低损耗薄膜背散仪吸光器的关键技术研究

激光高反射膜片的背散光大小直接影响激光陀螺的精度,低损耗薄膜背散仪是在全积分散射测试理论及立体角积分散射测量原理的基础上提出的一种测量高反射膜片背散光的新方法.在低损耗薄膜背散仪的设计中,吸光器的吸光装置结构及吸光材料的选择直接影响着测量精度.计算表明,在用波长λ=632.8nm、激光功率P=10mW的氦氖激光照射至与...     

Reflectance measurements of aluminium surfaces using integrating spheres

In the investigation of the considerable absorption of visible light in industrially rolled aluminium surfaces, a thorough knowledge of the total reflectance measurement method is required. In this paper a general introduction to the integrating sphere method is given, with emphasis on the current understanding of instrumental artefacts and ways of correcting them. Selected aluminium surfaces were measured employing two spheres; a single-beam instrument equipped with a white-light source and a Si-photoelement detector, and a double-beam sphere, which measures reflectance properties with spectral resolution. It was found necessary to take precautions concerning the orientation of rolled samples relative instrument geometry, to avoid artificial losses from the sphere. The use of a specular reference standard is assumed to minimise the effect of several sphere artefacts, since it produces similar angular distribution of reflected light as the rather glossy aluminium samples. Measurements with spectral resolution show that the total reflectance of aluminium is somewhat red shifted after rolling, a tendency that cannot be revealed in ordinary white-light measurements.     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性|且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层的积分球出射光的光谱分布、色坐标和色温.结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响特征相同,表现在色度上是色坐标(x,y)增大,色温降低.其中聚四氟乙烯积分球非中性较小,其出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20 K和70 K|而硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300 K和1 000 K,非中性影响明显.     

微型测色分光光谱仪的总体设计及数据采集系统研究

为解决目前颜色测量仪器测速慢、体积大的问题,采用先进的颜色测量方法——光电摄谱法,设计了一种微型测色分光光谱仪。仪器由光学系统、信号采集与处理电路、测色软件三部分组成。阐述了系统的总体设计。采用线阵CCD(TCD1304AP)作为光电探测器,采用ARM嵌入式处理器作为中心处理器件,仅在一片LPC2214上完成了CCD的驱动及信号采集存储系统设计,并选择USB作为数据传输设备,从而有效地减小了仪器的体积。结果表明,此仪器测量精度高,测量速度快,方便携带。     

Illumination technique based on integrating sphere with an unequal radius, hyper-uniform luminance and large-field angle

In order to meet the measurement requirements of image sensors’ uniformity of the CCD system with a large-field angle, the design for the form and structure of the integrating sphere, with 600–800 mm and hyper-uniform luminance double hemisphere is presented. LightTools software is used for simulation. The simulation result indicates that the compact structure of the integrating sphere with asymmetric double hemisphere renders both the design values and systematic performance parameters superior to those of the common integrating sphere. The integrating sphere system designed is manufactured and its optical parameters are tested. The test result indicates that at the outlet of the integrating sphere, the variation of illuminance is less than 2.3%, and the variation of luminance on the inner surface is less than 4.4%. Hence, it is concluded that this system can be widely utilized in measuring image sensors’ uniformity of the photoelectric imaging system with a large-field angle.     

一种小型光谱色彩分析仪的设计

为解决目前颜色测量仪器测速慢、体积大的问题，采用先进的颜色测量方法——光电摄谱法，建立了一个测色的数学模型，设计了一种全自动测色的小型光谱色彩分析仪。仪 器由照明系统、光电摄谱仪、信号采集与处理电路、测色软件四部分组成。详细阐述了照明系统和光电摄谱仪的设计。光电摄谱仪采用平场凹面光栅分光，线阵CCD接收，缩小了仪 器体积。利用此仪器测量7块标准色板，色品坐标测量不确定度小于0.01，测试周期为1秒。结果表明，此仪器不仅精度高，还满足了工业生产中对测色的速度和准确度要求。     

用于弹道测量的实时测速同步触发仪设计

介绍了一种实时获取当发弹丸速度的同步触发系统.采用两台天幕靶和测时电路实时测量当发弹丸的速度,根据测得的速度和事先确定的靶距,计算输出测试仪器触发需要的延时值.同时,设计了滤除蚊虫、飞鸟等外界环境干扰的电路,确保输出的触发信号稳定可靠.详细介绍了系统组成、工作原理与逻辑电路的设计.设计的系统经过实弹射击试验验证,工作稳...     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性,也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前,利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射,其出射光源可能存在一定的偏振,进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前,关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题,以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例,对其出射光源的偏振特性进行了系统测量,并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明,HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%),其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。因此,HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响,且影响程度随着波段,线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下,光源偏振引起的420,442,470,510,590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%,11.27%,12.79%,14.43%,13.76%,12.46%。因此,利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响,并需尽可能降低出射光源的偏振度。     

级联积分球辐射源角度均匀性研究

为了设计和制造高角度均匀性的积分球辐射源,需要提供优化的设计参数。基于空腔的辐射传输理论,建立了基于级联积分球结构的发光单元光出射度分布的仿真模型,并获得了朗伯型发光单元安装位置和级联积分球辐射源角度均匀性之间的关系。仿真结果表明：理想情况下,采用2个朗伯型级联子球作为发光单元,对称安装在与级联积分球辐射源出光口法线方向成10°夹角位置时,通过球心与出光口法线方向成±20°夹角观测区域内的角度均匀性可以达到0.03%的水平。最后,通过实验测量级联子球在30°夹角位置时级联积分球辐射源的角度均匀性,发现实验结果与仿真结果接近一致。因此,通过优化发光单元的类型和安装位置,可以有效提升积分球辐射源的角度均匀性。     

用于组织光学特性参量测量的改进型双积分球系统

研制了一套改进型的双积分球系统,通过对光源功率的监测,可以准确获取生物组织的光学特性参量.文中详细阐明了该系统的组成、原理、测量技术及获取光学特性参量的逆加折叠方法;并分两种情况,即用改进型的双积分球系统及常用的双积分球系统分别对内脂与细粒蓝的光学特性参量(632.8nm)进行了测量,结果表明改进型系统能很好消除光源波动对测量所带来的影响,所测量的数据更准确,误差更小.     

激光大动态范围线性测量

为研究探测器在单色光照射下大动态范围的辐射响应度是否不变，建立了基于激光的线性测量装置，并对该装置的测量不确定度进行评价。实验根据双光路叠加法，分别采用功率和照度两种模式研究了光电探测器的线性。对于功率模式，实验测量了6个数量级光功率变化下探测器的大动态范围非线性系数；对于照度模式，将激光导入积分球输出光辐射，测量了探测器在3个量级变化下的非线性系数。实验结果表明:当激光功率模式下探测器的输出电流从0.2 mA变至0.2 nA，探测器的非线性系数全部小于±0.02%；当激光照度模式下探测器光电流从200 nA变为0.2 nA，探测器非线性系数小于±0.02%。由此可知，激光线性装置可以实现功率和照度两种模式测量，满足至少6个量级以上的测量。     

虚拟仪器实现光谱测试的数据采集和处理

为了增强光谱测试系统的数据采集和分析处理能力,对新兴的基于微型计算机的测试仪器技术———虚拟仪器作了研究,并将其引入光谱测试中。以编译型的可视化图形编程环境ＬａｂＶＩＥＷ（实验室虚拟仪器工程平台）作为开发平台,开发出用于光谱测试和光谱数据处理的虚拟仪器系统。对光源和光探测器的光谱特性进行测试的实例表明,在ＬａｂＶＩＥＷ上构建的虚拟仪器提高了光谱测试的自动化程度、精确度和测试效率。虚拟仪器在光电检测中的应用具有广阔的发展前景     

自组装非接触测距仪

介绍一种非接触测距仪的制作和设计理念,并对仪器的使用特点和测量精度进行了分析。     

一种环形屏积分球光源的辐照均匀度研究

均匀光源被广泛应用于光学成像、遥感仪器的研制与标定等领域。提出了一种具有环形遮挡屏的积分球光源结构，以辐照均匀度分布特性为目标，利用蒙特卡洛(MCM)分析通过改变光源类型、挡板位置、开口大小、光源数量等参数对光源结构进行分析与优化。结果显示，朗伯特光源较之准直型光源辐照均匀度平均提高2.32%；挡板位置靠近积分球边缘时，辐照均匀度略低于其他位置；综合考虑辐射能量与照度均匀度，积分球开口比定在30%~35%区间内更为合适；辐射能量与光源数量呈线性关系，且不均匀度随光源数量在2.46%~3.38%波动。优化后的环形遮挡屏结构，可作为辐照均匀的光源应用于实际场景。     

一种高精度激光吸收率测量装置

针对现有激光吸收率测量的不足，在总结现有激光吸收率测量方法基础上，设计了一种积分球法激光吸收率测量装置。增加了导光管结构，并对光源进行了监测，对光束进行了调制。采用相关检测和同步采集等方法，有效地去除了背景噪声、探测器及检测电路噪声对测量的影响。并实验比较了安装导光管前后装置对样品吸收率的测量影响，并对多个样品进行实验。结果表明，对于样品反射率在10×10-6~10 000×10-6范围内，装置的测量误差可以达到±2%以内，实现了激光吸收率的高精度测量。     

基于PSD的高精度光电定心仪

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状,提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位,并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计,并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性,在测量范围2 mm~500 mm内定心精度达到1 m的设计要求。     

基于光谱技术的植物叶绿素浓度无损检测仪器的研制

开发了一种便携式植物叶绿素无损检测仪器,该仪器可实现对叶绿素浓度的实时、快速、无损检测。仪器主要包括4个部分：叶片夹具,光源驱动电路,光电检测及信号调理电路和微控制系统。提出了一种电流可调节的光源恒流驱动电路方案,在实现恒流驱动的同时还可以对驱动电流进行程控。同时提出了一种一体化叶片夹具设计方案,不仅简化了仪器的光学结构,而且提高了仪器稳定性。在仪器的标定实验中,用SPAD-502叶绿素测量仪测定的叶片叶绿素含量SPAD值作为标准值,建立了多元线性标定模型,对仪器的性能进行了评价,叶绿素预测值与标准值的相关系数为0.97,预测均方根误差为1.3 SPAD,仪器重复性的均方根误差为0.1 SPAD。标定实验结果表明,该仪器测量精度高、性能稳定。     

Surface roughness measurement using spatial-average analysis of objective speckle pattern in specular direction

The speckle contrast method (SCM) and the light scattering method (LSM) are two of the most promising optical techniques for on-line surface roughness measurement of slightly-rough surface. However, due to the lack of capability in eliminating the influence from the diffuse component of scattered light, SCM and LSM are both sensitive to the variations of surface correlation length. Additionally, for LSM, the presence of speckle noise leads to fluctuations in the measuring results. To solve these problems, an approach based on the spatial-average analysis of the objective speckle pattern in the specular direction, simply called spatial-average method (SAM), is proposed. The SAM establishes the quantitative relationship between a new characteristic parameter extracted from the recorded speckle image and the rms surface roughness, eliminates to a large extent the influence of diffuse light component on the measuring results, and immunizes itself from the speckle noise. The theoretical foundation of SAM is given in details. A computer simulation is then performed to make comparisons among these three methods. Finally an experiment is presented.     

LED作为量子效率仪中单色光的可行性研究

随着LED技术的不断进步,已发展出多种波长的大功率LED,不用昂贵的单色仪,而采用各种波长的LED作为单色光来制造量子效率仪;也不需要旋转滤色片轮切换滤色片来避免光栅单色仪中高级次光谱的影响。LED作为单色光,可实现无机械运动、测量速度快、故障率低的优点。多只LED焊接在PCB上形成离散型光源,无法采用常规的椭球面反射镜、透镜或凹面反射镜进行汇聚。采用高反射率反射镜片制备成锥形光导管,将离散型光源发出的光汇聚为一个小光斑,可以很好地解决离散型光源汇聚难的问题,同时实现了高的光利用率。通过测量LED的波峰值、半峰宽和稳定性,并与传统的卤素灯和氙灯为光源的传统量子效率仪进行比较,发现单色光的波峰值与量子效率的测量准确性是正相关的,波峰值越高,测量的准确性越高;半峰宽在5.1~9.5 nm范围内,半峰宽对测量的准确性没有影响。采用LED、卤素灯和氙灯量子效率仪分别测试同一块太阳电池的量子效率,计算相同波段的积分电流,与世界先进的氙灯量子效率仪相比,相对偏差为0.34%,与卤素灯量子效率仪的相当,说明半峰宽在5.1~55.7 nm范围内,测量准确性与半峰宽无明显的相关性;LED的不稳定度为0.4%,介于氙灯和卤素灯之间。从这几个方面来看,LED是可以作为单色光用于量子效率的测试。     

基于白光干涉的光学球面半径测量研究

光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量,通过测量光学球面的曲率半径，可以审核光学元件设计制造质量。在基于白光干涉理论基础上，将莫尔光栅位移测量系统及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上，利用CCD数字图像处理技术，构建了光学球面曲率半径自动测量系统。该测量系统对于大曲率半径的光学球面测量精度较高；对于半径R＝71.2037mm的光学球面,其测量标准误差σR＝0.4723mm。实验结果表明：设计的光学球面自动测量系统可以对大曲率半径光学球面实现高精度测量。