快门式光谱透过率测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种快门式光谱透过率测试仪，快门式光谱透过率测试仪包括单色光源、滤光片切换装置、透镜、星点孔、半透半反镜、反射镜组、光信号接收探测装置、数据采集装置以及主控计算机；滤光片切换装置、透镜、星点孔以及半透半反镜依次设置在单色光源的出射光路上；半透半反镜将入射至半透半反镜上的光束分为透射光以及反射光；透射光以及反射光分别经过待测光学系统和反射镜组后汇聚于光信号接收探测装置上；数据采集装置分别与光信号接收探测装置和滤光片切换装置相连；主控计算机分别与数据采集装置和单色光源相连。本实用新型解决了分光光度计可测光学系统尺寸限制以及光源频率调制稳定性差的问题。
【专利说明】快门式光谱透过率测试仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型属光电测试领域，涉及一种光学系统光谱透过率的自动测试装置，尤 其涉及一种单探测器实现多路同源光信号的能量采集，从而进行光学系统光谱透过率的自 动连续检定装置。
【背景技术】
[0002] 在测定各类光学相机时，为保证相机在特定波长范围内的探测能力，均需要对其 光谱响应特性做出评定，除获取CCD的光谱响应曲线外，还需要与其配套的光学成像系统 的光谱响应函数，由此确定相机的光谱响应能力和范围，验证其是否与设计一致。
[0003] 光学系统的透过率测试，通常分为白光透过率和光谱透过率。白光透过率测试，利 用复色白光光源，分别测量被测光学系统是否位于测量光路中时，光电探测器的信号幅值， 计算白光透过率。光谱透过率测试，测试方法与白光透过率相同，只是将光源变为单色光 源，计算光谱透过率。以上两种方法的缺陷在于，测试工作分两步完成，测试光源的时间稳 定性、被测光学系统放入测量光路的位置重复性等因素，对测量结果的误差影响很大，尤其 对于光谱透过率测试结果更是如此。
[0004] 目前在售的分光光度计，将单色光源的出射光一分为二，一路作为基准光路，另一 路作为测量光路，被测光学系统位于测量光路中，测试过程中不需要移动，解决了被测光学 系统重复放入被测光路引起的重复性误差。同时，为对两路光信号加以区分，在光源的出射 端对其进行频率调制，在信号接收端解调。整个测量系统位于一个全黑的密闭容器中，可测 的光学系统的外形尺寸和参数受到一定限制，一般局限于尺寸较小，焦距较短的光学系统。 实用新型内容
[0005] 为了解决【背景技术】中存在的分光光度计可测光学系统尺寸限制以及光源频率调 制稳定性差的问题，本实用新型提供了一种快门式光谱透过率测试仪。
[0006] 本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种快门式光谱透过率测试 仪，其特殊之处在于：所述快门式光谱透过率测试仪包括单色光源、滤光片切换装置、透镜、 星点孔、半透半反镜、反射镜组、光信号接收探测装置、数据采集装置以及主控计算机；所述 滤光片切换装置、透镜、星点孔以及半透半反镜依次设置在单色光源的出射光路上；所述半 透半反镜将入射至半透半反镜上的光束分为透射光以及反射光；透射光以及反射光分别经 过待测光学系统和反射镜组后汇聚于光信号接收探测装置上；所述数据采集装置分别与光 信号接收探测装置和滤光片切换装置相连；所述主控计算机分别与数据采集装置和单色光 源相连。
[0007] 上述光信号接收探测装置包括光信号接收装置、光电探测器组以及光信号接收控 制装置；所述光电探测器组设置在光信号接收装置上；所述光信号接收控制装置与光信号 接收装置相连；所述光电探测器组与数据采集装置相连。
[0008] 上述光信号接收装置包括光信号接收积分球、第一机械快门以及第二机械快门； 所述光信号接收积分球包括第一入光口以及第二入光口；所述第一机械快门以及第二机械 快门分别设置在第一入光口以及第二入光口上；所述光电探测器组探测经第一入光口以及 第二入光口进入光信号接收积分球的光信号。
[0009] 上述光信号接收控制装置包括时钟脉冲产生电路、脉冲宽度自动调节电路以及快 门驱动电路；所述时钟脉冲产生电路以及脉冲宽度自动调节电路分别与快门驱动电路相 连；所述快门驱动电路与第一机械快门以及第二机械快门相连。
[0010] 上述光电探测器组包括用于紫外、可见光测量的探测器以及用于红外测量的探测 器。
[0011] 上述单色光源是由单色仪出射的单色光。
[0012] 本实用新型的优点是：
[0013] 本实用新型提供了一种快门式光谱透过率测试仪，该测试仪采用与分光光度计类 似的光路设计，取消了频率调制模块，单色光源不需经过调制，直接通过基准光路和测量光 路进入能量收集积分球，在积分球的入光口安装两个快门，由一组脉冲序列控制其开启与 闭合，一套探测器采样电路，由软件配合，实现两路光信号的快速交替测量，从而实现光学 系统的光谱透过率测试。整套测量系统安装于光学平台上，可通过调整各光学元件的相对 位置和尺寸实现光路的精细调整和变更，灵活性更好，使得可测的光学系统的尺寸和焦距 范围更大，适用范围更广。本实用新型各功能单元之间有严格的时序关系，通过计算机控 制能够达到完全的自动工作，并具有自动同步和探测器切换功能，避免了测人员参与而带 入的操作误差和主观影响。本实用新型所公开的测试仪采用开放式光路结构，易于调整和 变更，灵活性更好，适用范围更广；取消了结构和控制复杂的频率调制机构，降低了技术难 度和成本，使得系统的可维护性更好，性能更稳定；采用的双光路快门式光信号接收装置， 实现了单探测器多源光信号的自动连续采集，简化了系统结构，使得测量重复性更好；采用 的数据采集容错设计，能够避免因数据采集失误造成的软件死循环情况的发生，提高了软 件的自动化水平和自我修复能力，提高了系统的稳定性；本实用新型操作简单，完全自动测 量，控制精度高，重复性好，适用于批量测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型所提供的双路快门式光谱透过率测试仪的系统结构图；
[0015] 图2是本实用新型提出的各控制脉冲时序关系图；
[0016] 其中：
[0017] 1-单色光源；2-滤光片切换装置；3-透镜；4-第一反射镜；7-第二反射镜；8-第 三反射镜；5-星点孔；6-半透半反镜；9-被测光学系统；10-光信号接收积分球；11-第一 机械快门；12-第二机械快门；13-光电探测器；14-数据采集电路；15-主控计算机。
【具体实施方式】
[0018] 参见图1，本实用新型提供了一种快门式光谱透过率测试仪，快门式光谱透过率测 试仪包括单色光源1、滤光片切换装置2、透镜3、第一反射镜4、星点孔5、半透半反镜6、反 射镜组（第二反射镜7以及第三反射镜8组成）、光信号接收探测装置、数据采集电路14以 及主控计算机15 ;滤光片切换装置2、透镜3、第一反射镜4、星点孔5以及半透半反镜6依 次设置在单色光源1的出射光路上；半透半反镜6将入射至半透半反镜6的光源分为透射 光以及反射光；透射光以及反射光分别经过被测光学系统9以及反射镜组（依次经过第二 反射镜7以及第三反射镜8)后汇聚于光信号接收探测装置上；数据采集电路14分别与光 信号接收探测装置和滤光片切换装置2相连；主控计算机15分别与数据采集电路14和单 色光源1相连。
[0019] 光信号接收探测装置包括光信号接收装置、光电探测器组13以及光信号接收控 制装置（第一机械快门11以及第二机械快门12);光电探测器组13设置在光信号接收装 置上；光信号接收控制装置（第一机械快门11以及第二机械快门12)与光信号接收装置相 连；光电探测器组13与数据采集电路14相连。
[0020] 光信号接收装置包括光信号接收积分球10、第一机械快门11以及第二机械快门 12 ;光信号接收积分球10包括第一入光口以及第二入光口；第一机械快门11以及第二机 械快门12分别设置在第一入光口以及第二入光口上；光电探测器组13探测经第一入光口 以及第二入光口进入光信号接收积分球10的光信号。
[0021] 光信号接收控制装置包括时钟脉冲产生电路、脉冲宽度自动调节电路以及快门驱 动电路；时钟脉冲产生电路以及脉冲宽度自动调节电路分别与快门驱动电路相连；快门驱 动电路与第一机械快门11以及第二机械快门12相连。
[0022] 光电探测器组13包括用于紫外、可见光测量的探测器以及用于红外测量的探测 器。
[0023] 本实用新型由单色光源及其滤光片切换电路、机械快门同步控制模块、系统时序 控制信号和光电探测器信号处理电路以及主控计算机组成。
[0024] 单色光源选用光谱位置分辨率高、准确度好的单色仪作为光源，其长期时间稳定 性优于3% /h，短期时间稳定性优于1% /h，为避免一定波长处二级光谱对单色光的影响， 光源配置了手动滤光片组，在此将其改进为自动滤光片切换装置。单色光源和滤光片组由 软件自动控制，根据需要变化波长和滤光片。
[0025] 快门同步控制模块，由时钟脉冲产生电路、脉冲宽度自动调节电路、快门驱动电 路、机械快门组成。由机械快门的工作过程可知，当收到系统送来的快门开启触发信号时， 由快门按照设定时间曝光，然后关闭。曝光时间的长短，由时间脉冲产生电路产生的基频信 号周期与设定值的乘积获得。快门驱动电路收到触发脉冲后，驱动快门开启，同时脉冲宽度 自动调节电路根据曝光时间确定驱动电流的有效时间，从而保持快门开启直到曝光时间结 束。
[0026] 由系统的工作原理可知，为使系统顺利协同工作，机械快门和光电探测器的数据 采集过程需按照一定的时序关系工作。单探测器同时采集两路光信号，只经过一个数据 处理采集通路，连续采集光电探测器的输出信号，形成一个数据序列，为对两路信号进行区 分，在此设立了与快门触发脉冲特征匹配的标志位，根据此标志将数据序列一分为二，避免 了使用双通道数据采集时，程序需在两个采集通道间不断切换的问题，降低了系统开销。
[0027] 为保证同一波长条件下，两路信号的匹配正确，进行了容错设计，当同时取得了基 准光路和测量光路的信号后，系统才进行下一步处理，如果某一路信号出现无法获取的情 况时，软件将自动尝试重新采集，连续尝试失败时触发复位信号，软件丢弃另一路已经获得 的信号，重新开启当前波长的信号采集过程。
[0028] 为实现光谱透过率的连续测量，单个探测的光谱探测能力不足以满足全谱段测量 的信噪比要求，为此，系统配置了用于紫外、可见光测量的探测器和用于红外测量的探测器 及其数据处理采集电路。通过对两种探测器的事前标定，确定其最佳工作范围，所选可见光 探测器的工作范围是350?1050nm，红外探测器的工作范围是1050?1800nm。系统在指 定波长处实现探测器切换，由计算机做出相应处理。
[0029] 主控计算机根据测量要求控制单色光源，产生快门控制和数据采集系统的脉冲信 号，采集并保存数据，计算各波长处的光谱透过率，绘制光谱透过率曲线。
[0030] 本实用新型的具体工作过程是：
[0031] 1)主控计算机根据测量设定，控制单色仪连续产生单色光，到达指定波长并稳定 后，根据其波长位置决定是否需要切换滤光片以消除二级光谱；
[0032] 2)单色仪的出射光经过透镜变为平行光，经反射镜从星点孔出射，形成星点像，再 经过半透半反镜将光路一分为二，形成基准光路和测量光路，被测光学系统位于测量光路 中；
[0033] 3)基准光路和测量光路的快门在机械快门同步控制模块的控制下，按照一定的频 率交替开启，并按同样的时间曝光。受机械快门自身特性的限制，快门收到触发脉冲后，其 开启速度慢于关闭速度，这一参数固定不变，快门保持开启的时间可以自由设定，为保证足 够的采样精度和延时裕度，本系统设定快门保持开启耗时为50ms，曝光时间为100ms，采用 上升沿触发方式。曝光结束后，快门自动闭合，直到下一次触发脉冲到来。由于两快门的工 作特性完全相同，都为上升沿触发，因此只需对其上升沿信号进行设定，两快门间的时序控 制信号频率相同，相位相反即可。
[0034] 4)光电探测器不断将光信号转换为电信号，经过信号处理电路送入数据采集电 路，如果计算机连续采集探测器信号，将会把快门还未完全开启和完全关闭时的信号也计 入数据队列，这种情况存在较大不确定性，带来很大的测量误差，降低测量精度。为解决此 问题，系统对数据采集的启停进行控制，由一采样控制信号对采样过程进行电平触发，高电 平采集，低电平停止。当系统发出快门开启的触发信号时，系统自动延时一段时间（该延时 时间事先经过测定，是所用快门的特性参数之一），等待快门完全开启后，采样控制信号变 为高电平，触发数据采集电路按照预定的采样频率和采样数完成信号采集。通过合理设定 采样频率和采样数，数据采集先于快门关闭结束，并将采样控制信号置为低电平，不会受到 快门关闭过程的影响。
[0035] 同一波长时，基准光路和测量光路的数据队列均为非空时，计算此波长的光谱透 过率。
[0036] 按照设定的波长间隔，更改单色光源输出，等待收到单色光源1的就位通知后，重 复光谱透过率测试过程，直到所有波长都测量完毕，计算平均光谱透过率。
[0037] 探测器信号的数据本身并不能被区分其属于哪个光路，需要对其进行标识。因为 两光路对应快门的触发信号是频率相同、相位相反的方波信号，所以可以任选其中一路触 发信号作为参考，根据其在采样期间的高低电平判断所采集的探测器信号属于哪个光路， 并把它们放入相应队列。
[0038] 系统中各光学元件的光谱反射比、透射比等参数在整个波长测量范围内并不是一 致的，因此两光路的光强随着波长的变化而不断变化，为消除系统特性对测量结果的影响， 需要事先对这一系列参数进行标定，利用此参数对光谱透过率进行修正。这组修正参数 的取得与光谱透过率测试方法一致，只是被测光路中没有光学系统存在，测量步长设定为 lnm。修正参数是系统的固有参数，可通过事前的多次标定取得，作为系统参数固化于软件 中，实际测量时系统根据采样步长从中提取对应波长处的修正参数。
【权利要求】
1. 一种快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述快门式光谱透过率测试仪包括单 色光源、滤光片切换装置、透镜、星点孔、半透半反镜、反射镜组、光信号接收探测装置、数据 采集装置以及主控计算机；所述滤光片切换装置、透镜、星点孔以及半透半反镜依次设置在 单色光源的出射光路上；所述半透半反镜将入射至半透半反镜上的光束分为透射光以及反 射光；透射光以及反射光分别经过待测光学系统和反射镜组后汇聚于光信号接收探测装置 上；所述数据采集装置分别与光信号接收探测装置和滤光片切换装置相连；所述主控计算 机分别与数据采集装置和单色光源相连。
2. 根据权利要求1所述的快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述光信号接收探 测装置包括光信号接收装置、光电探测器组以及光信号接收控制装置；所述光电探测器组 设置在光信号接收装置上；所述光信号接收控制装置与光信号接收装置相连；所述光电探 测器组与数据采集装置相连。
3. 根据权利要求2所述的快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述光信号接收装 置包括光信号接收积分球、第一机械快门以及第二机械快门；所述光信号接收积分球包括 第一入光口以及第二入光口；所述第一机械快门以及第二机械快门分别设置在第一入光口 以及第二入光口上；所述光电探测器组探测经第一入光口以及第二入光口进入光信号接收 积分球的光信号。
4. 根据权利要求3所述的快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述光信号接收控 制装置包括时钟脉冲产生电路、脉冲宽度自动调节电路以及快门驱动电路；所述时钟脉冲 产生电路以及脉冲宽度自动调节电路分别与快门驱动电路相连；所述快门驱动电路与第一 机械快门以及第二机械快门相连。
5. 根据权利要求2或3或4所述的快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述光电 探测器组包括用于紫外、可见光测量的探测器以及用于红外测量的探测器。
6. 根据权利要求5所述的快门式光谱透过率测试仪，其特征在于：所述单色光源是由 单色仪出射的单色光。
【文档编号】G01M11/02GK203881516SQ201420198441
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】昌明, 赵建科, 龙江波, 曹昆, 赵怀学, 刘峰 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所