基于雙積分球的光學鏡片透反射率測量系統

王琪，石利霞，周子文

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

基于雙積分球的光學鏡片透反射率測量系統

王琪，石利霞，周子文

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

傳統的透反射率測量系統不能同時實現透反射率的高精度測量，并且測量角度固定，測量光學鏡片口徑較小。為此研制了基于雙積分球的透反射率測量系統。系統采用雙積分球結構，完成了寬光譜（300nm～1600nm）大角度（0°～90°）范圍大口徑光學鏡片的透反射率測量，采用鎖相放大器，有效提取出了微弱信號，抑制了背景光的干擾，實現了亮場環境下的測量，提高了測量精度。最終實驗驗證以及不確定度分析的結果可以達到：白光透射率測試精度為0.25%，近紅外光譜測試精度為0.316%；白光反射率測試精度為0.301%，近紅外光譜測試精度為0.381%。

透反射率；雙通道；雙積分球；鎖相放大器；不確定度

測量光學元件的透反射率，目前主要采用分光光度計，分光光度計只能保證透射率的測量精度，但反射率的測量精度偏低；其次，分光光度計只能實現小口徑光學元件測量；此外，分光光度計測量透反射率通常有一個固定的角度，不能實現不同角度的掃描。為此研究了基于雙積分球的雙光路透射率測量系統。

根據測試要求，透反射率測量系統的測量光譜范圍為300～1600nm，覆蓋了可見光與近紅外波段的測量，樣品轉角范圍為0°～90°，透反射率測量精度需達到白光≤0.5%，紅外光≤1%。測量系統采用雙通道測量法，實現了測量光路與參考光路的同時性；采用雙積分球測量，使得安放在積分球上的光電探測器各點靈敏度保持一致，實現了大口徑光學元件在0°～90°間不同角度的透反射率測量；采用鎖相放大器提高了微弱信號檢測的信噪比。

本文對透射率測量系統不確定度的影響因素如光源波動、雜散光、信號處理系統的非線性等進行了分析預實驗，并確定了不確定度大小。

1 系統組成及測量原理

1.1 系統組成

在傳統的雙通道測試系統中，因為要實現測量光路和參考光路的同時性，所以一般選擇用兩個探測器同時接收，但是探測器的不同會對測量結果引起較大的誤差，故而本系統用同一探測器分別測量兩路光束的光通量，只要提供穩定的光源并做好調制即可滿足精度的需求。從以上測量透反射率的方法綜合考慮［5］，設計了該系統，系統組成原理圖如圖1所示。

本系統由光源部分、中間光路部分、接收部分、樣品部分、信號處理部分五大部分組成。

（1）光源部分

系統要求的光譜范圍為300～1600nm，對于光譜儀器來說，穩定的光源是至關重要的。本系統選用了北京卓立漢光公司的LSTS-75溴鎢燈光源，光譜范圍為300nm～2500nm，完全可以滿足本系統光譜范圍的要求，其光譜效率可達20～30lm/W，色溫約為3200K，溴鎢燈光源應用其配套的穩流電源供電，光通波動僅為0.12%～0.2%。這樣高穩定性的光源為測試系統達到精度要求提供了可靠的保障。

單色儀可以將復色光轉換為單色光，根據本系統光譜范圍的要求，選擇了閃耀波長分別為500nm和1250nm的閃耀光柵，選用了北京卓立漢光公司生產的Omni-λ150單色儀，其波長范圍為300nm～2500nm，狹縫寬度為10μm～3mm連續可調。

光源部分為整個系統提供光譜光源和白光光源。兩種光源切換通過移動反射鏡實現，無需更換光路，操作方便。移動反射鏡由電控位移臺和平面反射鏡兩部分組成。電動位移臺行程200mm，中心負載7Kg，在上面安放了U型光耦來確定光柵尺的原點位置。平面反射鏡用于改變光譜光源的角度，反射鏡與光軸成45°角，鏡架自身能夠實現俯仰和方位的二維調整。

在系統中，需要確定好移動反射鏡停止的最終位置，所以要加位置反饋器件，這里選用了光柵尺。長度為200mm，柵線為50線對/mm，柵距為0.02mm，采用四細分后分辨率可達5μm。線條相位上相差90°，目的是為了判別運動方向，光柵尺的通訊接口為RS485。

（2）中間光路部分

中間光路部分包括光闌、半反半透鏡、反射鏡、斬光器、耦合鏡和Y型光纖。

為實現光束口徑為Φ10mm，光闌的通光口徑設計為Φ10mm。

半反半透鏡設計為A面對可見光及近紅外1064nm、1570nm鍍半反半透膜，透反比為1：1；B面對可見光及近紅外1064nm、1570nm鍍增透膜，透過率≥90%。

反射鏡設計為在A面對可見光及近紅外1064nm和1570nm、在銀表面鍍Al2O3電解質膜，反射率大于等于98%。

為將參考光與測量光調制成不同頻率，本系統選用南京鴻賓公司生產的HB-404型頻率可控雙參考斬光器，其斬光頻率范圍寬，為10Hz-2000Hz，頻率穩定度高，可以達到±0.1%±0.1Hz。

Y型光纖帶可調耦合鏡，光纖直徑7.1mm，長度18"。（3）接收部分

接收部分通過探測器把光信號轉換成電信號。根據波譜范圍分成兩組，白光部分選用北京卓立漢光公司的硅光電探測器DSi300（探測器1和探測器3）接收轉換，其接收波長范圍為200nm～1100nm；紅外波長部分選用北京卓立漢光公司的銦鎵砷光電探測器DInGaAs1700（探測器2和探測器4）接收轉換，其接收波長范圍為800nm～1700nm。

（4）樣品部分

樣品在積分球1中，由連接裝置與下方的一維轉臺相連，實現了入射角0°～90°變化。由于待測光學鏡片口徑為50mm～100mm，故積分球直徑設計為300mm；一維轉臺選用北京卓立漢光公司生產的RAP100轉臺；為實現位置信息的反饋，選用光電編碼器，其角度精度可達0.1°。

（5）信號處理部分

光電探測器轉化后的信號是電流信號，通過電流電壓轉換再連入鎖相放大模塊，進行相關檢測，對鎖相放大的輸出信號進行采集，最后通過上位機的處理得到被測樣品透反射率。本系統選用南京鴻賓公司生產的HB-293型雙相鎖相放大器模塊，選用阿爾泰的PCI-8622數據采集卡實現鎖相輸出交流電壓信號的采集。

1.2 系統測量原理

光源發出的光進行準直擴束后經移動反射鏡入射到分光鏡分光，一部分光經斬波器調制后通過光纖耦合器經光纖進入積分球勻光，再被探測器接收作為參考光束；另一部分光經斬波器調制后入射到被測光學元件上，經過積分球勻光后被探測器接收作為測量光束。最后對鎖相放大的輸出信號進行采集，通過上位機的處理得到被測樣品的透反射率。（1）透射率定義為：

其中，I0是入射光強，I1是透過樣品后的光強。

由探測器的響應度方程可知探測器接收光強與輸出電壓幅值成線性關系，所以有透射率：

式中，U1、U3分別為透射積分球空測時測量光路探測器輸出的電壓幅值和參考光路探測器輸出的電壓幅值；U2、U4分別為被測樣品放置于檢測系統后，測量光路探測器電壓幅值和參考光路探測器電壓幅值。

（2）反射率定義為：

式中，I0是入射光強，I2是經過樣品反射后的光強。本系統中反射率表示為：

式中，U5、U7分別為反射積分球空測時測量光路探測器輸出的電壓幅值和參考光路探測器輸出的電壓幅值；U6、U8分別為被測樣品放置于檢測系統后，測量光路探測器電壓幅值和參考光路探測器電壓幅值。

2 測量實驗及數據

這里對計量單位標定過的標準片進行測量，每個標準片測量10次，具體數據如表1～表4。

表1 白光透射率測量結果 標準值：90.59%

由表1計算出白光透過率誤差為：

圖1 系統組成原理圖

圖2 測量系統實驗裝置圖

表2 1570nm紅外光透射率測量結果 標準值：86.35%

表3 白光反射率測量結果 標準值：96.62%

由表2計算出近紅外波段透過率誤差為：

由表3計算出白光反射率誤差為：

由表4計算出近紅外波段反射率誤差為：

試驗結果表明，系統可見光波段透射率誤差為0.250%，近紅外波段的誤差為0.316%，系統可見光波段的反射率誤差為0.301%，近紅外波段的誤差為0.381%，滿足了系統的設計要求。

表4 1570nm紅外光反射率測量結果 標準值：88.31%

3 不確定度分析

3.1 A類標準不確定度

根據表1-表4中的實驗結果，得到可見光和紅外光譜的A類標準不確定度uA白和uA1570。

根據公式（5）可得透射率不確定度為：

反射率不確定度為：

3.2 B類標準不確定度

3.2.1 標準件的影響

在對系統進行標定時，采用了標準透射率板，雖然經過計量單位標定，但也存在誤差，本系統中透射率板給定的極限誤差是0.1%。在此范圍內透射率不準都有可能出現，且機會相同，故取均勻分布［8］，此項不確定度為uB，則透射率和反射率的不確定度為：

3.2.2 信號處理子系統的影響

本系統的測量原理是通過探測器接收光強，并對其作比值，可見探測器的非線性誤差對透射率參數的參量結果有著直接的影響。探測器的非線性主要表現在對于不同強度和波長的光探測器響應曲線的非線性，本系統中入射光強與透、反射光強相差不大，而對于不同波長的光，選用了探測器線性較好部分進行檢測，因而信號處理子系統的影響可以忽略。

3.2.3 光源影響

光源的波動會對測量結果的不確定度產生影響，但是在本系統中，采用了高穩定穩流電源，電源的穩定度≤0.02%/h，紋波電壓控制在＜10mV，光源穩定性好，光波動＜0.5%。并且系統采用了雙光路法對透反射率參數進行測量，大大消除了光源光通波動的影響，所以光源引起的不確定度可忽略不計。

3.2.4 雜散光影響

雜散光是指光學系統中不是通過正常光路到達探測器接收面的輻射能。在本系統中，雜散光的主要來源有兩類，第一類是光學系統以外的輻射源的散射、漫反射的光進入了系統，經過系統內部構件的多次折射、反射或衍射到達探測器，這一部分稱為外部雜散光。第二類則是光學系統內部的輻射源，如控制電機產生的紅外輻射。對于可見光部分，外部雜散光起主要影響作用，而對于近紅外光譜部分，主要影響因素是內部雜輻射。所以對于本系統來說，雜散光是制約系統性能的一個很重要的因素，因此必須加以抑制。

本系統采取了利用鎖相放大器與斬光器的配合使用來抑制雜散光。斬光器將參考光和測量光調制成了兩個不同頻率的信號，而系統的雜散光則是各種不同頻率的信號，鎖相放大器再利用互相關原理，把有用的信號提取出來。并且系統在設計時為了減少雜光，對鏡筒、鏡架及相關的機械部件都做了發黑處理，這些措施使雜光引起的不確定度可忽略不計。

3.3 不確定度的合成

由于系統各項不確定度相互獨立，所以白光透射率的合成標準不確定度為：

近紅外光譜透射率的合成標準不確定度為：

白光反射率的合成標準不確定度為：

近紅外光譜反射率的合成標準不確定度為：

4 結論

本文改進了以往的測試方法，研究并設計了用來測試寬光譜透反射率的測量系統，本系統主要從以下幾個方面進行了創新：

（1）采用了更穩定的光源，增加了穩壓電源，并在光譜光源處加濾波片提高了出光純度；增加白光測試，彌補了以往測試方法的不足。

（2）采用了雙積分球結構，實現了大口徑、大角度、高精度的光學鏡片透反射率參數的測量。

（3）采用斬光器對光束進行調制，采用鎖相放大器進行弱信號提取，降低了傳統測量中環境背景光的影響，提高了測試精度。

設計了基于雙積分球、雙光路、分光調制及信號鎖相放大機理的透射率的檢測系統。對系統的工作原理進行了深入研究，詳細分析了系統的組成及測量原理，并且進行了實驗驗證和不確定度分析，所設計的系統能夠達到精度指標，可見光波段的透射率檢測精度可達0.25%，近紅外波段可達0.316%；可見光波段的反射率檢測精度可達0.301%，近紅外波段可達0.381%。

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Measurement System of Optical Lenses Transmittance and Reflectance Based on Double-integrating-spheres

WANG Qi，SHI Lixia，ZHOU Ziwen
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The reflectance and transmittance with a high precision can’t be measured simultaneously by the traditional measure?ment system，the measurement angles are confirmed，and the calibers are small，so that the measurement system of transmit?tance and reflectance based on double-integrating-spheres is researched and produced.The double-integrating-spheres structure is adopted to complete the measurement of transmittance and reflectance of optical lens with a large caliber in wide spectral range（300nm～1600nm）and large angle range（0°～90°）.By using lock-in amplifier，the weak signal is extracted effectively，the in?terference of background light is suppressed，the measurement in bright field is realized and the measurement precision is im?proved.The final experimental verification and uncertainty analysis results can be achieved.The white light transmittance test ac?curacy is 0.25%and the infrared light transmittance test accuracy is 0.316%；the white light reflectance test accuracy is 0.301% and infrared light reflectance test accuracy is 0.381%.

transmittance and reflectance；double-channels；double-integrating-spheres；lock-in amplifier；uncertainty

TH741

A

1672-9870（2017）02-0041-05

2016-12-14

王琪（1991-），女，碩士研究生，E-mail：15104499278@163.com

石利霞（1975-），女，博士，副教授，E-mail：custslx@126.com.