毕业设计（论文）-广谱宽光束光学系统的透射率测量的研究

题目：广谱宽光束光学系统的透射率测量的研究题目要求：设计一种可用于瞄具、望远镜、显微透镜等各种大口径光学系统的新型透过率检测系统。系统基本原理是基于PC测控平台和双光路调制技术实现对宽光谱透过率的测量系统，并且在此基础上进行原理分析，实验测量，误差分析和校正。检测系统用到了光电检测技术，数模转换技术、计算机控制技术等多种技术,基于这些基本原理从而设计出对于白光和不可见光的光谱光源准直扩束系统和双通道反射测量光路。系统性能要求实现进行宽光谱范围和大口径透过率检测功能之外，还同时保证系统对于由环境，仪器，材料，等各种综合因素的引起的误差达到最小化，对于近红外波段(300~1600nm),测量光束直径可达60mm,分别使用4种透过率的标准透过率板进行标定实验,达到到绝对测量误差0.5%的实验结果。一研究课题目及研究意义：研究课题：近年来,随着光电技术的快速发展,光电测试仪器的研制与应用越来越广泛。光学系统透过率标志着光学仪器传输光辐射能的强弱,是光学系统尤其是望远光学系统的重要性能指标。通过课题研究实现对光学系统透过率的测量研究尤其是大口径，宽光谱光学系统的透射率测量对目前航天事业，军事国防，民用仪器等领域有着重要的指导作用，促进透射率测量技术的成熟，为科研事业打下铺垫。透过率定义为:T(λ)=I1/I0式中:波长为λ、光强为I0(λ)的单色光垂直入射到光学系统，由于光学系统对不同波长的光的透过能力不一样，所以透过透镜的光强I1(λ)也不一样。把透镜对不同波长的光的透过能力称为该透镜的光谱透过率T(λ)。光谱透过率标志着进入光学系统的光线由于光学元件的反射、吸收、气泡、表面污物和瑕疵所造成的散射等使得光通量受到的损失程度，影响光学系统的成像质量。本次设计研究了一种用于透射式光学系统或镜片透过率检测的新型精密检测系统。详细阐述了系统的工作原理和组成,介绍了系统的总体结构、光学系统设计、控制及数据采集系统。系统创新设计了白光和光谱光源准直扩束系统、进行分光调制的旋转反射镜和完全对称双通道反射测量光路。可以保证系统减小杂光、背景光和光源波动引起的误差,同时使亮场测量成为可能。宽光谱宽光束瞄具透过率测试系统除了可以测量透过率外,还可以通过更换样品室、探测器和扩展软件功能实现光谱分析、试剂检测分析、化学物质含量检测、环境空气检测、色度测量、食品成分分析等功能,可广泛地应用于兵器试验、光学加工及检测、大气环境监测、汽车、食品安全、纺织印染、医疗、化学分析、科学研究等领域,。研究意义：为克服传统方法在暗室中单通道分时测试存在的局限性。相关研究提出了一种基于相关检测原理的双频双光束光学透过率检测方法。该方法采用调制光源直接获取交流信息为互相关运算提供参考信号,利用互相关运算剔除背景光干扰以获取有效的用于透过率计算的参考信号和被测信号。可以有效抑制各种噪声对测试结果的影响,提高测试精度。实现亮场中的透过率测试,简化了测试过程。但此方法应用于可见光范围内测试,无法满足红外等波段的测试需求。目前还有使用分光光度计透过率检测方法,该方法测量精度高、功能强大。但市场上的分光光度计目前几乎全部是进口产品,价格十分昂贵。本论文研究了一种新型白光和光谱透过率检测系统,系统实现了宽光谱宽光束透过率检测而无需更换光源和探测器,可广泛应用于瞄具、望远镜、照相物镜等光学系统或镜片的白光和光谱轴上点或轴外点的透过率测试。一体化的结构设计使系统调节方便,抗外界干扰能力增强。未来市场发展前景非常广阔,对促进生产力发展和社会进步也有着重要的现实意义。二国内外研究发展状况：国内发展状况：传统的光学系统透过率的测试都是通过单通道光学系统实现的。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测试品的空测值之比,即为被测试品的光学透过率。一般都会用到积分球，分光光度计，光谱分析器等器件。单通道测试方法的优点是装置结构比较简单,易于操作,能满足一般测试精度的要求，而且这种传统的单通道系统为了避免杂散光对测试结果的影响,要求测试必须在暗室中进行。由于被测信号为直流信号,测试中无法避免背景噪声的干扰。在影响精度的各种噪声中,有的噪声可以通过将直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。同时由于无法保证实测和空测时光源强度的一致,也会降低检测精度。单通道系统检测误差较大,一般精度为3%,难以满足精度要求比较高的测试装置的测试需求。此外，最近有单位研究出的新型测量方法如：测量玻璃透射比的光电积分测量法。与传统方法相比,该方法一次性解决了实验光源与CIE标准照明体、光探测器的光谱灵敏度与CIE光谱光视函数不匹配的问题。给出了该方法中设计校正滤色器光谱透射比的基本算式,并用相对误差最小对校正滤色器进行优化设计,得到了较为满意的结果。实验表明,该方法测量误差为±1%,。利用该方法所设计的测量装置结构简单,测量速度快,开发成本低，但是仍然小于国标标准要求的±2%国外发展状况：国外对于透射率测量技术主要用到了光度计并分光调制，这是利用单色仪或特殊光源提供的特定波长的单色光通过标样和被分析样品，比较两者的光强度来分析物质成分的光谱仪器。然后利用CCD器件接收光信号然后做数据处理与分析，这些已经广泛应用到了军事，生物医学，航天等各个领域。例如，日本东京保谷株式会社发明的测量光透射率的方法及其设备，采用的是这种测量光透射率的方法，即：从与一比值对应的值中导出待检验透镜的光透射率，该比值是当待检验透镜置于从光源所发出并到达光探测装置的测量光光路中从而测量光通过待检验透镜时由所述光探测装置探测到的测量光强度，与当待检验透镜未置于测量光光路中从而测量光未通过待检验透镜时由所述光探测装置探测到的测量光强度之比，其中测量光在测量光光线会聚于待检验透镜所在位置处或其附近的情况下通过待检验透镜。这与传统的测量方法大同小异，且难以达到高精度的测量。三拟采取的研究路线：1系统工作原理及组成1.1系统原理分析：系统工作原理如图1所示。光源发出的光通过反射式平行光管准直扩束,经过旋转反射镜分光调制,一路作为参考光束直接经反射式聚焦镜聚焦照射到光电器上,另一路作为测量光束先经过被试品再被反射式聚焦镜聚焦到光电探测器上,经探测器转换输出两个交替变化的交变电信号,此信号经过信号分拣、锁相放大、A/D转换处理后,最终得到被试品的白光透过率或光谱透过率。图1系统工作原理图图1中反射镜1可以平移,位于图中实线位置时用于900~1600nm波长光谱透过率测量。将反射镜1向下平移至虚线位置,用于200~900nm波长(含白光)光谱透过率测量。球面反射镜2和3焦点重合,探测器1位于球面反射镜2和3的焦点上,探测器2位于球面反射镜的焦点相对于分光镜1和2的像点上。分光镜1和2对大于900nm波长的光反射、小于900nm波长的光透射。1.2系统主要组成宽光谱宽光束瞄具透过率测试系统采用双光路双光源双接收器结构,主要由以下几部分组成。(1)光源部分系统的光源包括白光光源和光谱光源。白光光源由标准A光源(溴钨灯)和反射式聚光镜组成,为系统提供白光透过率测量的全光谱光源。光谱光源由溴钨灯(组成同白光光源)和单色仪组成,为系统提供光谱透过率测量的单色光谱光源。测紫外光谱透过率时用氘灯代替溴钨灯即可。单色仪通过USB总线与计算机连接,由计算机自动控制出光。(2)中间光路部分准直扩束系统对光源发出的光进行准直扩束,主镜为离轴球面反射镜,有效口径60mm,次镜为图1中的反射镜1,反射镜1可以绕一端旋转。可变光阑调整出射光束的大小,以满足不同瞄具测量的要求。旋转分光调制部分光路由旋转反射镜、平面反射镜2、平面反射镜3、球面反射镜2、球面反射镜3、分光镜1和分光镜2组成,其中旋转反射镜、平面反射镜3、球面反射镜3和分光镜2构成参考光路,旋转反射镜、平面反射镜2、球面反射镜2和分光镜1构成测量光路。(3)光电接收器光电接收器包括传感器、机械支架和引线。主要功能是接受光信号,并将其转换为电信号。根据波谱范围分成两组,波长在200~1100nm部分由Si光电探测器(探测器1)接收转换,800~1700nm红外波长部分由InGaAs光电探测器(探测器2)接收转换。(4)信号处理、控制电路及计算机系统信号处理电路进行信号的放大、滤波、A/D转换等功能。伺服控制系统由控制电路、驱动器和执行机构(步进电机)组成,主要完成单色仪的出光控制。计算机系统进行中心总控、后期数据处理、数据分析、显示及打印（5）系统测量的软件设计采用虚拟仪器技术就能利用软件的力量来实现以往用仪器才能实现的功能，采用虚拟仪器技术可以根据实际工作的需要，采用不同的数字信号处理方法，设计不同的完全仿仪器仪表的用户操作界面，具有传统仪器所不具备的优点2总体结构设计系统总体结构包含底座组件、壳体组件、隔板组件、球面反射镜组件、平面反射镜1组件、光阑组件、旋转反射镜组件、平面反射镜2组件、试品架组件、分光镜组件和探测器组件11大组件组成,其中球面反射镜组件3套,平面反射镜2组件2套,分光镜组件2套,探测器组件2套。球面反射镜组件可以进行三维调整:水平横向25mm移动、0-30°旋转调整和0-4°的俯仰方位双轴倾斜调整。平面反射镜1组件,可以进行四维调整:0°-30°旋转粗调整、0°-4°的俯仰方位双轴倾斜调整、水平横向25mm移动和纵向200mm移动。平面反射镜2组件可以进行四维调整:0-30°旋转粗调整、0-4°的俯仰方位双轴倾斜调整、水平横向和纵向25mm二维移动。分光镜组件可以进行四维调整:0-4°的俯仰方位双轴倾斜调整、水平横向和纵向25mm二维移动。3.光路部分设计为适应光谱范围较宽和光能损失小的要求,系统采用反射式双光路双探测器测量系统。反射式平行光管对光源发出的光进行准直扩束,旋转反射镜实现参考光和测量光的分光调制,反射式聚光镜汇聚光束,析光镜和双探测器实现分段光谱接收转换。对入射光准直扩束的反射式平行光管和同时适用于白光光源及光谱光源的光路结构。设计采用平面反射镜+球面反射镜的离轴准直系统。球面反射镜的焦距300mm,口径80mm,边缘厚度20mm,选用K9光学玻璃基体,使用时离轴量150mm;平面反射镜大小50mm#50mm,置于球镜的1/2焦距处。镀膜要求在300~1600nm波谱范围内反射率不低于99%。分光-旋转反射镜光路,可以将连续光辐射分成两路交变光脉冲。聚光-析光-探测光路实现数据处理和分析。测量光谱透过率时,当测量波长900~1700nm的光谱时,光谱光源发出的汇聚复合光束入射到单色仪的入射狭缝,由出射狭缝出射的单色光经图2中的平面反射镜反射到球面反射镜上。准直扩束后的光束经可变光阑调整为所要求大小的光束照射到图3中的旋转反射镜上。当旋转反射镜转至图示虚线位置时,反射光作为参考光束经参考光路反射镜入射到图4中的参考光路聚焦球面镜。参考光束经析光镜1反射聚焦到InGaAs探测器上。当旋转反射镜转至图示实线位置时,反射光作为测量光束经测量光路反射镜和被测瞄具入射到图4中的测量光路聚焦球面镜。经析光镜2反射聚焦到InGaAs探测器上。当测量200~900nm的光谱时,光谱光源发出的汇聚复合光束,准直扩束后经过图3和图4的光路,得到测量和参考两路光信号聚焦反射到图4中的Si探测器上。系统设计了大口径反射式双通道光路系统和析光镜加双探测器结构,能够实现300~1600nm的宽光谱范围测量,同时有效提高测量精度。4控制及数据采集系统控制及数据采集系统的设计基于虚拟仪器技术。控制系统采用计算机+多串口卡+驱动器+步进电机控制系统模式,各功能模块均有成型产品,保证可靠性。数据采集系统如图5所示,采用计算机+数据采集卡+信号处理模块+探测器数据采集系统模式。测量时两路光信号在探测器上产生的电信号经信号处理电路处理后送入计算机。同时光电同步检测器产生的信号作为测量光的同步信号也送入计算机,经过软件处理后得出被测瞄具的光谱透过率,单色光的输出通过计算机自动控制。图5数据采集系统框图5误差分析与系统标定在白光下,分别使用透过率为90.36%,60.52%,30.44%和10.25%的标准透过率板进行标定实验,进行多次测量结果并记录测量结果,由实验结果来判定,结合误差理论分析与仪器精度原理来调整仪器精度，必须保证测试误差0.5%范围以内，从而实现精密测量光学系统透射率的测量。四进度安排1-3周学习并了解课题，相关国内外资料查询，总结初步了解研究内容4-6周外文翻译，并完成开题报告7-9周根据开题报告，完成安排的指定内容的相关部分论文10-13周继续拟写充实未完成的论文，提出本论文的难点，查阅解决14周进行实验完成数据整理与分析15周论文格式整理与总结，更一步完善论文16周准备毕业论文答辩五文献综述前言：（目的，必要性，相关概念，研究现状，问题核心焦点，分析）光学系统透过率是指光学仪器的出射光通量与入射光通量之比,标志着光学仪器传输某一波段光辐射能的强弱,是光学系统中除了光学特性和成像质量以外的另一个重要性能指标。和光学传递函数一样，作为光学系统像质评价的另一重要指标——光学系统透过率，其测量也是相当重要的，因为其大小影响到成像信噪比高低，影响到接收探测器件的接收功能，同时它也是光学系统系统能量传输的重要性能指标。因此对于透射率的测量尤其是宽光谱大口径光学系统透射率的高精度测量更加重要。正文：（论点加论据，提出问题，分析问题，解决问题，进一步阐明论文的来龙去脉，提出自己独到的见解）目前，对于光学透射率测量相关资料所介绍的测量方法主要有这么几种：1.（见草稿）环带划分测量法将测量全孔径划分为不等环带，然后对每个环带的光通量采用平行光束接上积分球，探测器等分别测量透射率，最后求和的方式，优点：解决了光学积分球和光学系统口径不匹配的局限，克服了大口径光学系统中心区域和边缘区域不同带来的误差，而且当测量系统使用和光学系统相同的CCD做检测器件时，可以消除其他光学器件带来的测量误差。缺点：测量误差大，精度仅可达到2%左右，不利于当今高精度测量研究需要。2：根据