一种远距离可变焦光谱测量装置设计

2013-04-13武文彬左勇徐永

计测技术 2013年1期

关键词：望远远距离变焦

武文彬，左勇，徐永

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

远距离的光谱测量通常采用加长光纤光谱仪光纤的方法实现，诸如对舰载机着舰的菲涅尔光学助降器的光谱测量就是一种远距离的光谱测量［1］。然而，这种方法实施起来很不方便。所以，研制能远距离测量光谱的非光纤光谱测量装置是非常必要的。

1 远距离光谱测量装置总体设计

远距离光谱测量装置主要由望远变焦成像系统、光谱色度计以及三角架和微调机构组成。微调机构主要实现XY水平面内调整、360°旋转调整以及俯仰调整等功能。望远变焦成像系统包括光源中心瞄准系统和望远变焦物镜系统，主要解决了测不远和测不弱的问题。光源中心瞄准系统通过调节目镜瞄准待测光源的中心;望远变焦物镜实现了对不同距离处的光源均能聚焦到光谱色度计的入射狭缝上的作用，即采用望远变焦原理实现了把不同距离处的光源能量准确聚焦入后续光谱测量系统上。最后，入射光被光谱色度计中平面闪耀光栅分光，线阵CCD 对光谱进行探测，实现光谱色度的快速分析，此种方法提高了光谱测试精度和测量范围。远距离光谱测量装置组成框图如图1所示。

图1 远距离光谱测量装置组成框图

望远变焦系统是与光谱色度计配合使用的，两者组合到一起构成了远距离光谱测量装置。望远变焦成像系统保证了系统能测量到远距离处辐射光源的光谱参数。该系统采用望远变焦原理，通过调节一个胶合透镜的位置，实现调焦。系统借助瞄准系统对准被测光源，通过组件调节自身焦距并将被测光源清晰成像在光谱色度计的入射狭缝处，光谱色度计输出光的光谱参数。望远变焦成像系统通过焦距改变实现了对不同距离处光源聚焦成像，大大扩展了后续光谱色度计的可测量距离范围。

2 远距离光谱测量装置结构设计

远距离光谱测量装置结构示意图如图2(a)所示，望远变焦成像系统主要由1 和2 组成。1 为光源中心瞄准系统，2 为望远变焦物镜系统，3 为光谱色度计。2 和3 用螺钉紧固连接，相对位置不发生变化，1和2 通过旋转轴连接在一起，1 可以相对2 旋转135°，旋转方向如图2(b)所示。瞄准系统工作时瞄准系统处于位置1，变焦系统不参与工作;瞄准完成后，移开瞄准系统1，使其处于位置2，此时为变焦系统工作状态，瞄准系统不参与工作。远距离光谱测量装置实物图如图3所示。

图2 远距离光谱测量装置结构示意图

图3 远距离光谱测量装置实物图

3 远距离光谱测量装置光路设计

光源中心瞄准系统由物镜、十字分划板、平面反射镜、目镜四部分组成。瞄准原理为:聚焦镜把待测光源的光会聚后被倒像镜成像在十字分划板上，十字分划板所成像为光源的正像，人眼通过目镜观察光源的像。当光源像中心与十字分划板中心重合时，表示光源正对望远变焦物镜，此时可以进行测试。瞄准系统通过定位槽与变焦物镜结构装配。测试时去掉中心瞄准系统，此时待测光源的能量通过望远变焦物镜进入仪器。

望远变焦物镜系统由四组透镜组成。分别为两组单透镜、双胶合透镜组合而成。望远变焦系统中刻度线读数范围为4.60 ～9.25，对应的测量距离范围为1 m～∞。距离为1 m 时应旋转镜头，对准4.60 刻度。测量远距离光源时应旋转刻度到9.25。

远距离光谱测量装置光路示意图如图4所示。被测光源发出的光经过光源中心瞄准系统的物镜聚焦在十字分划板上，经过平面镜反射进入到目镜系统，调整仪器与待测光源的相对位置，旋转目镜镜头，直至待测光源的中心与十字分划板的十字中心重合，即完成远距离目标的瞄准。旋转望远变焦物镜系统的镜筒，即调节中间双胶合透镜的位置，起到改变镜头焦距的作用，保证光源发出光的聚焦光斑位置与入射狭缝位置重合，使在仪器视场内光源的最大能量进入到后续色度测量装置中。入射光被光谱色度计中平面闪耀光栅分光，线阵CCD 对光谱进行探测［2］，实现光源辐射相对光谱曲线和色度的快速测量。

图4 远距离光谱测量装置光路示意图

4 远距离光谱测量装置光谱特性

采用瞬态光谱仪和标准汞灯光源对远距离光谱测量装置的光谱性能进行检定。标准汞灯照射待测装置，待测装置的波长测试结果与光源的标准值进行比较，得到波长测量误差，判断仪器的光谱测试精度。标准汞灯:测量范围210 ～1750 nm，误差0.01 nm。

第一次试验采用标准汞灯，直接照射到光谱色度计探测波长，结果如表1所示。

表1 直接照射到光谱色度计的测量结果

第二次试验采用与第一次试验相同的标准汞灯光源，经望远变焦成像系统照射到光谱色度计探测波长，结果如表2所示。

表2 经远距离光谱测量装置照射的测量结果

通过试验结果可以看出，在λ4=576.96 nm 时，远距离光谱测量装置的波长测量误差为0.04 nm，光谱色度计的测量误差为1.04 nm;在λ5=579.07 nm时，远距离光谱测量装置的波长测量误差为0.07 nm，光谱色度计的测量误差为0.93 nm。所以，使用远距离光谱测量装置测量波长，其测量误差不比直接用光谱色度计的测量的误差大，并在一些测量点的测量误差小于直接使用光谱色度计的测量误差。

5 远距离光谱测量装置色品坐标特性

采用标准钨带灯和瞬态光谱仪对远距离光谱测量装置的色品坐标测量性能进行检定。标准钨带灯照射待测装置，待测装置的色品坐标测试结果与光源的标准值进行比较，得到色品坐标测量误差，判断仪器的色品坐标测试精度。标准钨带灯:测量范围2856 K，测量不确定度8k(k=2)。实验结果如表3所示。

表3 远距离光谱测量装置色品坐标检定结果

通过试验结果可以看出远距离光谱测量装置的色品坐标的测量误差为0.0040。

6 远距离测试金卤灯的光谱特性

采用远距离光谱测量装置对相距31.2 m 处的金卤灯光源进行光谱的测量。

试验步骤:金卤灯按所要求的距离放置，打开远距离光谱测量装置中光源中心瞄准系统的目镜、瞄准物镜的镜头盖，取出望远变焦系统中的密封罩。将光源中心瞄准系统旋转至主壳体中心，此时，瞄准镜头中的物镜光轴与望远变焦物镜的光轴重合，系统光源发出的光经过平面镜反射进入到目镜系统，调整仪器与待测光源的相对位置，旋转目镜镜头，直至待测光源的中心与十字分划板的十字中心重合。完成瞄准后，将光源中心瞄准系统旋出，金卤灯发出的光进入望远变焦成像系统。根据金卤灯和远距离光谱测量装置的距离，旋转望远变焦物镜筒，改变镜头焦距，保证聚焦光斑位置与入射狭缝位置重合。打开测量软件，轻微调节装置相对于待测光源的角度和位置，测试光源的输出光谱相对辐射强度Ⅰr，直至输出光谱曲线峰值最大为止，说明此时装置接收到的光源能量最大，这时便得到了待测光源的光谱信息。

实验结果如图5所示。