：根据测试要求，设置轻质横杆y向移动(即竖直方向移动)的步长；

步骤4：主控计算机根据待测均匀光源辐射面口径，控制横杆移动到垂直起始位置；

步骤5：到位后启动测试过程，主控计算机记录轻质横杆在第一测试位置的y向位置，以及各光电探测器的x向位置；然后采集各光电探测器输出电流信号，信号处理单元用于对光电探测器的电流信号转换为电压信号并放大，并且数据采集卡将电压信号进行模数转换后上传至主控计算机；

步骤6：之后控制升降机构带动轻质横杆下降到下一个测量位置，记录轻质横杆的第二测量位置的y向位置，以及每个光电探测器的水平位置，然后采集各光电探测器输出电流信号，信号处理单元用于对光电探测器的电流信号转换为电压信号并放大，并且数据采集卡将电压信号进行模数转换后上传至主控计算机；

重复步骤6，直至完成待测均匀光源出射面的推扫扫描；

步骤7：主控计算机对每一个测量位置获取的数模转换后的有效数据进行处理，得到待测均匀光源的面均匀特性；

该有效数据的获取方法为：设均匀光源辐射面的输出口径的半径为r，光电探测器的视场角为φ，则当轻质横杆上的光电探测器距离均匀光源出射面的距离为d时，光电探测器的可测量区域的半径r为r＝d*tan(φ/2)，则距离均匀光源出射面中心最远端的光电探测器位于此处。由此为判断条件，当某一光电探测器的x向和y向位置满足(x²+y²)≤(r-r)²时，此探测器的测试数据才是有效的，可以参与被测均匀光源面均匀性的计算。

角均匀性测试

该测试过程可适用于对待测均匀光源出射面的各角度位置点进行测量，以y向角均匀性为例，该过程的具体步骤如下：

步骤1：调整待测均匀光源或测试装置的位置，使位于轻质横杆中心的光电探测器的透镜结构的机械面前端面位于均匀光源出射面的正前方r处，轻质横杆中心位置的光电探测器光轴与均匀光源出射面中心等高，并使各光电探测器所形成的扫描面与均匀光源出射面垂直(该扫描面为扇形)；

步骤2：根据被测均匀光源辐射面的口径，角均匀性的测试范围和光电探测器数量，以均布为原则调整各光电探测器的间距，并调整每个光电探测器的光轴指向，使它们都指向均匀光源出射面中心；利用载物台上刻画的第一角度尺，调整轻质横杆使其与地面垂直；

步骤3：各装置摆放到位后，采集各光电探测器输出的电流信号，信号处理单元用于对光电探测器的电流信号转换为电压信号并放大，并且数据采集卡将电压信号进行模数转换后上传至主控计算机；

步骤4：首先主控计算机对数模转换后的数据进行修正，再根据角均匀性数据处理方法对修正后的数据进行处理，得到y向角均匀性的测试结果；

因为在上述关于均匀光源角均匀性的测试方法中，各光电探测器均以相同角度直线光源辐射面中心，但只有中心位置的光电探测器位于辐射面前方r处，其余均存在一定的径向位置偏差。为消除因径向位置偏差而引入的测量误差，需对各角度处光电探测器的测量值进行修正，修正算法为l＝eθ*sqrt(x²+y²)；l为修正后数据；eθ与待测均匀光源出射面中心夹角为θ位置处的光电探测器的探测的实际测量数据；采取此方法，可以消除中心点外，其余角度测量点的光电探测器不在圆弧上所引入的测量误差，克服了不同直径光源需要不同直径弧形导轨的问题；

步骤5：各装置相对位置保持不变，利用载物板上刻画的第一角度尺，调整轻质横杆的角度；

步骤6：重复步骤3、步骤4，得到其他角度对应的角均匀性测试结果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。