一種遠(yuǎn)距離可變焦光譜測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

武文彬，左勇，徐永

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

遠(yuǎn)距離的光譜測(cè)量通常采用加長(zhǎng)光纖光譜儀光纖的方法實(shí)現(xiàn)，諸如對(duì)艦載機(jī)著艦的菲涅爾光學(xué)助降器的光譜測(cè)量就是一種遠(yuǎn)距離的光譜測(cè)量［1］。然而，這種方法實(shí)施起來(lái)很不方便。所以，研制能遠(yuǎn)距離測(cè)量光譜的非光纖光譜測(cè)量裝置是非常必要的。

1 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置主要由望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)、光譜色度計(jì)以及三角架和微調(diào)機(jī)構(gòu)組成。微調(diào)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)XY水平面內(nèi)調(diào)整、360°旋轉(zhuǎn)調(diào)整以及俯仰調(diào)整等功能。望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)包括光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和望遠(yuǎn)變焦物鏡系統(tǒng)，主要解決了測(cè)不遠(yuǎn)和測(cè)不弱的問(wèn)題。光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)目鏡瞄準(zhǔn)待測(cè)光源的中心;望遠(yuǎn)變焦物鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同距離處的光源均能聚焦到光譜色度計(jì)的入射狹縫上的作用，即采用望遠(yuǎn)變焦原理實(shí)現(xiàn)了把不同距離處的光源能量準(zhǔn)確聚焦入后續(xù)光譜測(cè)量系統(tǒng)上。最后，入射光被光譜色度計(jì)中平面閃耀光柵分光，線陣CCD 對(duì)光譜進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)光譜色度的快速分析，此種方法提高了光譜測(cè)試精度和測(cè)量范圍。遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置組成框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置組成框圖

望遠(yuǎn)變焦系統(tǒng)是與光譜色度計(jì)配合使用的，兩者組合到一起構(gòu)成了遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置。望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)保證了系統(tǒng)能測(cè)量到遠(yuǎn)距離處輻射光源的光譜參數(shù)。該系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)變焦原理，通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)膠合透鏡的位置，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。系統(tǒng)借助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光源，通過(guò)組件調(diào)節(jié)自身焦距并將被測(cè)光源清晰成像在光譜色度計(jì)的入射狹縫處，光譜色度計(jì)輸出光的光譜參數(shù)。望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)通過(guò)焦距改變實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同距離處光源聚焦成像，大大擴(kuò)展了后續(xù)光譜色度計(jì)的可測(cè)量距離范圍。

2 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)主要由1 和2 組成。1 為光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，2 為望遠(yuǎn)變焦物鏡系統(tǒng)，3 為光譜色度計(jì)。2 和3 用螺釘緊固連接，相對(duì)位置不發(fā)生變化，1和2 通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸連接在一起，1 可以相對(duì)2 旋轉(zhuǎn)135°，旋轉(zhuǎn)方向如圖2(b)所示。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)工作時(shí)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)處于位置1，變焦系統(tǒng)不參與工作;瞄準(zhǔn)完成后，移開(kāi)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)1，使其處于位置2，此時(shí)為變焦系統(tǒng)工作狀態(tài)，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)不參與工作。遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置實(shí)物圖

3 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置光路設(shè)計(jì)

光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由物鏡、十字分劃板、平面反射鏡、目鏡四部分組成。瞄準(zhǔn)原理為:聚焦鏡把待測(cè)光源的光會(huì)聚后被倒像鏡成像在十字分劃板上，十字分劃板所成像為光源的正像，人眼通過(guò)目鏡觀察光源的像。當(dāng)光源像中心與十字分劃板中心重合時(shí)，表示光源正對(duì)望遠(yuǎn)變焦物鏡，此時(shí)可以進(jìn)行測(cè)試。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)定位槽與變焦物鏡結(jié)構(gòu)裝配。測(cè)試時(shí)去掉中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，此時(shí)待測(cè)光源的能量通過(guò)望遠(yuǎn)變焦物鏡進(jìn)入儀器。

望遠(yuǎn)變焦物鏡系統(tǒng)由四組透鏡組成。分別為兩組單透鏡、雙膠合透鏡組合而成。望遠(yuǎn)變焦系統(tǒng)中刻度線讀數(shù)范圍為4.60 ～9.25，對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離范圍為1 m～∞。距離為1 m 時(shí)應(yīng)旋轉(zhuǎn)鏡頭，對(duì)準(zhǔn)4.60 刻度。測(cè)量遠(yuǎn)距離光源時(shí)應(yīng)旋轉(zhuǎn)刻度到9.25。

遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置光路示意圖如圖4所示。被測(cè)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的物鏡聚焦在十字分劃板上，經(jīng)過(guò)平面鏡反射進(jìn)入到目鏡系統(tǒng)，調(diào)整儀器與待測(cè)光源的相對(duì)位置，旋轉(zhuǎn)目鏡鏡頭，直至待測(cè)光源的中心與十字分劃板的十字中心重合，即完成遠(yuǎn)距離目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)變焦物鏡系統(tǒng)的鏡筒，即調(diào)節(jié)中間雙膠合透鏡的位置，起到改變鏡頭焦距的作用，保證光源發(fā)出光的聚焦光斑位置與入射狹縫位置重合，使在儀器視場(chǎng)內(nèi)光源的最大能量進(jìn)入到后續(xù)色度測(cè)量裝置中。入射光被光譜色度計(jì)中平面閃耀光柵分光，線陣CCD 對(duì)光譜進(jìn)行探測(cè)［2］，實(shí)現(xiàn)光源輻射相對(duì)光譜曲線和色度的快速測(cè)量。

圖4 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置光路示意圖

4 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置光譜特性

采用瞬態(tài)光譜儀和標(biāo)準(zhǔn)汞燈光源對(duì)遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的光譜性能進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)汞燈照射待測(cè)裝置，待測(cè)裝置的波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果與光源的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到波長(zhǎng)測(cè)量誤差，判斷儀器的光譜測(cè)試精度。標(biāo)準(zhǔn)汞燈:測(cè)量范圍210 ～1750 nm，誤差0.01 nm。

第一次試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)汞燈，直接照射到光譜色度計(jì)探測(cè)波長(zhǎng)，結(jié)果如表1所示。

表1 直接照射到光譜色度計(jì)的測(cè)量結(jié)果

第二次試驗(yàn)采用與第一次試驗(yàn)相同的標(biāo)準(zhǔn)汞燈光源，經(jīng)望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)照射到光譜色度計(jì)探測(cè)波長(zhǎng)，結(jié)果如表2所示。

表2 經(jīng)遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置照射的測(cè)量結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在λ4=576.96 nm 時(shí)，遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的波長(zhǎng)測(cè)量誤差為0.04 nm，光譜色度計(jì)的測(cè)量誤差為1.04 nm;在λ5=579.07 nm時(shí)，遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的波長(zhǎng)測(cè)量誤差為0.07 nm，光譜色度計(jì)的測(cè)量誤差為0.93 nm。所以，使用遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置測(cè)量波長(zhǎng)，其測(cè)量誤差不比直接用光譜色度計(jì)的測(cè)量的誤差大，并在一些測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量誤差小于直接使用光譜色度計(jì)的測(cè)量誤差。

5 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置色品坐標(biāo)特性

采用標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈和瞬態(tài)光譜儀對(duì)遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的色品坐標(biāo)測(cè)量性能進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈照射待測(cè)裝置，待測(cè)裝置的色品坐標(biāo)測(cè)試結(jié)果與光源的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到色品坐標(biāo)測(cè)量誤差，判斷儀器的色品坐標(biāo)測(cè)試精度。標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈:測(cè)量范圍2856 K，測(cè)量不確定度8k(k=2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置色品坐標(biāo)檢定結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的色品坐標(biāo)的測(cè)量誤差為0.0040。

6 遠(yuǎn)距離測(cè)試金鹵燈的光譜特性

采用遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置對(duì)相距31.2 m 處的金鹵燈光源進(jìn)行光譜的測(cè)量。

試驗(yàn)步驟:金鹵燈按所要求的距離放置，打開(kāi)遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置中光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的目鏡、瞄準(zhǔn)物鏡的鏡頭蓋，取出望遠(yuǎn)變焦系統(tǒng)中的密封罩。將光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至主殼體中心，此時(shí)，瞄準(zhǔn)鏡頭中的物鏡光軸與望遠(yuǎn)變焦物鏡的光軸重合，系統(tǒng)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)平面鏡反射進(jìn)入到目鏡系統(tǒng)，調(diào)整儀器與待測(cè)光源的相對(duì)位置，旋轉(zhuǎn)目鏡鏡頭，直至待測(cè)光源的中心與十字分劃板的十字中心重合。完成瞄準(zhǔn)后，將光源中心瞄準(zhǔn)系統(tǒng)旋出，金鹵燈發(fā)出的光進(jìn)入望遠(yuǎn)變焦成像系統(tǒng)。根據(jù)金鹵燈和遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的距離，旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)變焦物鏡筒，改變鏡頭焦距，保證聚焦光斑位置與入射狹縫位置重合。打開(kāi)測(cè)量軟件，輕微調(diào)節(jié)裝置相對(duì)于待測(cè)光源的角度和位置，測(cè)試光源的輸出光譜相對(duì)輻射強(qiáng)度Ⅰr，直至輸出光譜曲線峰值最大為止，說(shuō)明此時(shí)裝置接收到的光源能量最大，這時(shí)便得到了待測(cè)光源的光譜信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)距離測(cè)量金鹵燈光試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，金鹵燈的峰值波長(zhǎng)為539 nm，并且其色品坐標(biāo)為(X=0.4749，Y=0.5093)，該裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光譜和色品坐標(biāo)的測(cè)量。

7 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置測(cè)量不確定度分析

遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置的測(cè)量不確定度［3］主要由四部分引入，分別是:波長(zhǎng)標(biāo)定時(shí)光源波長(zhǎng)不準(zhǔn)確引入的不確定度分量u1;能量標(biāo)準(zhǔn)輻射源不穩(wěn)定引入的測(cè)量不確定度u2;色度計(jì)儀器產(chǎn)生系統(tǒng)測(cè)量誤差引入的測(cè)量不確定度u3和色品坐標(biāo)重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度分量u4。各不確定度分量的評(píng)定方法和數(shù)值如表4所示。

表4 遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置測(cè)量不確定度

由于以上影響各個(gè)分量的因素相互獨(dú)立，則相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucr=1.04%;若取k=2，則該裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Ur=2ucr=2.1%。

8 結(jié)論

設(shè)計(jì)研制的遠(yuǎn)距離光譜測(cè)量裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)范圍380 ～780 nm 的光源進(jìn)行遠(yuǎn)距離光譜和色品坐標(biāo)的測(cè)量，其光譜測(cè)量誤差好于直接照射光譜色度計(jì)的測(cè)量誤差，其色品坐標(biāo)測(cè)量誤差為0.0040，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為Ur=2.1%。

［1］Naval Air Command.Carrier Qualification Flight Procedures［Z］.Texas:2001.

［2］金偉其，胡威捷.輻射度、光度與色度及其測(cè)量［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2011.

［3］馬恒儒，岳峰，鄭克哲，等.光學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.