專利名稱:高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)輻射定標(biāo)、測量儀器研究與設(shè)計，具體是一種高精度相對光譜響應(yīng)率定標(biāo)、物質(zhì)材料光譜透過率測量的系統(tǒng)裝置研究與設(shè)計。
背景技術(shù)：
目前光輻射傳感器的定標(biāo)一般采用兩種方法，分別建立在標(biāo)準(zhǔn)輻射源和標(biāo)準(zhǔn)探測器上，它們的共同之處是首先需要建立高精度的初級標(biāo)準(zhǔn)，之后以不同精度等級的標(biāo)準(zhǔn)器建立傳遞鏈條，直至用戶傳感器，定標(biāo)實際上就是逐級比較的過程。
溫度精度控制的黑體通常被用作初級標(biāo)準(zhǔn)輻射源，它的絕對輻射度可以根據(jù)普朗克輻射定律和國際溫度標(biāo)準(zhǔn)來確定，但其傳遞精度較低。通過標(biāo)準(zhǔn)輻射源(黑體)傳遞到應(yīng)用儀器時的不確定度往往高于5％。
低溫輻射計是近十年來發(fā)展起來的、目前精度最高的標(biāo)準(zhǔn)探測器，它在低溫超導(dǎo)的條件下利用電加熱替代測量光熱效應(yīng)，實現(xiàn)光輻射的絕對測量。由于精度較高，并且容易與各種探測器相結(jié)合，因此基于探測器的新型定標(biāo)方法得到更廣泛的運用。國際標(biāo)準(zhǔn)組織和發(fā)達國家從90年代開始以其作為基礎(chǔ)建立了新型高精度光輻射初級標(biāo)準(zhǔn)，并采用了基于探測器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈取代傳統(tǒng)的基于輻射源的標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈，其傳遞標(biāo)準(zhǔn)的不確定度達到0.01％～0.03％。
目前很多國家采用基于單色儀的輻射定標(biāo)方法，將經(jīng)過低溫輻射計傳遞的標(biāo)準(zhǔn)探測器與應(yīng)用探測器進行光譜比對，得出應(yīng)用探測器的相對光譜響應(yīng)率，再通過分立波長激光器定出絕對光譜響應(yīng)率。但現(xiàn)在很多探測器是通道式探測器，其分光器件主要采用濾光片，如果直接采用上述方法測量其絕對光譜響應(yīng)，由于激光相干性較好，其測量誤差很大，因此濾光片測量與光譜響應(yīng)率測量分開進行，這樣必然造成測量儀器的增多，測量成本加大，甚至造成資源浪費。
目前很多國家采用鹵鎢燈加單色儀的方法定標(biāo)各種探測器，其定標(biāo)精度已經(jīng)滿足測量要求。但是現(xiàn)在出現(xiàn)了很多探測器是通道式探測器，如果要提高整體定標(biāo)精度，分光器件的定標(biāo)是至關(guān)重要的，因此各國設(shè)計很多種儀器測量各種分光器件的特性(例如光譜透過率、反射率等)，導(dǎo)致通道式探測器定標(biāo)中所涉及到的儀器裝置很多，測量成本加大，而這些裝置往往操作復(fù)雜，不確定度源分散，并且錯綜復(fù)雜，很難準(zhǔn)確評估系統(tǒng)整體不確定度。

發(fā)明內(nèi)容基于目前這種技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提出采用新型的高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的一系列單一測量裝置，認真分析各種不同測量對象的特點、原理和方法，將探測器光譜響應(yīng)率、物質(zhì)材料光譜特性等等測量對象有機的結(jié)合在一起，發(fā)明了新型的測量定標(biāo)系統(tǒng)，很好的解決了長期以來不確定分析困難的矛盾，有效的提高了測量精確度。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，包括有光源，入射光路，單色儀，光譜響應(yīng)率測量模塊，光譜透過率測量模塊，其特征在于所述的入射光路包括二個反射鏡和二個離軸拋物鏡，其光路走向是光源的出射光束經(jīng)反射鏡、離軸拋物鏡、反射鏡、離軸拋物鏡依次反射，最終耦合進入單色儀，在反射鏡與離軸拋物鏡之間的光路中安裝有棱鏡或偏振片，在離軸拋物鏡反射至單色儀的光路中，安裝有光斬波器；從單色儀出射狹縫出來的單色光進入光譜響應(yīng)率測量模塊或光譜透過率測量模塊；所述的光譜響應(yīng)率測量模塊是由避光箱和對向錯開安裝在避光箱內(nèi)的二個離軸拋物鏡、應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器組成，應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器安裝在電動平移臺上，使得標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器或應(yīng)用探測器均可接收經(jīng)過二個離軸拋物鏡反射后的單色光；光譜透過率測量模塊由一個平面反射鏡、二個離軸拋物鏡、樣本輪、探測器單元組成，探測器單元由積分球和單片硅光電探測器構(gòu)成，進入光譜透過率測量模塊的的單色光依次經(jīng)過離軸拋物鏡、平面鏡、樣本輪、離軸拋物鏡反射到積分球的入光口，最后從積分球的出光口由硅光電探測器接收，所述的樣本輪是由加載待測濾光片的轉(zhuǎn)動輪構(gòu)成，由步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
所述的標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器為硅光電陷阱探測器，所述的光源為鹵素?zé)簟?br> 入射光路主要功能是最大限度耦合光源的能量，遵循之一原則采用離軸拋物鏡和平面反射鏡組成，采用離軸拋物鏡主要是考慮理想成像，平面反射鏡主要是擴展光路，以便在光路中加入輔助測量元件(如偏振片等)評估系統(tǒng)特性。這種獨特的光路設(shè)計完全滿足測量過程的一切需要，是入射光路設(shè)計的創(chuàng)新點。另外將光源放置入射光路模塊外邊，單獨采用煙囪模式的散熱方法，有效的散其熱量，不至影響單色儀波長穩(wěn)定性，這也是另外一項創(chuàng)新點。
出射光路結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的測量對象采用不同的測量光路模塊，每種模塊具有不同的測量光路及方法。光譜響應(yīng)率測量模塊采用兩塊離軸拋物鏡將單色儀出射狹縫像無像差的成像到探測器，通過電動平移臺的移動實現(xiàn)精確切換，完成光譜替代定標(biāo)。
發(fā)明的效果基于雙光柵單色儀高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)實驗平臺的建立，填補了我國在高精度多功能儀器設(shè)計方面的空白。本發(fā)明將探測器光譜響應(yīng)率測量與物質(zhì)材料光譜特性測量有機結(jié)合在一起，同時考慮到系統(tǒng)的可擴展性(包括波段的擴展)，采用光學(xué)測量模塊方式對系統(tǒng)功能擴展，如光譜反射率測量等等。整套測量系統(tǒng)測量精度高、自動化程度高、使用方便。其不確定度評估完全按照國際通用的標(biāo)準(zhǔn)評估手冊《測量過程中不確定度的描述方法指南》，其測量不確定度可以達到10-3～10-4。
利用本發(fā)明高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，依托絕對低溫輻射計高精度傳遞的標(biāo)準(zhǔn)探測器，可以在民用探測器、商用探測器、軍用探測器方面都可以提供高精度輻射定標(biāo)和物質(zhì)光譜特性的分析。
圖1基于雙光柵單色儀高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是入射光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是光譜響應(yīng)率測量模塊光路結(jié)構(gòu)圖。
圖4是物質(zhì)材料光譜透過率測量模塊光路結(jié)構(gòu)圖。
圖5是探測器單元結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式參見圖1-圖5。
高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，包括有光源，入射光路，單色儀，光譜響應(yīng)率測量模塊，光譜透過率測量模塊，其特征在于所述的入射光路包括二個反射鏡和二個離軸拋物鏡，其光路走向是光源的出射光束經(jīng)反射鏡、離軸拋物鏡、反射鏡、離軸拋物鏡依次反射，最終耦合進入單色儀，在反射鏡與離軸拋物鏡之間的光路中安裝有棱鏡或偏振片，在離軸拋物鏡反射至單色儀的光路中，安裝有光斬波器；從單色儀出射狹縫出來的單色光進入光譜響應(yīng)率測量模塊或光譜透過率測量模塊；所述的光譜響應(yīng)率測量模塊是由避光箱和對向錯開安裝在避光箱內(nèi)的二個離軸拋物鏡、應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器組成，應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器安裝在電動平移臺上，使得標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器或應(yīng)用探測器均可接收經(jīng)過二個離軸拋物鏡反射后的單色光；光譜透過率測量模塊由一個平面反射鏡、二個離軸拋物鏡、樣本輪、探測器單元組成，探測器單元由積分球和單片硅光電探測器構(gòu)成，進入光譜透過率測量模塊的的單色光依次經(jīng)過離軸拋物鏡、平面鏡、樣本輪、離軸拋物鏡反射到積分球的入光口，最后從積分球的出光口由硅光電探測器接收，所述的樣本輪是由加載待測濾光片的轉(zhuǎn)動輪構(gòu)成，由步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
單色儀系統(tǒng)和入射光路為公共模塊。
利用入射光路的高效耦合能力，將大部分光源的輻射通量耦合到雙光柵單色儀DK242中，通過對單色儀設(shè)置參數(shù)，例如帶寬、步長、固定波長等等使得單色儀輸出理想的單色光，分別利用各波長的單色光可以測量探測器以及各種材料的光譜特性。需要注意的是各模塊的的F數(shù)必須和單色儀相匹配，否則光能利用率會很低，因此各模塊光學(xué)設(shè)計必須很嚴謹。
圖4為物質(zhì)材料光譜透過率測量模塊工作原理圖，圖的最左邊是物質(zhì)材料光譜透過率測量模塊。測量模塊中的離軸拋物鏡主要產(chǎn)生準(zhǔn)平行光束以及產(chǎn)生會聚光束入射到探測器單元。樣本輪主要是加載待測樣本，可以同時測量4塊樣本，有效提高測量效率，而且在測量過程中由單片機控制完全實現(xiàn)自動化，不需要人為參與。本測量模塊最大創(chuàng)新點是采用了積分球與探測器組成的探測器單元，其有效解決了測量過程中出現(xiàn)的光束移位、內(nèi)反射、光束不均勻等等帶來的測量誤差，有效的提高測量精度。另外通過離軸拋物鏡產(chǎn)生的平行光，其發(fā)散角小，可以進行光路擴展，實現(xiàn)對面陣探測器進行光譜定標(biāo)，實現(xiàn)一種光路多種用途的功能，有效的提高了測量精度，同時節(jié)約了資源。
該系統(tǒng)不僅在功能上很容易實現(xiàn)擴展，在波段上的擴展也很方便，具體是更換光源，更換探測器單元，另外光路只需要很少部分變動，以適應(yīng)紅外探測。本系統(tǒng)可以擴展到3500nm波段，因此總的可測量波段范圍為350～3500nm。
權(quán)利要求
1.高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，包括有光源，入射光路，單色儀，光譜響應(yīng)率測量模塊，光譜透過率測量模塊，其特征在于所述的入射光路包括二個反射鏡和二個離軸拋物鏡，其光路走向是光源的出射光束經(jīng)反射鏡、離軸拋物鏡、反射鏡、離軸拋物鏡依次反射，最終耦合進入單色儀，在反射鏡與離軸拋物鏡之間的光路中安裝有棱鏡或偏振片，在離軸拋物鏡反射至單色儀的光路中，安裝有光斬波器；從單色儀出射狹縫出來的單色光進入光譜響應(yīng)率測量模塊或光譜透過率測量模塊；所述的光譜響應(yīng)率測量模塊是由避光箱和對向錯開安裝在避光箱內(nèi)的二個離軸拋物鏡、應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器組成，應(yīng)用探測器和標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器安裝在電動平移臺上，使得標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器或應(yīng)用探測器均可接收經(jīng)過二個離軸拋物鏡反射后的單色光；光譜透過率測量模塊由一個平面反射鏡、二個離軸拋物鏡、樣本輪、探測器單元組成，探測器單元由積分球和單片硅光電探測器構(gòu)成，進入光譜透過率測量模塊的的單色光依次經(jīng)過離軸拋物鏡、平面鏡、樣本輪、離軸拋物鏡反射到積分球的入光口，最后從積分球的出光口由硅光電探測器接收，所述的樣本輪是由加載待測濾光片的轉(zhuǎn)動輪構(gòu)成，由步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測器為硅光電陷阱探測器，所述的光源為鹵素?zé)簟?br>專利摘要
本發(fā)明公開了一種高精度多功能寬光譜輻射比較系統(tǒng)，包括有光源，入射光路，單色儀，光譜響應(yīng)率測量模塊，光譜透過率測量模塊。將探測器光譜響應(yīng)率、物質(zhì)材料光譜特性等等測量對象有機的結(jié)合在一起，充分利用雙光柵單色儀DK242和基于低溫輻射計傳遞的標(biāo)準(zhǔn)探測器，采用特殊的光路設(shè)計，實現(xiàn)光學(xué)傳感器與材料高精度光譜特性測量。很好的解決了長期以來不確定度分析困難的矛盾，有效的提高了測量精確度。通過大量實驗對系統(tǒng)不確定度進行了分析，其系統(tǒng)不確定度為10
文檔編號G01N21/01GK1995971SQ200610166443
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月19日
發(fā)明者周磊, 鄭小兵 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan