光電高溫計的光學系統設計

摘 要：輻射源尺寸效應（SSE）是光電高溫計輻射測溫的重要不確定度來源之一。文章設計了660nm和900nm雙波段光電高溫計光學系統來仿真分析SSE對測量精度的影響。光學系統模擬了觀察光路和探測光路兩條光路，前端共用透射式物鏡結構，能夠對700mm處直徑1mm目標源成像，后端經過視場光闌和反射鏡分光后進入二次成像的觀察光路和探測光路。Code V和LightTools的仿真結果顯示，觀察光路成像質量滿足要求，探測光路的點列圖接近衍射極限，光斑均勻性良好，滿足試驗要求。

關鍵詞：輻射源尺寸效應；光電高溫計；光學系統設計；仿真

1 概述

隨著科學技術的進步，各類輻射溫度計已廣泛應用于國防、建筑、電力、電子和冶金等行業，輻射測量儀器推動著科研和工業的進步，同時輻射測溫計的需求也推動著標準輻射溫度計的研究和應用[1]。光電高溫計隸屬于輻射溫度計亮度溫度計的一種。光電高溫計是根據普朗克定律，通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定物體的亮度溫度的，并采用具體公式計算其真實溫度[2]。由于光電高溫計透鏡表面間的相互反射、光學系統像差及衍射、光學元件和光學系統中灰塵引起的散射等效應[3]，用實際光電高溫計測量兩個尺寸不同、溫度相同的黑體輻射源的單色光譜亮度時會得到不同的響應信號，研究結果表明實際光電高溫計的輸出還與背景輻射強弱有關，這種現象稱為光電高溫計的輻射源尺寸效應（size-of-source effect，SSE）。例如采用660nm標準高溫計在測量直徑50mm的黑體目標時，SSE會達到（1～2）×10-3，相當于測量1000°目標輻射源時測量誤差為1～2°[4]。

由于SSE的產生因素主要來自于光學系統內部，國內外許多專家學者對光學系統進行了研究工作，以尋找消除SSE影響的方法。國外，H.W. Yoon等人研究了光學系統中的物鏡和Lyot光闌位置對光電高溫計中的SSE的作用[5]。Sakuma F等人研究了光學系統中的無透鏡結構裝置在消除SSE影響上的優異性能表現，該結構主要以遮光光闌和限制光闌為主[6]。

中國計量科學研究院的盧小豐等人研究了孔徑光闌的位置設置對輻射溫度計SSE的變化，研究結果顯示孔徑光闌位于會聚透鏡之后的SSE明顯小于其他位置，將可調焦基準高溫計SSE減少到1×10-4 [4，7]。張文琦等人研究設計了工作波段0.8～1.2μm的近紅外輻射溫度計實驗光學系統，驗證了孔徑光闌位置和尺寸大小在克服SSE的影響時起著重要作用[8]。中國科學計量院研究了適用于高溫測量中SSE效應的一般性修正公式，適用于高溫計被測亮度與輸出信號成正比的情形[9]，同時使用間接法測量SSE，并分析了裝置中三種非理想因素的影響[10]，他們也提出了消除背景輻射影響的SSE計算模型以適用于低溫測量[11]。

為了研究輻射源尺寸效應產生的原因，為以后精確修正SSE提供實驗數據儲備，基于波段660nm和900nm兩個波段設計了一個光電高溫計試驗光學系統。該系統真實地模擬光電高溫計的觀察和探測光路，并通過Lighttools軟件對像面上光斑的均勻性和背景輻射強弱進行了仿真研究，仿真結果滿足輻射測溫的精度要求。

2 光學系統總體設計

光學系統總體結構如圖1所示。被測輻射源經物鏡1成像在視場光闌2，視場光闌中心為直徑0.3 mm的圓孔，周圍面為反射面，用于瞄準。被測目標的輻射光線經過視場光闌后，其輻射經過準直鏡3、限制光闌4和干涉濾光片5、準直鏡6后匯聚到光電探測器7上。可轉動的干涉濾光片輪上有4個安裝位置，可安裝不同的干涉濾光片，使光束單色化，限制光闌用于減弱輻射能量，使得探測器工作在線性區域，8為瞄準系統的反射鏡，9和10為瞄準物鏡，11為目鏡，12為人眼。本結構通過移動物鏡來實現調焦，即像面不動，通過移動物鏡完成對700mm附近物距的目標聚焦任務。

3 系統初始結構設計

設計要求：物距為700mm，目標源直徑1mm，觀察區域直徑20mm，波長覆蓋660nm和900nm波段，探測器敏感面直徑3mm，物鏡口徑50mm，物鏡相對孔徑1/3，探測光路中繼鏡頭放大倍率-1，觀察光路中繼鏡頭的放大倍率為-0.27，目鏡放大倍率10×。

根據物距，目標大小和觀察區域大小可以求得探測視場2w探測=0.08°，觀察視場2w觀測=1.64°，根據物鏡口徑和物鏡相對孔徑，可以計算出物鏡焦距為f'物鏡=150mm；初始結構計算階段，假設物距位于無窮遠，則視場光闌位于物鏡焦平面上，并求得視場光闌的開孔直徑為2f'物鏡tan（w探測）=2×150×tan（0.04）=0.2mm；考慮到探測光路中繼鏡頭放大倍率-1，則可以求得探測器處的像斑直徑為0.2mm，小于探測器敏感面直徑3mm，滿足要求；為了控制整體結構尺寸不要太大，同時考慮干涉濾光片的大小，探測光路中繼鏡頭采用兩片對稱的準直鏡頭組成，焦距為f'探準=40mm，干涉濾光片位于中繼鏡頭中間的平行光傳輸部分，有利于干涉濾光片的濾光效果；探測光路中繼鏡頭主要其延長光路的作用，方便與后面的目鏡進行拼接，綜合考慮探測光路中繼鏡頭的放大倍率為-0.27和系統總體尺寸不應過長，我們采用不同焦距的準直鏡拼接實現，其中f'目準1=157mm，f'目準2=41.9mm；目鏡放大倍率10×，可以求得目鏡的焦距為f'目=20mm。在確定各透鏡組光焦度的前提下，物鏡采用分離雙片式結構，其他透鏡組均采用雙膠合結構，采用PW法[12]和復消色差條件可以計算出各鏡組的初始結構參數。

4 仿真結果

采用光學設計軟件Code V作為仿真軟件，將初始結構帶入軟件進行優化設計，得到系統總體圖如圖2所示。考慮到觀察光路需要覆蓋直徑1mm輻射源以外更大的視場，這里設置觀察光路的視場為直徑20mm的探測區域，觀察瞄準光路的MTF曲線如圖3所示，考慮到人眼的視角分辨率為1.45線對/毫弧，可以得出結論，直徑20mm目標區域以內的物體均能被人眼清晰看到。

由于探測光路只探測直徑1mm的目標輻射源，輻射源以外的區域的輻射光線會被視場光闌攔掉，因此設置探測光路的視場為直徑1mm的目標輻射源，其點列圖如圖4所示，由點列圖可以看到，光斑直徑均在0.5mm以內，滿足探測器使用要求。

由于測試光路光斑的均勻性和背景輻射強弱也關系到測試精度，我們采用Lighttools軟件對測試光路的成像光斑進行了均勻性和背景輻射強弱分析，分析結果如圖5所示，可以看出成像光斑在探測器上的輻照度均勻性良好，且目標輻射和背景輻射的對比度明顯，滿足測試要求。

5 結束語

我們設計了660nm和900nm雙波段光電高溫計光學系統來模擬輻射源尺寸效應對測量精度的影響。光學系統包括觀察光路和探測光路兩條光路，前端共用透射式物鏡結構，能夠對700mm距離處的直徑1mm目標源成像，后端經過視場光闌和反射鏡分光后進入二次成像的觀察光路和探測光路。采用Code V和Lighttools仿真軟件對觀察光路的成像質量和探測光路的光斑均勻性和背景輻射強弱進行了仿真分析，分析結果顯示觀察光路成像質量滿足要求，測試光路的點列圖接近衍射極限，光斑分布均勻且和背景輻射的對比度明顯，滿足試驗要求。

參考文獻

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[12]張以謨.應用光學[M].北京：電子工業出版社，2008：576-600.