光学系统可见光透过率测试系统 +)_DaL
E
路婧 向阳 吴丽萍 O8LIKD_I[
（长春理工大学 长春 130022） P(L iH
I3}I7oc_
摘要 本论文是对系统光学性能中可见光透过率性能的研究。光学系统的透过率反映了经过该系统后光能量的损失程度。该系统利用同步相干检测原理，采用双通道法对光学系统在可见光波段的透过率进行检测，该方法在原有的单、双通道法基础上提高了测量精度，对噪声信号进行有效抑制，可在亮场条件下进行检测，并通过与上位机连接，对检测结果进行实时监控和处理。 Ffd;aZ4n
关键词 透过率 可见光 互相关 FJW ,G20L
英文摘要 )E6E}
1 引言 KHeeB `V>J
对于任何光学仪器或系统，我们所关心的除了它的基本性能参数外，还要关注进入仪器的光线的光通量受到的损失程度。由克劳修斯定理可知：所有光学系统，不论是否象散，都能保证光束的光学范围的不变性。又由基尔霍夫关系式： G12o? N0p
O}6*9Xy
在两边介质相同的情况下，此式简化为 "!D,9AkZS
， /\E3p6\*
此式可解释为：除透射系数外，发光率守恒。本论文就是对光学系统透射系数--透过率测试的研究。 #X?E#^6?E
光学系统透过率 ，是指仪器出射光束的光通量 与入射的光通量 的比值，即： <D Eu]-'>
LftGA7uGJ)
它标志着进入仪器的光线由于光学零件的反射、吸收及气泡、表面疵病和污物造成的散射等而使光通量受到损失的程度。 f v A167\
对可见光的透过率测量， 目前采用的测量方法有以下几种： Sx X
（1）单通道检测法 #aKUD
所谓单通道检测法，是指将被测试品放在测试光路中得到的实测值和撤掉被侧试品的空测值之比，即为被测试品的光学透过率。 Y{X% C\
单通道法测量的几个特点： wiM4,
不能减少背景光的影响，测量必须在暗室内进行。 =}SLQdT
由于被测信号为直流信号，无法避免 噪声以及背景噪声的干扰。 G
P ' -
由于无法保证实测和空测试光源强度的一致性（电压变化0.1％，光源强度变化0.36％），检测误差较大（一般精度为 ） RiIafiaD
影响但通道检测法检测精度的关键就在于各种噪声对测试结果影响很大，且不能同时检测实测和空测时的光源强度，在影响精度的各种噪声中， 噪声可以通过将之流信号调制为交流信号而得到有效抑制，但背景噪声属于白噪声，即使将信号调制为交流信号也无法将其削弱，在检测中，光信号是通过光电池将其转换为电流信号的，信号非常微弱，一般为nA级甚至pA级，这样微弱的信号即使在暗室中检测，某些杂散光的干扰也会对测试结果形象很大。 V7
hO}
（2）简单双光路测量 7<X!Xok
将测试光路和参考光路的光信号，经各自的光点信号处理系统处理后送入模拟除法器，从而实现透过率的测量，其结果采用 位数显器直接显示。测量精度达1%。在抗干扰能力方面有很大提高。 o 9OCgP`Y
本论文所论述的系统可在达到上述测量方法要求的同时更有效抑制噪声，测量精度小于1%， 9]I{GyH
2 测试原理 iD>H{1 h
2.1系统设计 )X8N|W>vh
（1）互相关理论部分[1]：相光检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。 =RofC9,
互相关检测的抗干扰能力比自相关接收好。互相关运算由于输出信噪比高，在微弱信号检测中得到较多的应用。 V2 '5doo
互相关函数是度量两个随机过程间的相关性。如果两个随机过程的发生互相独立（如信号与随机噪声），则互相关函数将是一个常数，它等于两个随机函数的平均值的积。若其中有一个平均值是零，则互相关函数处处为零。 ]Z*B17//
互相关函数可用（1）是计算， 为两信号的时延。 65rf=*kz:
（1） 9N6 \Ou~
如果发送信号的重复周期或频率已知，就可在接收端发出一重复周期与发送信号相同的"干净的"本地信号，将本地信号与混有噪声的输入信号进行相关就能提高电路抗干扰性能。 In;+wFu;M
（2）电路处理部分：微弱信号的锁相检测技术是现代电子检测理论中的一种重要方法。而对被测信号进行调制使其与参考信号相关是实现锁相检测的关键。其中利用光学斩光器对被测光进行调制使其与方波参考信号相关是对微弱光信号进行锁相检测的一种常用方法。 [|(=15;
锁定放大器既是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪，使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级，另外利用斩波技术，把低频直流信号变成本系统要求的两路高频交流信号，也可避开了低频段的 噪声影响。一般锁定放大器分为三部分：信号通道、参考通道和相关器。 #+|0 o-
信号通道用于将被测信号放大，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的目的；参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以驱动相关器的场效应开关，参考信号由同步检测器获取，这是从噪声中提取抑制频率的正弦信号或方波信号振幅的最有效方法之一，其工作原理是采用对信号和噪声对次累积平均的办法，将抑制频率的信号从强噪声中提取出来，为锁相放大器提供与测试通道同步、同相的参考频率信号，保证锁相放大器放大的信号是测试通道的信号；相关器是用来完成求解参考信号和被测信号之间相关函数运算的电子线路。 Z,8t!Y
锁定放大器和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流放大并变成相应直流信号，即把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。 hOuHTo^
（3）光路设计部分：我们采用直管式平行光管，光源为A光源[4]，色温为2856K，钨丝灯，其后加入匀光片以达到均匀照明； P4 #j;k4P
本系统是对系统可见光波段透过率进行的测量，从平行光管发出的光需经校正滤光片为被试品提供与人眼视觉光谱相应匹配的均匀白光，经调制后的两路光均由光纤束进行传输，可减少干扰，直接进入光电池进行光电转换，使两通道的不同频率的光转换成不同频率的电信号，进入后续电路处理。 2_)gJ_kP
决定实际光度性能的因素有三个：照明光源、光学系统、接收器，本系统采用硒光电池为接收器，由于前面光路的光束是经校正滤光片校正到人眼视觉光谱相匹配的波长，在进入光电池后需进行 校正，以满足硒光电池的光谱特性， 是探测器的相对光谱灵敏度函数。 ZM [Z9/S8
望远系统透过率的大小随光学系统的复杂程度和表面镀膜质量而有较大的变化，复杂系统的白光目视透过率低于40％，一般系统则在50％～80％之间。目前照相物镜轴上摄影透过率以达90％以上。 {~ XnmBs
（4）光能量一致性的处理：仪器为光透过率测试，在设计中我们要保证整个光路中背景光的干扰以及光能量的损失，并且我们所测量的仪器入瞳一般都很小，我们采取以下方式： +R;s< pZ^
①进入光纤前的光束用聚光镜进行聚光以满足光纤束的直径； y8}
/e@&
②在A通道放置被测仪器前设计了可调光阑，以满足光通量的有效利用； C3(h j
2.2系统组成 p+b$jKWQ
基于以上分析：本系统共分六大部分：照明部分、光处理部分、光接收部分、光电转换、电处理部分及计算机结果处理。如图： *<X*)A{C
图1 系统简图 Af`Tr6)
由照明系统、校正滤光片为被试品提供与人眼视觉光谱相应提醒匹配的均匀白光；调制系统将直流信号变换为交流信号，并为锁向放大器提供参考信号；信号采集系统采集被试品光电信号，进行转换，送入后续处理部分。 1had8K-
2.3测试原理 NB-%Tp*d
测试时，如图3，从平行光管发出的均匀光束经校正滤光片产生与人眼视觉光谱相匹配的白光，由分光镜和反射镜组合形成两路能量相同、频率相同的光束。 y>^0q/=]?O
经斩光器产生两路不同频率的高频交流光束，分别进入通道A和通道B；进入通道A的光束经过调整好的有效孔径光阑后，通过被测仪器，后进入光纤。同时进入通道B的光束直接射入光纤；聚光镜将两束光会聚与光纤的有效孔径相匹配后耦合进入光纤，再进入经过 校正的硒光电池进行光电转换，输出为相应频率的电信号，进入锁向放大器的信号输入端。 T>J ,kh
另外锁定放大器的同步检测部分把从滤光片后发出光频率采集进入锁向放大器，经由锁向放大器中的相关器将参考信号和被测信号之间相关函数进行运算。 eL{$=Um
输出为直流模拟信号，经 转换后将数字信号由上位机的COM口输入至计算机，通过透过率监测软件进行实时监控和后续的数据处理。 Gz(l~!n~a
进行光学系统透过率测试时，首先要进行空测标定，即先不加入被试品，A通道的测量结果为a标，B通道的测量结果为b标，则分光比 。加入被试品实测后，A通道的测量结果为a测，B通道的测量结果为b测。则被试品透过率τ为 。 #)O^aac29
!-ZY _
图1 测试原理示意图 XC O8A\
dEW= V"W
[8K :ml
图2测试光学系统透过率装置图 &2I8!I a
3系统误差分析 L$y~\1-
主要误差有： "/ Gw`^t
⑴ 光通量损失：S1=0.2% Z$zX%w
⑵ 出瞳发散误差；S2=0.3% po. QM/b
\
⑶ 背景噪声误差: S3=0.1% [ 6Sk>j
⑷ 电路放大、A/D采集误差：S4=0.1% $9:
@M.
总误差为[2]： [a?bv7Kz
4测试结果分析 1qBE|P wBp
本试验不受外界光强的影响，适合检测可见光波段的光学系统透过率，平行光管电源为直流稳压电源。斩光频率分别是：测试光路35.8Hz。参考光路78.1Hz。 JVr8O`>T
尽管受到光源波动和随机噪声的影响，测试和参考两路信号波动范围为仅为0.2mV，而且由于其波动趋势基本一致，每组数据的偏差小于0.1mV，这样，光学透过率 的波动很小，可与实现精度较高的光学透过率的检测。为验证系统检测精度，我们对四个标准透过率片进行了测试，每个标准透过率片提取100组数据，结果如下表所示: t D4-Llj6
标准值（％） 实测平均值％ 实测极大误差％ $RU K<JN$6
91.59 Z'Pe%}3
60.89 v5U'ky :
35.00 f .uy;v
7.8 H({m1v ~R
表1 R~fk/T ?
由上表可知，本系统准确率偏差小于0.4％，精密度可达0.2％，满足系统设计要求。 2 )3oX
5结论 >y(lo Ml
此系统是基于互相关原理，采用双通道对光学系统透过率进行测量，用平行光管发出平行光，斩光盘将平行光管发出的平行光调制为固定频率的两路光线，经过光纤传播进入硒光电池，通过锁定放大器将电信号送入后期处理单元。此系统比较以前测试方法有以下优点： = E^/gc%X
（1）：测量不必在暗室中进行； o wb+,Gk(
（2）：对1/f噪声及背景噪声有抑制作用； PsD)]V9%:
（3）：本系统由金属外壳，可克服外界灰尘及其他环境污染； Cpy&2o-%v
（4）：实测与空测同时进行，且不用移动测量，大大提高了测量精度； _6'@#DN
（5）：采用滤光片对平行光管发出的平行光进行光谱校正，可避免照明光源的色温不稳定或提供光源的电压不稳定的问题。 q8 FpJ\
（6）可对测量结果进行实时采集和后期处理。 fNfa.0 s
参考文献 -=5~-72~
[1] 曾庆永编著.微弱信号检测.浙江大学出版社.1986:47-104 {<-wm-]mo
[2]费业泰主编.误差理论与数据处理.机械工业出版社.2004.6 :55-73 EuImj#Zl
[3]范志刚.光电测试技术.电子工业出版社.2004:91～94 bf {_U%`
[4]郁道银,谈恒英主编.工程光学.机械工业出版社.1999.4:77-87 :8==Bu
[5] [苏]B.H. 别戈诺夫, H. .柴卡斯诺夫,C. .基留辛,B. .柯雪契夫著.包学诚译.机械工业出版社1986.8: 125-153,369-392 d 2^/
[6]田丰贵.光学玻璃内透过率测试新方法.
