高精度多功能宽光谱辐射比较系统转让专利
申请号 : CN200610166443.3
文献号 : CN100582742C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 周磊 , 郑小兵
申请人 : 中国科学院安徽光学精密机械研究所
摘要 :
本发明公开了一种高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱响应率测量模块，光谱透过率测量模块。将探测器光谱响应率、物质材料光谱特性等等测量对象有机的结合在一起，充分利用双光栅单色仪DK242和基于低温辐射计传递的标准探测器，采用特殊的光路设计，实现光学传感器与材料高精度光谱特性测量。很好的解决了长期以来不确定度分析困难的矛盾，有效的提高了测量精确度。通过大量实验对系统不确定度进行了分析，其系统不确定度为10-3～10-4量级。为以后各种传感器定标、材料光谱特性分析提供了有力的理论参考与实验仪器，同时对国内光谱仪器设计、生产领域有很大的借鉴和指导意义。
权利要求 :
1、高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱响应率测量模块，光谱透过率测量模块，其特征在于：所述的入射光路包括二个反射镜和二个离轴抛物镜，其光路走向是光源的出射光束经反射镜、离轴抛物镜、反射镜、离轴抛物镜依次反射，最终耦合进入单色仪，在反射镜与离轴抛物镜之间的光路中安装有棱镜或偏振片，在离轴抛物镜反射至单色仪的光路中，安装有光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过率测量模块；所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器构成，进入光谱透过率测量模块的单色光，依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动轮构成，由步进电机驱动旋转。
2、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的标准传递探测器为硅光电陷阱 探测器，所述的光源为卤素灯。
说明书 :
高精度多功能宽光谱辐射比较系统
技术领域
本发明属于光学辐射定标、测量仪器研究与设计,具体是一种高精度相对光谱 响应率定标、物质材料光谱透过率测量的系统装置研究与设计。
背景技术
目前光辐射传感器的定标一般采用两种方法,分别建立在标准辐射源和标准 探测器上,它们的共同之处是:首先需要建立高精度的初级标准，之后以不同精度 等级的标准器建立传递链条，直至用户传感器，定标实际上就是逐级比较的过程。
温度精度控制的黑体通常被用作初级标准辐射源，它的绝对辐射度可以根据 普朗克辐射定律和国际温度标准来确定，但其传递精度较低。通过标准辐射源(黑 体）传递到应用仪器时的不确定度往往高于5%。
低温辐射计是近十年来发展起来的、目前精度最高的标准探测器,它在低温 超导的条件下利用电加热替代测量光热效应，实现光辐射的绝对测量。由于精度 较高，并且容易与各种探测器相结合,因此基于探测器的新型定标方法得到更广 泛的运用。国际标准组织和发达国家从90年代开始以其作为基础建立了新型高 精度光辐射初级标准，并采用了基于探测器的标准传递链取代传统的基于辐射源 的标准传递链，其传递标准的不确定度达到0. 01%〜0. 03%。
目前很多国家采用基于单色仪的辐射定标方法，将经过低温辐射计传递的标 准探测器与应用探测器进行光谱比对，得出应用探测器的相对光谱响应率，再通 过分立波长激光器定出绝对光谱响应率。但现在很多探测器是通道式探测器，其 分光器件主要采用滤光片，如果直接采用上述方法测量其绝对光谱响应，由于激 光相干性较好，其测量误差很大，因此滤光片测量与光谱响应率测量分开进行， 这样必然造成测量仪器的增多，测量成本加大，甚至造成资源浪费。
目前很多国家采用卤钨灯加单色仪的方法定标各种探测器，其定标精度已经 满足测量要求。但是现在出现了很多探测器是通道式探测器，如果要提高整体定
标精度，分光器件的定标是至关重要的，因此各国设计很多种仪器测量各种分光 器件的特性（例如光谱透过率、反射率等)，导致通道式探测器定标中所涉及到的仪器装置很多，测量成本加大，而这些装置往往操作复杂，不确定度源分散，
并且错综复杂，很难准确评估系统整体不确定度。
温度精度控制的黑体通常被用作初级标准辐射源，它的绝对辐射度可以根据 普朗克辐射定律和国际温度标准来确定，但其传递精度较低。通过标准辐射源(黑 体）传递到应用仪器时的不确定度往往高于5%。
低温辐射计是近十年来发展起来的、目前精度最高的标准探测器,它在低温 超导的条件下利用电加热替代测量光热效应，实现光辐射的绝对测量。由于精度 较高，并且容易与各种探测器相结合,因此基于探测器的新型定标方法得到更广 泛的运用。国际标准组织和发达国家从90年代开始以其作为基础建立了新型高 精度光辐射初级标准，并采用了基于探测器的标准传递链取代传统的基于辐射源 的标准传递链，其传递标准的不确定度达到0. 01%〜0. 03%。
目前很多国家采用基于单色仪的辐射定标方法，将经过低温辐射计传递的标 准探测器与应用探测器进行光谱比对，得出应用探测器的相对光谱响应率，再通 过分立波长激光器定出绝对光谱响应率。但现在很多探测器是通道式探测器，其 分光器件主要采用滤光片，如果直接采用上述方法测量其绝对光谱响应，由于激 光相干性较好，其测量误差很大，因此滤光片测量与光谱响应率测量分开进行， 这样必然造成测量仪器的增多，测量成本加大，甚至造成资源浪费。
目前很多国家采用卤钨灯加单色仪的方法定标各种探测器，其定标精度已经 满足测量要求。但是现在出现了很多探测器是通道式探测器，如果要提高整体定
标精度，分光器件的定标是至关重要的，因此各国设计很多种仪器测量各种分光 器件的特性（例如光谱透过率、反射率等)，导致通道式探测器定标中所涉及到的仪器装置很多，测量成本加大，而这些装置往往操作复杂，不确定度源分散，
并且错综复杂，很难准确评估系统整体不确定度。
发明内容
基于目前这种技术现状，本发明提出釆用新型的高精度多功能宽光谱辐射比 较系统，替代传统的一系列单一测量装置，认真分析各种不同测量对象的特点、 原理和方法，将探测器光谱响应率、物质材料光谱特性等等测量对象有机的结合 在一起，发明了新型的测量定标系统，很好的解决了长期以来不确定分析困难的 矛盾，有效的提高了测量精确度。
本发明的技术方案如下：
高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱 响应率测量模块，光谱透过率测量模块，其特征在于：所述的入射光路包括二个 反射镜和二个离轴抛物镜，其光路走向是光源的出射光束经反射镜、离轴抛物镜、 反射镜、离轴抛物镜依次反射，最终耦合进入单色仪，在反射镜与离轴抛物镜之 间的光路中安装有棱镜或偏振片，在离轴抛物镜反射至单色仪的光路中，安装有 光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块；所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动轮构成，由步进电机驱动旋转。 所述的标准传递探测器为硅光电陷阱探测器，所述的光源为卤素灯。 入射光路主要功能是最大限度耦合光源的能量，遵循之一原则采用离轴抛物 镜和平面反射镜组成，采用离轴抛物镜主要是考虑理想成像，平面反射镜主要是 扩展光路，以便在光路中加入辅助测量元件（如偏振片等）评估系统特性。这种 独特的光路设计完全满足测量过程的一切需要，是入射光路设计的创新点。另外 将光源放置入射光路模块外边，单独采用烟囱模式的散热方法,有效的散其热量，
4不至影响单色仪波长稳定性，这也是另外一项创新点。
出射光路结构根据不同的测量对象采用不同的测量光路模块，每种模块具有
不同的测量光路及方法。光谱响应率测量模块采用两块离轴抛物镜将单色仪出射
狭缝像无像差的成像到探测器，通过电动平移台的移动实现精确切换，完成光谱
替代定标。 附图说明
'图l基于双光栅单色仪高精度多功能宽光谱辐射比较系统结构框图。 图2是入射光路结构示意图。 图3是光谱响应率测量模块光路结构图。 图4是物质材料光谱透过率测量模块光路结构图。 图5是探测器单元结构图。 具体实施方式 参见图l-图5。
高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱
响应率测量模块，光谱透过率测量模块，其特征在于：所述的入射光路包括二个 反射镜和二个离轴抛物镜，其光路走向是光源的出射光束经反射镜、离轴抛物镜、 反射镜、离轴抛物镜依次反射，最终耦合进入单色仪，在反射镜与离轴抛物镜之 间的光路中安装有棱镜或偏振片，在离轴抛物镜反射至单色仪的光路中，安装有 光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块；所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动'轮构成，由步进电机驱动旋转。 单色仪系统和入射光路为公共模块。光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块;所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动轮构成，由步进电机驱动旋转。 单色仪系统和入射光路为公共模块。
利用入射光路的高效耦合能力，将大部分光源的辐射通量耦合到双光栅单色 仪DK242中，通过对单色仪设置参数，例如带宽、步长、固定波长等等使得单色 仪输出理想的单色光，分别利用各波长的单色光可以测量探测器以及各种材料的 光谱特性。需要注意的是各模块的的F数必须和单色仪相匹配，否则光能利用率 会很低，因此各模块光学设计必须很严谨。
图4为物质材料光谱透过率测量模块工作原理图，图的最左边是物质材料光 谱透过率测量模块。测量模块中的离轴抛物镜主要产生准平行光束以及产生会聚 光束入射到探测器单元。样本轮主要是加载待测样本，可以同时测量4块样本， 有效提高测量效率，而且在测量过程中由单片机控制完全实现自动化，不需要人 为参与。本测量模块最大创新点是采用了积分球与探测器组成的探测器单元，其 有效解决了测量过程中出现的光束移位、内反射、光束不均匀等等带来的测量误 差，有效的提高测量精度。另外通过离轴抛物镜产生的平行光，其发散角小，可 以进行光路扩展，实现对面阵探测器进行光谱定标，实现一种光路多种用途的功 能，有效的提高了测量精度，同时节约了资源。
该系统不仅在功能上很容易实现扩展，在波段上的扩展也很方便，具体是更 换光源，更换探测器单元，另外光路只需要很少部分变动，以适应红外探测。本 系统可以扩展到3500nm波段，因此总的可测量波段范围为350〜3500nm。
本发明的技术方案如下：
高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱 响应率测量模块，光谱透过率测量模块，其特征在于：所述的入射光路包括二个 反射镜和二个离轴抛物镜，其光路走向是光源的出射光束经反射镜、离轴抛物镜、 反射镜、离轴抛物镜依次反射，最终耦合进入单色仪，在反射镜与离轴抛物镜之 间的光路中安装有棱镜或偏振片，在离轴抛物镜反射至单色仪的光路中，安装有 光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块；所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动轮构成，由步进电机驱动旋转。 所述的标准传递探测器为硅光电陷阱探测器，所述的光源为卤素灯。 入射光路主要功能是最大限度耦合光源的能量，遵循之一原则采用离轴抛物 镜和平面反射镜组成，采用离轴抛物镜主要是考虑理想成像，平面反射镜主要是 扩展光路，以便在光路中加入辅助测量元件（如偏振片等）评估系统特性。这种 独特的光路设计完全满足测量过程的一切需要，是入射光路设计的创新点。另外 将光源放置入射光路模块外边，单独采用烟囱模式的散热方法,有效的散其热量，
4不至影响单色仪波长稳定性，这也是另外一项创新点。
出射光路结构根据不同的测量对象采用不同的测量光路模块，每种模块具有
不同的测量光路及方法。光谱响应率测量模块采用两块离轴抛物镜将单色仪出射
狭缝像无像差的成像到探测器，通过电动平移台的移动实现精确切换，完成光谱
替代定标。 附图说明
'图l基于双光栅单色仪高精度多功能宽光谱辐射比较系统结构框图。 图2是入射光路结构示意图。 图3是光谱响应率测量模块光路结构图。 图4是物质材料光谱透过率测量模块光路结构图。 图5是探测器单元结构图。 具体实施方式 参见图l-图5。
高精度多功能宽光谱辐射比较系统，包括有光源，入射光路，单色仪，光谱
响应率测量模块，光谱透过率测量模块，其特征在于：所述的入射光路包括二个 反射镜和二个离轴抛物镜，其光路走向是光源的出射光束经反射镜、离轴抛物镜、 反射镜、离轴抛物镜依次反射，最终耦合进入单色仪，在反射镜与离轴抛物镜之 间的光路中安装有棱镜或偏振片，在离轴抛物镜反射至单色仪的光路中，安装有 光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块；所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动'轮构成，由步进电机驱动旋转。 单色仪系统和入射光路为公共模块。光斩波器；从单色仪出射狭缝出来的单色光进入光谱响应率测量模块或光谱透过 率测量模块;所述的光谱响应率测量模块是由避光箱和对向错开安装在避光箱内 的二个离轴抛物镜、应用探测器和标准传递探测器组成，应用探测器和标准传递 探测器安装在电动平移台上，使得标准传递探测器或应用探测器均可接收经过二 个离轴抛物镜反射后的单色光；光谱透过率测量模块由一个平面反射镜、二个离 轴抛物镜、样本轮、探测器单元组成，探测器单元由积分球和单片硅光电探测器 构成，进入光谱透过率测量模块的的单色光依次经过离轴抛物镜、平面镜、样本 轮、离轴抛物镜反射到积分球的入光口，最后从积分球的出光口由硅光电探测器 接收，所述的样本轮是由加载待测滤光片的转动轮构成，由步进电机驱动旋转。 单色仪系统和入射光路为公共模块。
利用入射光路的高效耦合能力，将大部分光源的辐射通量耦合到双光栅单色 仪DK242中，通过对单色仪设置参数，例如带宽、步长、固定波长等等使得单色 仪输出理想的单色光，分别利用各波长的单色光可以测量探测器以及各种材料的 光谱特性。需要注意的是各模块的的F数必须和单色仪相匹配，否则光能利用率 会很低，因此各模块光学设计必须很严谨。
图4为物质材料光谱透过率测量模块工作原理图，图的最左边是物质材料光 谱透过率测量模块。测量模块中的离轴抛物镜主要产生准平行光束以及产生会聚 光束入射到探测器单元。样本轮主要是加载待测样本，可以同时测量4块样本， 有效提高测量效率，而且在测量过程中由单片机控制完全实现自动化，不需要人 为参与。本测量模块最大创新点是采用了积分球与探测器组成的探测器单元，其 有效解决了测量过程中出现的光束移位、内反射、光束不均匀等等带来的测量误 差，有效的提高测量精度。另外通过离轴抛物镜产生的平行光，其发散角小，可 以进行光路扩展，实现对面阵探测器进行光谱定标，实现一种光路多种用途的功 能，有效的提高了测量精度，同时节约了资源。
该系统不仅在功能上很容易实现扩展，在波段上的扩展也很方便，具体是更 换光源，更换探测器单元，另外光路只需要很少部分变动，以适应红外探测。本 系统可以扩展到3500nm波段，因此总的可测量波段范围为350〜3500nm。