CN114923671B - 一种红外光学系统光谱透过率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外光学系统光谱透过率测量装置及测量方法，以测量有焦红外光学系统和无焦红外光学系统，该装置由红外光源、回反射系统、光谱分光系统、辐射探测系统和数据处理系统组成，红外光源产生标准红外辐射、回反射系统将红外光源出射的辐射准直后，红外辐射经被测红外光学系统后由回反射镜沿入射路径返回，两次透射被测光学系统，光谱分光系统采用傅里叶分光系统，得到红外辐射的光谱分布，辐射探测系统用于接收红外辐射，数据处理系统将探测的红外辐射经行处理，得到被测光学系统的光谱透过率。本发明主要用于红外热像仪镜头、红外望远光学系统、红外光窗和红外滤光片等光红外光学系统光谱透过率测量和校准。

Description

一种红外光学系统光谱透过率测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，涉及一种红外光学系统光谱透过率测量装置及测量方法。

背景技术

红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，是利用自然界物体不同部位红外热辐射强度的不同来形成图像，具有在夜间和恶劣天气条件下进行目标监控的能力，广泛应用于工业、医疗、农业、科研和军事领域。

无论何种类型的红外装备，其核心都由红外光学系统和探测器组成，图像质量的好坏，可以说很大程度上取决于红外光学系统的性能，功能强大的红外装备更需要依靠结构复杂的红外光学系统来实现。而光谱透过率正是评价红外光学系统好坏的关键性能指标。如果系统的透过率很低，系统的成像质量和探测效率将会受到严重影响，所以对红外光学系统光谱透过率的准确测量和校准是十分必要的。

本发明以红外热像仪镜头、红外望远光学系统、红外光窗、红外滤光片等红外光学系统光谱透过率测试需求为背景，由于存在其红外光学系统光谱透过率参数测量不准，测量设备无法溯源的问题，导致红外辐射经过某一光学系统后光谱辐射的损失程度测量不准确，影响了红外光学系统光谱透过率参数性能的准确评估，而红外光学系统的光谱透过率是影响红外成像系统成像质量最为重要的参数之一。

发明内容

(一)发明目的

针对现有的光学系统透过率测量系统只能测量可见光有焦光学系统，红外光学系统测量系统只能测量无焦光学系统的问题，本发明提出一种红外光学系统红外光谱透过率测量装置及测量方法，以实现不同类型红外光学系统光谱透过率的准确测量和校准。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种红外光学系统光谱透过率测量装置，用于红外照相系统、红外望远系统、红外光窗等不同类型的红外光学系统光谱透过率的准确校准。

如图1所示，本发明红外光学系统光谱透过率测量装置包括红外光源、回反射系统、光谱分光系统、辐射探测系统和计算机采集处理系统；红外光源发出红外光束，红外光束经红外光源分束镜反射后进入回反射系统，回反射系统中布置被测件和内部平面回反射镜，红外光束透过被测件后通过内部平面回反射镜反射，反射后红外光束再次透过被测件原路返回，返回光束透过红外光源分束镜后入射至光谱分光系统，光谱分光系统进行光谱分光，辐射探测系统和计算机采集处理系统对辐射信号采集，通过空测和实测比较，实现红外光学系统光谱透过率测试。

如图2所示，红外光源为黑体辐射源1，红外光源的出光侧布置分束镜2，分束镜2的反光侧布置回反射系统。

回反射系统包括离轴抛物面反射镜Ⅰ4、光阑5、平面回反射镜8，离轴抛物面反射镜Ⅰ4的反射面和平面回反射镜8的反射面正对，光阑5布置在离轴抛物面反射镜Ⅰ4和平面回反射镜8之间，实测时通过五维精密调节载物台7将被测光学系统6移入光阑5和平面回反射镜8之间。

经由回反射系统的返回光束透过分束镜2入射至光谱分光系统，光谱分光系统包括离轴抛物面反射镜Ⅱ9、傅里叶分光模块11、离轴抛物面反射镜Ⅲ12，光束入射至离轴抛物面反射镜Ⅱ9进行准直，准直光束入射到傅里叶分光模块11，通过傅立叶变化实现干涉光谱分光，傅里叶分光模块11出射辐射由离轴抛物面反射镜Ⅲ12聚焦，聚焦光束入射至辐射探测系统。

辐射探测系统包括红外探测器14，红外探测器14输出信号由计算机采集处理系统15处理后得到红外辐射的光谱分布。

分束镜2和离轴抛物面反射镜Ⅱ9之间的光路上布置视场光阑3，用于调整入射至离轴抛物面反射镜Ⅱ9的光束直径。

离轴抛物面反射镜Ⅱ9和傅里叶分光模块11之间倾斜布置平面回反射镜10，用于实现光路折转，改变光路方向，减小系统整体体积。

本实施例红外光学系统光谱透过率测量装置还包括切换反射镜13、非制冷观察热像仪16，在对五维精密调节载物台7的位置进行校准时，将切换反射镜13切入离轴抛物面反射镜Ⅲ12和红外探测器14之间的光路上，切换反射镜13对离轴抛物面反射镜Ⅲ12出射的光束进行反射，由非制冷观察热像仪16成像。

上述红外光学系统光谱透过率测量装置中，黑体辐射源1出射的红外辐射由分束镜2反射后进入回反射系统，由离轴抛物面反射镜Ⅰ4将红外辐射准直。视场光阑3用于调节校准装置的视场，光阑5用于调节由离轴抛物面反射镜Ⅰ准直的平行光束的直径大小，使之与被测系统的通光孔径相匹配。空测时，被测光学系统6不进入系统光路，得到空测时辐射电压信号V。实测时通过五维精密调节载物台7将被测光学系统6移入光阑5和平面回反射镜8之间的光路，并通过五维精密调节载物台7和搭载平面回反射镜8的超长行程电动平移台精密调节前后、左右、高低、方位、俯仰的位置，使被测光学系统6与校准装置的光轴一致，在测量透镜系统时，使平面回反射镜8精密定位于透镜系统的焦面上，入射的红外辐射将沿原路返回。红外辐射两次透射被测光学系统5后经聚焦透射分束镜2，由离轴抛物面反射镜Ⅱ9准直入射到傅里叶分光模块11，通过傅立叶变化实现干涉光谱分光。傅里叶分光模块11出射辐射由离轴抛物面反射镜Ⅲ12聚焦入射红外探测器14，红外探测器14输出信号由数据采集处理系统15处理后得到红外辐射的光谱分布。由于红外辐射无法直接用肉眼观察，采用切换反射镜13用于将离轴抛物面反射镜Ⅲ12聚焦红外辐射照射至非制冷观察热像仪16的探测器像面，非制冷观察热像仪16将显示黑体辐射源1发出的红外辐射成像，可以用于校准装置五维精密调节载物台7的调节，当非制冷观察热像仪16能够对黑体辐射源1清晰成像，说明五维精密调节载物台7调至理想位置。

基于上述红外光学系统光谱透过率测量装置，本实施例红外光学系统光谱透过率测量方法的过程为：

第一步：空测

首先将黑体设置在一个温度点T点，得到空测时的黑体在温度T点光谱电压信号。

第二步：实测

将被测红外光学系统移入光路，通过调整回反射镜和五维精密调节载物台，使光束在透过被测红外光学系统后能够沿着入射方向原路返回，两次透射被测红外光学系统后由红外探测器接收辐射电压信号。

第三步：计算光谱透过率

得到空测和实测的光谱辐射分布后就可以计算出被测光学系统的光谱透过率。

光谱透过率是表示在给定红外光学系统进入光路实测时测得的电压信号与给定红外光学系统未进入光路空测时测得电压信号之比。其定义可用下式表示：

τ(λ)＝V'(λ)/V(λ) (1)

式中，V(λ)为空测时探测器对特定输出电压值，V'(λ)为实测时探测器对特定输出电压值。光谱透过率通常是辐射波长的函数，可以由一个或多个不连续的波长测出，也可以在一个特定的光谱带上测出积分平均透过率。

设定黑体温度，使黑体出射的辐射亮度为L(λ)。当被测红外光学系统未进入光路时，此时处于回反射系统的空测状态，探测器输出电压信号由公式(2)得到：

V(λ)＝L(λ)·α(λ)·R(λ)·Ω·A (2)

式中，L(λ)黑体出射光谱辐射亮度(W/sr·cm²·cm^-1)，α(λ)为回反射系统自身的仪器常数，R(λ)为探测器的光谱响应度(V/W·cm^-1)，Ω为探测器的视场(sr)，A为探测器的光敏面面积(mm²)。

当被测红外光学系统进入光路时，此时处于回反射系统的实测状态，由于黑体出射的红外辐射两次透过被测红外光学系统，故探测器输出电压信号由公式(3)得到：

V'(λ)＝L(λ)·α(λ)·R(λ)τ²(λ)·Ω·A (3)

于是有：

τ²(λ)＝V'(λ)/V(λ) (4)

故被测红外光学系统的光谱透过率为：

(三)有益效果

上述技术方案所提供的红外光学系统红外光谱透过率测量装置及测量方法，校准装置可以在一套装置上测试有焦和无焦红外光学系统的满口径光谱透过率参数，且具有测量精度高、光谱范围广、光谱分辨率高等优点；本发明能够提高红外光学系统产品设计水平，改进生产工艺，发现产品的设计缺陷，加快产品的研制进度，提供可靠的测试计量保障，可广泛开展红外光学系统光谱透过率参数评价工作，为客观、准确地评价红外光学系统光谱透过率参数提供必要的技术手段。

附图说明

图1为本发明实例的红外光学系统光谱透过率测量装置原理框图；

图2为本发明实例的红外光学系统光谱透过率测量装置组成图。

图中，1-黑体辐射源、2-分束镜、3-视场光阑、4-离轴抛物面反射镜Ⅰ、5-光阑、6-被测光学系统、7-五维精密调节载物台、8-平面回反射镜、9-离轴抛物面反射镜Ⅱ、10-平面回反射镜、11-傅里叶分光模块、12-离轴抛物面反射镜Ⅲ、13-切换反射镜、14-红外探测器、15-数据采集处理系统、16-非制冷观察热像仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供一种红外光学系统光谱透过率测量装置，该装置可以测量有焦和无焦红外光学系统满口径的光谱透过率，其波长范围覆盖1μm～14μm，光谱分辨率达到1cm^-1，做为校准装置用于不同类型红外光学系统光谱透过率的测量和校准。

其中，如图1所示，黑体辐射源1选择HGH公司的RCN1350型腔黑体，分束镜2采用ZnSe材料的红外分束镜，可以实现1μm～14μm波长范围红外辐射分束。其测试过程为黑体辐射源1出射的红外辐射由分束镜2反射后进入回反射系统。视场光阑3用于调节校准装置的视场，光阑5用于调节由离轴抛物面反射镜Ⅰ准直光束的直径大小，使之与被测系统的通光孔径相匹配。空测时，被测光学系统6不进入系统光路，得到空测时辐射电压信号。实测时通过ZyGo公司研制五维精密调节镜架7夹持被测系统使之进入光路，并通过五维精密调节镜架6和搭载平面回反射镜8的超长行程电动平移台调节被测光学系统前后、左右、高低、方位、俯仰的位置，使被测光学系统6与校准装置的同轴，并使平面回反射镜精密8定位于透镜系统的焦面上，入射的红外辐射将沿原路返回。红外辐射两次透射被测光学系统6后经过聚焦后透射分束镜2，由离轴抛物面反射镜Ⅱ9准直入射到ABB公司OEM-kit型傅里叶分光模块11，通过傅立叶变化实现干涉光谱分光。傅里叶分光模块11出射辐射由离轴抛物面反射镜Ⅲ12聚焦入射Infrared公司生产的红外探测器14，红外探测器14输出信号由数据采集处理系统15处理后得到红外辐射的光谱分布。由于红外辐射无法直接用肉眼观察，采用切换反射镜13用于将离轴抛物面反射镜Ⅲ12聚焦的红外辐射入射烟台艾睿公司3μm～14μm波长的非制冷观察热像仪16的探测器像面，非制冷观察热像仪16将显示黑体辐射源1发出的红外辐射成像，可以用于校准装置五维精密调节载物台5的调节，当非制冷观察热像仪16能够对黑体辐射源1清晰成像，说明五维精密调节载物台5调至理想位置。

红外光谱透过率的测量可以分为三步：

第一步是空测，首先将黑体设置在一个温度点T点，得到空测时的黑体在温度T点光谱电压信号。

第二步为实测，将被测红外光学系统移入光路，通过调整回反射镜和五维精密调节载物台，使光束在透过被测红外光学系统后能够沿着入射方向原路返回，两次透射被测红外光学系统后由红外探测器接收辐射电压信号。

第三步为计算光谱透过率，得到空测和实测的光谱辐射分布后就可以计算出被测光学系统的光谱透过率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种红外光学系统光谱透过率测量方法，其特征在于，所述测量方法采用一种红外光学系统光谱透过率测量装置进行光谱透过率测量，所述测量装置包括红外光源、回反射系统、光谱分光系统、辐射探测系统和计算机采集处理系统；红外光源发出红外光束，红外光束经红外光源分束镜反射后进入回反射系统，回反射系统中布置被测光学系统和内部平面回反射镜，红外光束透过被测光学系统后通过内部平面回反射镜反射，反射后红外光束再次透过被测件原路返回，返回光束透过红外光源分束镜后入射至光谱分光系统，光谱分光系统进行光谱分光，辐射探测系统和计算机采集处理系统对辐射信号采集，通过切出被测光学系统进行空测和切入被测光学系统进行实测并比较，实现红外光学系统光谱透过率测试；所述回反射系统包括离轴抛物面反射镜Ⅰ(4)、光阑(5)、平面回反射镜(8)，离轴抛物面反射镜Ⅰ(4)的反射面和平面回反射镜(8)的反射面正对，光阑(5)布置在离轴抛物面反射镜Ⅰ(4)和平面回反射镜(8)之间，空测或实测时通过五维精密调节载物台(7)将被测光学系统(6)切出或切入光阑(5)和平面回反射镜(8)之间；所述光谱分光系统包括离轴抛物面反射镜Ⅱ(9)、傅里叶分光模块(11)、离轴抛物面反射镜Ⅲ(12)，光束入射至离轴抛物面反射镜Ⅱ(9)进行准直，准直光束入射到傅里叶分光模块(11)，通过傅立叶变化实现干涉光谱分光，傅里叶分光模块(11)出射辐射由离轴抛物面反射镜Ⅲ(12)聚焦，聚焦光束入射至辐射探测系统；测量装置还包括切换反射镜(13)、非制冷观察热像仪(16)，在对五维精密调节载物台(7)的位置进行校准时，将切换反射镜(13)切入离轴抛物面反射镜Ⅲ(12)和红外探测器(14)之间的光路上，切换反射镜(13)对离轴抛物面反射镜Ⅲ(12)出射的光束进行反射，由非制冷观察热像仪(16)成像；

所述测量方法包括以下步骤：

第一步：空测

首先将红外光源设置在一个温度点T点，得到空测时的红外光源在温度T点光谱电压信号；

第二步：实测

将被测光学系统移入光路，通过调整平面回反射镜和五维精密调节载物台，使光束在透过被测红外光学系统后能够沿着入射方向原路返回，两次透射被测红外光学系统后由红外探测器接收辐射电压信号；

第三步：计算光谱透过率

得到空测和实测的光谱辐射分布后，计算出被测光学系统的光谱透过率；

所述光谱透过率表示在给定红外光学系统进入光路实测时测得的电压信号与给定红外光学系统未进入光路空测时测得电压信号之比，其公式为：

τ(λ)＝V'(λ)/V(λ) (1)

式中，V(λ)为空测时探测器对特定输出电压值，V'(λ)为实测时探测器对特定输出电压值；

设定黑体温度，使黑体出射的辐射亮度为L(λ)，当被测红外光学系统未进入光路时，此时处于回反射系统的空测状态，探测器输出电压信号由公式(2)得到：

V(λ)＝L(λ)·α(λ)·R(λ)·Ω·A (2)

式中，L(λ)黑体出射光谱辐射亮度/W/sr·cm²·cm^-1，α(λ)为回反射系统自身的仪器常数，R(λ)为探测器的光谱响应度/V/W·cm^-1，Ω为探测器的视场/sr，A为探测器的光敏面面积/mm²；

当被测红外光学系统进入光路时，此时处于回反射系统的实测状态，由于黑体出射的红外辐射两次透过被测红外光学系统，故探测器输出电压信号由公式(3)得到：

V'(λ)＝L(λ)·α(λ)·R(λ)τ²(λ)·Ω·A (3)

于是有：

τ²(λ)＝V'(λ)/V(λ) (4)

故被测红外光学系统的光谱透过率为：