CN114608809B - 一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法 - Google Patents

一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法，属于光学测量领域，包括光源，单色仪及探测器，还包括变角度反射比辅助测量附件，所述探测器固定设置，所述测量孔外侧固定设置有待测大口径光学元件的放置架，所述附件外壳内设置有反射镜MⅠ和反射镜MⅡ，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ内镜面方向角对称设置，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ分别安装在电动旋转台，安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿一维方向平移的相应位置处。避免了旋转待测大口径元件及探测器，装置测量成本大大降低。

Description

一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法。
背景技术
光谱反射比，即光学元件对某一光谱范围内不同波长光的反射通量与入射通量的比值，通常用表示，是描述光学元件及其膜层性能的基本参数之一，它既是元件加工和涂膜水平的直接表征，也是元件使用需要掌握的基本参数。
目前，光学元件及膜层的光谱反射比测量装置主要为分光光度计。但分光光度计主要用于液体的光谱透射比或小口径光学元件光谱透（反）射比测量；对于大口径玻璃材料，曾开发过光谱透射比测量附件，但都仅针对透射比测量。
对于反射比测量，PerkinElmer、Agilent Technologies等均研发有反射测量附件结合分光光度计仪器实现可变角度反射比测量。其基本原理为不同的光束入射角度下，反射光束传输方向发生改变，为保证探测器接收到反射光束，探测器位置随反射光束传输方向改变进行调节，入射光束角度和探测器位置调节通过电动旋转装置实现，其简易示意如图1所示。为确保元件和仪器安全，当使用该方法测量大口径光学元件（口径达数百毫米）时探测器的旋转半径需大幅增加，这将对驱动探测器位置变化的电动旋转装置的工作量程提出极高要求，量程提高后旋转装置的定位精度和成本均难以控制；另外，这种方法还会增加光程，给杂散光控制造成较大困难从而容易降低测量精度；因此，该方法不适合大口径光学元件的反射比测量。
另外，国内电子科技大学、兵器工业二0五研究所分别提出过相关的反射比测量方法和装置，但都是基于激光光源，只能实现特定波长下的反射比，无法测量光谱反射比；且其反射比变角度测量也是基于探测器位置随反射光束方向连动的方式，这种方法由于需要转动元件和变换探测器位置，故其装置也需要使用大承重的电动旋转台和用于探测器位置移动的长工作距离位置旋转移动台，而大承重的电动旋转台成本很高且其在电动旋转工作时的安全性很难保证。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有的测量大口径光学元件变角度光谱反射比时需要转动光学元件和变换探测器位置，对光学元件和探测器工作量程提出极高要求，量程提高后采用的旋转装置的定位精度和成本均难以控制的问题，本发明提供一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置及其方法。
本发明第一个目的提供一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置，本发明采用的技术方案如下：包括光源，单色仪及探测器，还包括分光镜、反射镜RⅠ、反射镜RⅡ及变角度反射比辅助测量附件，所述探测器固定设置，所述变角度反射比辅助测量附件包括附件外壳、反射镜MⅠ、反射镜MⅡ，所述附件外壳上设置有入射孔、测量孔及出射孔，所述测量孔外侧固定设置有待测大口径光学元件的放置架，所述附件外壳内设置有反射镜MⅠ和反射镜MⅡ，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ内镜面方向角对称设置，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ分别安装在电动旋转台，安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿一维方向平移的相应位置处。
本发明公开了一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置，与现有的反射比测量装置相比，使用本装置测量时，待测大口径反射镜的方向无需旋转，探测器也不需要变换位置，因此无需驱动大口径元件反射镜旋转的大承重电动旋转台和驱动探测器位置旋转平移的长工作距离旋转平移台，测量成本大大降低且更加安全，且测量光路更短，测量过程中更不易受环境和杂散光的影响，测量精度更高。
优选地，安装有所述反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有所述反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿x轴向或y轴向或z轴向平移的一维相应位置处。
优选地，所述反射镜MⅠ、反射镜MⅡ通过电控实现在一维方向的位置和镜面方向角的同步调节。
优选地，所述入射孔外侧对应的固定设置有反射镜RⅠ、所述出射孔外侧对应的固定设置有反射镜RⅡ。
优选地，还包括控制及数据处理计算机，所述控制及数据处理计算机分别与光源、单色仪、斩波器及探测器电性连接，所述控制及数据处理计算机与安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台电性连接。
优选地，所述反射镜MⅠ、反射镜MⅡ设置在y轴方向的位置和镜面方向角α通过以下公式计算得到：
（1）
（2）；
α为光束的入射角或镜面方向角；β为光束入射到待测大口径元件的入射角；l为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线距离的1/2的距离；h为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线到待测大口径反射镜的垂直距离。
其中光源为测量装置提供光源，使用宽光谱光源，具体光源选择取决于待测光谱反射比的光谱范围（如在可见及近红外谱段可选择钨灯），如只须测量某特定波长下的反射比，光源亦可使用激光器；单色仪：用于将光源发出的宽光谱分离成单色光，可通过电动控制实现光谱扫描，该部件已有成熟的器件可直接购买；斩波器：配合数据处理电路中的锁相放大器提升测量信号的信噪比；探测器：实现光信号探测，根据探测光谱范围选择合适的光电探测器。
其中光源为测量装置提供光源，使用宽光谱光源，具体光源选择取决于待测光谱反射比的光谱范围（如在可见及近红外谱段可选择钨灯），如只须测量某特定波长下的反射比，光源亦可使用激光器；单色仪：用于将光源发出的宽光谱分离成单色光，可通过电动控制实现光谱扫描，该部件已有成熟的器件可直接购买；斩波器：配合数据处理电路中的锁相放大器提升测量信号的信噪比；探测器：实现光信号探测，根据探测光谱范围选择合适的光电探测器。
变角度反射比辅助测量附件：用于反射比测量时入射角β的调节，其调节原理：被分光镜反射的测量光束通过变角度反射比辅助测量附件的入射孔进入变角度反射比辅助测量附件内，以α的入射角入射到反射镜MⅠ，经反射镜MⅠ反射后通过测量孔入射到待测大口径反射镜表面，入射角β，然后光束被待测大口径反射镜表面反射后进入附件，通过反射镜MⅡ、出射孔、反射镜RⅡ后进入探测器。其中，反射镜MⅠ、反射镜MⅡ均分别安装在电动旋转台上，可通过电控实现反射镜MⅠ、反射镜MⅡ镜面方向角（即光束的入射角α）的电动调节，反射镜MⅠ、反射镜MⅡ及其电动旋转台分别整体安装在y轴方向或x轴方向或z轴方向平移的一维位置平移上，如此同时实现反射镜MⅠ、反射镜MⅡ在位置和镜面方向角的同时测量，同时反射镜MⅠ、反射镜MⅡ通过电控实现同步调节，始终保持位置及镜面方向角对称。
具体的测量时，变角度反射比辅助测量附件与待测元件贴近，其中h的高度确定且不可调，光束入射到待测大口径元件的入射角β由测量需求确定（通常是待测大口径元件的真实使用时的入射角度），通过几何计算可以得出：
（1）
（2）；
控制及数据处理计算机根据计算得到的α和l的值，自动控制反射M1、M2的电动旋转台和y方向平移台完成两反射镜的镜面方向角和位置调节；根据几何关系可知，变角度反射比辅助测量附件的入射和出射光束的方向不发生任何改变，即使待测反射比的入射角β需要改变，后续反射镜RⅡ和探测器的位置及方向均无需调节。
本发明第二个目的提供一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置的使用方法，采用的技术方案如下：当反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台沿y轴方向安装时；包括以下步骤：
1）确定反射比测量需求参数β和光谱范围，根据公式（1）和（2）计算出α和l，控制反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台和y轴方向平移台完成反射镜MⅠ、反射镜MⅡ调节；
2）将标准反射镜片贴放于变角度反射比辅助测量附件的测量孔处，启动单色仪进行光谱扫描，探测器及其后续数据处理电路同步探测并记录信号，并对测量光束和参考光束的辐射通量相比，得到：
（3）
其中：其中ρ1为测量标准反射镜片时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；
R0为标准反射镜片反射比；
3）用待测大口径反射镜替换标准反射镜片，按2）中所述步骤再次测量得到测量光束和参考光束的辐射通量比值：
（4）
其中：ρ2为测量待测大口径反射镜时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；R为待测反射比；
3）通过计算(3)和(4)两式可得：
（5）。
进一步地，当β或/和当光谱范围改变时：
当β改变时，重复步骤1)和3）；
当光谱范围改变时，重复步骤1)，2）和3）；
当β和光谱范围同时改变时，重复步骤1)，2）和3）。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
（1）本发明基于反射镜MⅡ与反射镜MⅠ一维位置及反射镜镜面方向联动调节实现光入射点位置不变的光束方向调节方法及相关装置，通过变角度反射比辅助测量附件可实现光束入射待测光学元件的入射角β连续变化，但无论β怎么变化，光束的入射点可始终保持在附件外壳的测量孔位置，从而待测光学元件便无需移动和旋转；基于双反射镜位置及镜面方向联动调节的反射光束指向不变光路及装置，利用反射镜MⅡ与M1位置和方向联动的方式保证了经待测元件反射后的光束指向与入射光束的指向相同，且无论入射角β怎么变化，反射比辅助测量附件出射孔出射光束的指向保持不变，后续光路无需因为β发生变化而进行调节，避免了探测器位置随反射光束指向需要随动的要求。
（3）本发明对于大口径光学元件不同入射角度下的光谱反射比测量，无须旋转待测大口径元件，无需大口径元件旋转夹具，装置测量成本大大降低，同时测量时的安全性得以保证。
（4）本发明在需要进行光谱反射比的入射角度扫描测量，后续光路及探测器位置无需改变，即使测量入射角变化也不必对后续光路及各元器件位置进行调节，大大减少了探测器位置移动和后续光束再调节引入的测量误差。
（5）本发明在变角度测量时，虽然需要对反射比辅助测量附件中的反射镜MⅠ和反射镜MⅡ进行调节，但这两块反射镜均为小口径，镜面方向和位置调节难度与大口径待测元件角度旋转相比难度大大降低；通过控制计算机设定程序，可实现β的自动扫描，实现大口径元件的变角度光谱反射比自动扫描测量。
附图说明
图1现有小口径可变角反射比测量附件原理示意；
图2本发明大口径平面光学元件变角度光谱反射比自动测量装置。
图中标记为：1-光源，2-单色仪，3-斩波器，4-分光镜，5-反射镜RⅠ，6-反射镜RⅡ，7-变角度反射比辅助测量附件，701-附件外壳，702-反射镜MⅠ，703-反射镜MⅡ，704-入射孔，705-测量孔，706-出射孔，8-探测器，9-控制及数据处理计算机，10-待测大口径反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图2所示，针对上述现有的测量大口径光学元件变角度光谱反射比时需要转动光学元件和变换探测器位置，对光学元件和探测器工作量程提出极高要求，量程提高后采用的旋转装置的定位精度和成本均难以控制的问题，本发明提供一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置，包括光源，单色仪及探测器，还包括分光镜、反射镜RⅠ、反射镜RⅡ及变角度反射比辅助测量附件，所述探测器固定设置，所述变角度反射比辅助测量附件包括附件外壳、反射镜MⅠ、反射镜MⅡ，所述附件外壳上设置有入射孔、测量孔及出射孔，所述测量孔外侧固定设置有待测大口径光学元件的放置架，所述附件外壳内设置有反射镜MⅠ和反射镜MⅡ，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ内镜面方向角对称设置，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ分别安装在电动旋转台，安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿一维方向平移的相应位置处。其中安装有所述反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有所述反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿x轴向或y轴向或z轴向平移的一维相应位置处。所述入射孔外侧对应的固定设置有反射镜RⅠ、所述出射孔外侧对应的固定设置有反射镜RⅡ。
本发明基于反射镜MⅡ与反射镜MⅠ一维位置及反射镜镜面方向联动调节实现光入射点位置不变的光束方向调节方法及相关装置，通过变角度反射比辅助测量附件可实现光束入射待测光学元件的入射角β连续变化，但无论β怎么变化，光束的入射点可始终保持在附件外壳的测量孔位置，从而待测光学元件便无需移动和旋转；基于双反射镜位置及镜面方向联动调节的反射光束指向不变光路及装置，利用反射镜MⅡ与M1位置和方向联动的方式保证了经待测元件反射后的光束指向与入射光束的指向相同，且无论入射角β怎么变化，反射比辅助测量附件出射孔出射光束的指向保持不变，后续光路无需因为β发生变化而进行调节，避免了探测器位置随反射光束指向需要随动的要求。
实施例2
为了便于实现对于大口径光学元件不同入射角度下的光谱反射比测量和/或需要进行光谱反射比的入射角度扫描测量，在实施例1的基础上，所述反射镜MⅠ、反射镜MⅡ通过电控实现在一维方向的位置和镜面方向角的同步调节。
本装置还包括控制及数据处理计算机，所述控制及数据处理计算机分别与光源、单色仪、斩波器及探测器电性连接，所述控制及数据处理计算机与安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台电性连接。
所述反射镜MⅠ、反射镜MⅡ设置在y轴方向的位置和镜面方向角α通过以下公式计算得到：
（1）
（2）；
α为光束的入射角或镜面方向角；β为光束入射到待测大口径元件的入射角；l为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线距离的1/2的距离；h为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线到待测大口径反射镜的垂直距离。
具体的测量时，变角度反射比辅助测量附件与待测元件贴近，其中h的高度确定且不可调，光束入射到待测大口径元件的入射角β由测量需求确定（通常是待测大口径元件的真实使用时的入射角度），通过几何计算可以得出：
（1）
（2）；
控制及数据处理计算机根据计算得到的α和l的值，自动控制反射M1、M2的电动旋转台和y方向平移台完成两反射镜的镜面方向角和位置调节；根据几何关系可知，变角度反射比辅助测量附件的入射和出射光束的方向不发生任何改变，即使待测反射比的入射角β需要改变，后续反射镜RⅡ和探测器的位置及方向均无需调节。
实施例3
一种大口径光学元件变角度光谱反射比测量装置的使用方法，采用的技术方案如下：当反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台沿y轴方向安装时；包括以下步骤：
1）确定反射比测量需求参数β和光谱范围，根据公式（1）和（2）计算出α和l，控制反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台和y轴方向平移台完成反射镜MⅠ、反射镜MⅡ调节；
2）将标准反射镜片贴放于变角度反射比辅助测量附件的测量孔处，启动单色仪进行光谱扫描，探测器及其后续数据处理电路同步探测并记录信号，并对测量光束和参考光束的辐射通量相比，得到：
（3）
其中：其中ρ1为测量标准反射镜片时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；
R0为标准反射镜片反射比；
3）用待测大口径反射镜替换标准反射镜片，按2）中所述步骤再次测量得到测量光束和参考光束的辐射通量比值：
（4）
其中：ρ2为测量待测大口径反射镜时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；R为待测反射比；
3）通过计算(3)和(4)两式可得：
（5）。
进一步地，当β或/和当光谱范围改变时：
当β改变时，重复步骤1)和3）；
当光谱范围改变时，重复步骤1)，2）和3）；
当β和光谱范围同时改变时，重复步骤1)，2）和3）。
本发明在需要进行光谱反射比的入射角度扫描测量，后续光路及探测器位置无需改变，即使测量入射角变化也不必对后续光路及各元器件位置进行调节，大大减少了探测器位置移动和后续光束再调节引入的测量误差；在变角度测量时，虽然需要对反射比辅助测量附件中的反射镜MⅠ和反射镜MⅡ进行调节，但这两块反射镜均为小口径，镜面方向和位置调节难度与大口径待测元件角度旋转相比难度大大降低；通过控制计算机设定程序，可实现β的自动扫描，实现大口径元件的变角度光谱反射比自动扫描测量。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量装置，包括光源，单色仪及探测器，其特征在于，还包括斩波器、分光镜、反射镜RⅠ、反射镜RⅡ及变角度反射比辅助测量附件，所述探测器固定设置，所述变角度反射比辅助测量附件包括附件外壳、反射镜MⅠ、反射镜MⅡ，所述附件外壳上设置有入射孔、测量孔及出射孔，所述测量孔外侧固定设置有待测大口径光学元件的放置架，所述附件外壳内设置有反射镜MⅠ和反射镜MⅡ，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ内镜面方向角对称设置，所述反射镜MⅠ和反射镜MⅡ分别安装在电动旋转台，安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿一维方向平移的相应位置处；
所述入射孔外侧对应的固定设置反射镜RⅠ、所述出射孔外侧对应的固定设置反射镜RⅡ；
光源产生激光依次经单色仪、斩波器后入射至分光镜，分光镜产生的测量光束依次经反射镜RⅠ、变角度反射比辅助测量附件、反射镜RⅡ后入射至探测器，分光镜产生的参考光束入射至探测器。
2.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量装置，其特征在于，安装有所述反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有所述反射镜MⅡ的电动旋转台分别安装在可沿x轴向或y轴向或z轴向平移的一维相应位置处。
3.根据权利要求1或2所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量装置，其特征在于，所述反射镜MⅠ、反射镜MⅡ可通过电控实现在一维方向的位置和镜面方向角的同步调节。
4.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量装置，其特征在于，还包括控制及数据处理计算机，所述控制及数据处理计算机分别与光源、单色仪、斩波器及探测器电性连接，所述控制及数据处理计算机与安装有反射镜MⅠ的电动旋转台、安装有反射镜MⅡ的电动旋转台电性连接。
5. 根据权利要求2所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量装置，其特征在于，若反射镜MⅠ、反射镜MⅡ设置在y轴方向，反射镜MⅠ、反射镜MⅡ在y轴方向的位置和镜面方向角α通过以下公式计算得到：
（1）
（2）；
其中，α为光束的入射角或镜面方向角；β为光束入射到待测大口径元件的入射角；l为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线距离的1/2的距离；h为反射镜MⅠ与反射镜MⅡ的中心点连线到待测大口径反射镜的垂直距离。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量的方法，其特征在于，当反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台沿y轴方向安装时；包括以下步骤：
1）确定反射比测量需求参数β和光谱范围，根据公式（1）和（2）计算出α和l，控制反射镜MⅠ、反射镜MⅡ的电动旋转台和y轴方向平移台完成反射镜MⅠ、反射镜MⅡ调节；
2）将标准反射镜片贴放于变角度反射比辅助测量附件的测量孔处的放置架上，启动单色仪进行光谱扫描，探测器及其后续数据处理电路同步探测并记录信号，并对测量光束和参考光束的辐射通量相比，得到：
（3）
其中：其中ρ1为测量标准反射镜片时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；
R0为标准反射镜片反射比；
3）用待测大口径光学元件替换标准反射镜片，按2）中所述步骤再次测量得到测量光束和参考光束的辐射通量比值：
（4）
其中：ρ2为测量待测大口径反射镜时测量光束与参考光束的辐射通量比值；
k为除标准反射镜片外，测量***引入的两束光之间的辐射通量比值；R为待测反射比；
4）通过计算(3)和(4)两式可得：
（5）。
7.根据权利要求6所述的一种大口径光学元件变角度光谱反射比自动测量的方法，其特征在于，当步骤1）中β或/和当光谱范围改变时：
当只有β改变时，重复步骤1)和3）；
当只有光谱范围改变时，重复步骤1)，2）和3）；
当β和光谱范围同时改变时，重复步骤1)，2）和3）。
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