專利名稱：瞬態(tài)分光輻射儀的制作方法
瞬態(tài)分光輻射儀屬瞬態(tài)輻射源輻射光學(xué)特性參數(shù)的測試計(jì)量儀器，主要用來測量瞬態(tài)光源光譜、光度、色度及其隨時(shí)間的變化。
光譜參數(shù)包括瞬態(tài)光源光譜的相對能量分布，峰值座標(biāo)及其相對能量;光度參數(shù)包括瞬態(tài)輻射光強(qiáng)及其隨時(shí)間的變化，有效光強(qiáng)，瞬態(tài)輻射光亮度、照度及其隨時(shí)間的變化;色度參數(shù)包括色坐標(biāo)、主波長、色溫、顯色指數(shù)和色純度。
當(dāng)前分光輻射儀包括在導(dǎo)軌上可伸縮的外光路，色散光路，帶掃描系統(tǒng)的探測器，它只適于在實(shí)驗(yàn)室測量連續(xù)發(fā)光光源的光色參數(shù)，不能用于野外動(dòng)態(tài)測量，不能用于瞬態(tài)光的測量，更不能用于只有一次機(jī)會(huì)的爆炸性光源光性測量;中國實(shí)用新型專利申請?zhí)枮?820778.4的“閃光光譜測定儀”，它主要用來測量瞬態(tài)光源的光譜參數(shù)，其缺點(diǎn)是不能測量瞬態(tài)光的光度和色度參數(shù)，也不能在野外對動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行測量。
本發(fā)明的目的是提供一種可以在室內(nèi)、室外都可測量瞬態(tài)光源光譜、光度、色度及其隨時(shí)間變化的分光輻射儀。
本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到一種瞬態(tài)分光輻射儀，由外光路組件1，內(nèi)光路組件2，微機(jī)控制電路3，輸出外設(shè)組件4組成(見圖1)。本發(fā)明如圖2所示的特征是外光路組件1包括光纖傳光光路61(參見圖3)，瞬態(tài)光度探測光路62(參見圖6)，積分球?qū)Ч夤饴?9(參見圖4)，光源支撐架60(參見圖5);內(nèi)光路組件2為一光電攝譜儀，內(nèi)光路組件2包括固定在支架上的可調(diào)入射狹縫30，平面導(dǎo)光鏡31，球面反光鏡32，檔光板33，球面聚光鏡34，平面閃耀光柵35，固定在支撐架上的出射狹縫36，寬帶濾光片37與列陣探測器元件38;微機(jī)控制電路3包括專用微機(jī)53和控制電路兩部分，控制電路包括列陣探測器控制電路、瞬態(tài)光空間分布測量控制電路、瞬態(tài)光源控制電路、瞬態(tài)光度測量控制電路四個(gè)部分;瞬態(tài)光源控制電路包括了由微機(jī)53、電控制電路49、脈沖電源48、瞬態(tài)光源15(或22)組成的電控光源電路，由微機(jī)53、光控電路51、放大電路52、光度探測器62、光源15(或22)組成光控光源電路，由微機(jī)53、軟件控制電路50、光源15(或光源22)組成的軟件控制光源電路三部分組成;瞬態(tài)光空間分布測量控制電路由微機(jī)53、X向控制接口54、Y向控制接口55驅(qū)動(dòng)電路56、X向步進(jìn)電機(jī)57和Y向步進(jìn)電機(jī)58組成;列陣探測器控制電路由微機(jī)53、12位高速A/D41、列陣探測控制電路40驅(qū)動(dòng)電路39和列陣探測元件38組成;瞬態(tài)光能測量控制電路由微機(jī)53、8位高速A/D46、光能測量單片機(jī)電路45、驅(qū)動(dòng)放大電路47、瞬態(tài)光度探測器62組成。輸出外設(shè)組件包括CRT顯示器42，繪圖儀43和打印機(jī)44。
本發(fā)明的目的還可以通過如下措施來達(dá)到瞬態(tài)分光輻射儀的光纖傳光光路(見圖3)由輸入窗口-聚光透鏡5、光纖輸入光學(xué)接頭6、導(dǎo)光光纖7、光纖輸出光學(xué)接頭8、非球面聚光鏡9組成，聚光透鏡5可由2～5片透鏡組成，每片透鏡的兩面均鍍有復(fù)色光增透膜，輸入通光口徑可以在60～120mm之間，前后焦距可以在150～400mm之間，導(dǎo)光光纖7由100～500根直徑為0.005～0.01mm粗的石英光纖捆扎而成，光纖輸入光學(xué)接頭6和輸出光學(xué)接頭8是將光纖束端捆扎、膠合、磨平拋光而成;非球面聚光透鏡9為一雙焦橢球反光鏡，離軸切割應(yīng)用，第一焦點(diǎn)設(shè)置在光纖輸出光學(xué)接頭8處，第二焦點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)光路的入射狹縫30處，所切割的直徑可在15～80mm之間，雙焦長、短軸之比可為2∶1至4∶1。
瞬態(tài)分光輻射儀的積分球59(參見圖4)用輕金屬材料作球壁13，積分球的內(nèi)徑可在100～200mm之間，球的內(nèi)壁噴涂7～15層硫酸鋇溶液，積分球壁上開有三孔，入射光源孔10，與孔10垂直并與內(nèi)光路入射狹縫以內(nèi)接園形式相切的孔11，在球壁上對稱于孔11、垂直于孔10并與瞬態(tài)光度探測器濾光片以內(nèi)接園形式銜接的孔14，小光源支撐架12為半球遮光罩，其內(nèi)外表面均涂有與積分球內(nèi)壁一致的涂料。
瞬態(tài)分光輻射儀的內(nèi)光路2的可調(diào)入射狹縫30可調(diào)范圍在0～3mm之間，平面導(dǎo)光鏡31大小為20×20～30×30mm2，球面反光鏡32大小為30×40～40×60mm2，球半徑在300～600mm之間，平面閃耀光柵35大小為20×20～60×60mm2，每毫米刻線在130～1800條之間，球面聚光鏡34大小為30×40～40×60mm2之間，固定在支撐架上的出射狹縫36大小為1×30～2×40mm2之間的固定狹縫，寬帶濾光片37與列陣探測器38分別固定在兩個(gè)前后、上下、左右可調(diào)動(dòng)的不同的三維支撐架上。
本發(fā)明


如下圖1，瞬態(tài)分光輻射儀外形結(jié)構(gòu)圖。1-外光路組件;2-內(nèi)光路組件;3-微機(jī)控制電路;4-輸出外設(shè)組件;
圖2，瞬態(tài)分光輻射儀總體工作原理圖。1-外光路組件;2-內(nèi)光路組件;3-微機(jī)控制電路;4-輸出外設(shè)組件;5-瞬態(tài)光入射窗口;6-光纖輸入光學(xué)接頭;7-傳光光纖束;8-光纖輸出光學(xué)接頭;9-非球面聚光鏡;10-積分球輸入射光孔;11，14-積分球輸出光孔;12-光源支撐架;13-積分球球壁;15-小光源燈;30-入射狹縫;31-平面反光鏡;32-球面聚光鏡;33-檔光板;34-球面聚光鏡;35-閃耀光柵;36-出射狹縫;37-寬帶濾光片;38-列陣探測器;39-列陣探測器驅(qū)動(dòng)電路;40-處理放大電路;41-12位高速A/D;42-CRT顯示器;43-繪圖儀;44-打印機(jī);45-光能測量單片機(jī)電路;46-8位高速A/D;47-處理放大電路;48-脈沖電源;49-電控制電路;50-軟件控制電路;51-光控制電路;52-放大電路;53-微機(jī);54-X向輸出接口;55-Y向輸出接口;56-瞬態(tài)光空間分布測量控制電路;57-X向步進(jìn)電機(jī);58-Y向步進(jìn)電機(jī);59-積分球;60-光源支架;61-光纖傳光光路;62-瞬態(tài)光度探測光路。
圖3，瞬態(tài)分光輻射儀光纖傳光光路。5-瞬態(tài)光入射窗口(聚光透鏡組);6-光纖輸入光學(xué)接頭;7-傳光光纖束;8-光纖輸出光學(xué)接頭;9-非球面聚光透鏡圖4，瞬態(tài)分光輻射儀積分球?qū)Ч夤饴贰?0-入射光窗口;11-出射光窗口;12-光源支撐架;13-積分球球壁;14-出射光窗口;15-光源燈。
圖5，瞬態(tài)分光輻射儀光源支架圖。16-底角螺絲;17-底座;18-回轉(zhuǎn)臺(tái);19-立柱;20-轉(zhuǎn)軸;21-支撐臂;22-光源;23-光源架24-墊塊;25、26-轉(zhuǎn)動(dòng)手輪(或步進(jìn)電機(jī))。
圖6，瞬態(tài)分光輻射儀光度探測光路。
28-視見函數(shù)濾光片;29-硅光電二極管;27-驅(qū)動(dòng)電路。
現(xiàn)結(jié)合附圖詳述本發(fā)明測量瞬態(tài)光譜、光度、色度及其隨時(shí)間變化的過程如果想在實(shí)驗(yàn)室采用電控方法測量瞬態(tài)閃光光源時(shí)，如圖2所示，微機(jī)53發(fā)出命令給電控電路49，讓脈沖電源48充電，待48充至預(yù)定電壓值時(shí)，通過49給53一信號(hào)，53得到此信號(hào)后，命令49觸發(fā)放電，光源15或22即發(fā)出閃光，當(dāng)光源發(fā)光亮度低，通過積發(fā)球在列陣探測元件CCD上產(chǎn)生的照度低于0.1Lx時(shí)，光源置于積分球59中的15處，當(dāng)光源發(fā)光亮度大時(shí)，置于圖4光源支架的22處，從積分球口10進(jìn)入積分球59形成漫射光，通過30被導(dǎo)向后射至32，變成平行光射向35，由35分光后射向34被聚焦，被聚焦的光譜帶從出射狹縫36經(jīng)過寬帶濾光片37后落在38光敏面上，光敏面為聚焦反光鏡34的焦平面，列陣探測器CCD38在驅(qū)動(dòng)電路39的作用下，將并行排列的光電信號(hào)變成串行排列的電信號(hào)送至處理放大電路40，再由12位具有2～8μs的高速A/D41變成數(shù)字量送至微機(jī)53的存貯器中，經(jīng)微機(jī)處理計(jì)算后的光譜相對能量數(shù)據(jù)、峰值坐標(biāo)及能量相對值數(shù)據(jù)，送給外設(shè)CRT42顯示出光譜曲線形狀，同時(shí)由繪圖儀43在繪圖紙上劃出曲線，由打印機(jī)44打出峰值坐標(biāo)和相對能量數(shù)值;計(jì)算機(jī)利用預(yù)置程序，根據(jù)光譜相對能量值用國際照明委員會(huì)(CIE)提出的方法和計(jì)算公式計(jì)算出的色座標(biāo)、主波長、色溫、顯色指數(shù)、色純度等數(shù)據(jù)送至外設(shè)打印機(jī)44打出數(shù)據(jù)，至此，閃光燈的光譜、色度參數(shù)實(shí)時(shí)測出;光度數(shù)據(jù)的測量(參見圖2)是被測光從入射光孔10進(jìn)入積分球59，經(jīng)積分球內(nèi)壁漫反射后，均勻漫反射光通過積分球輸出光孔14由視見函數(shù)濾光片校正后射向光電二極管29(參見圖6)，此探測器在驅(qū)動(dòng)電路27的作用下，將光信號(hào)變成電能送給處理放大電路47，再經(jīng)過8位高速A/D電路46將其變成數(shù)字量存入機(jī)芯為8086的單片機(jī)45存貯器中，待電路41的12位A/D傳給微機(jī)53的數(shù)據(jù)傳送完畢后，微機(jī)53由單片機(jī)45的存貯器中取出光度數(shù)據(jù)，并計(jì)算出瞬態(tài)閃光光源的光強(qiáng)、有效光強(qiáng)和有效光強(qiáng)的照度數(shù)據(jù)，然后微機(jī)命令繪圖儀在繪完光譜曲線分布后，繪出閃光光強(qiáng)隨時(shí)間變化的光強(qiáng)分布曲線，顯示器CRT42顯示閃光燈的光強(qiáng)分布曲線，打印機(jī)出上述數(shù)據(jù)，這時(shí)閃光燈一次閃光的光譜、光度、色度參數(shù)全部測出。其中寬帶濾光片37用以濾掉在閃耀光譜帶上疊加的其它非閃耀級(jí)次的光譜，檔光板33欄內(nèi)光路雜散光免進(jìn)入探測系統(tǒng)。
在野外對一些爆炸性的光源不能用電控制電路49時(shí)，采用如圖2所示的軟件控制電路50，即火炸藥閃光通過光纖導(dǎo)光系統(tǒng)的聚光鏡5聚焦后，投射到光纖輸入光學(xué)接頭6上，導(dǎo)入光纖束7傳至光纖輸出光學(xué)接頭8，從光纖輸出光學(xué)接頭8的出射光束具有45°以內(nèi)的數(shù)值孔徑角-發(fā)散角，在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，要使非球面聚光鏡9的口徑全部能收集到45度以內(nèi)的主要光能，將其聚焦射向內(nèi)光路的入射狹縫30，測出光譜光色參數(shù);光度參數(shù)測量是將圖2中的光度探測器62與光纖輸入聚光透鏡5平行放置，即可測得爆炸性光源的光度參數(shù)，軟件電路50是檢查41的12位A/D傳送給微機(jī)的數(shù)據(jù)是否是欲測光能數(shù)據(jù)，如果是欲測光能數(shù)據(jù)則命令微機(jī)53貯存，若不是不給予存貯并繼續(xù)判斷，直到大于某一數(shù)值的光是爆炸光時(shí)，才存貯、計(jì)算、處理。在實(shí)驗(yàn)室對一些光源不能用電控制電路49控制時(shí)，亦可用光控電路51控制，當(dāng)圖2中光度探測器62輸出的電信號(hào)一路經(jīng)放大電路52放大后，給光控電路51一信號(hào)，傳給微機(jī)53，微機(jī)命令41電路的12位A/D采樣并存貯于微機(jī)53的存貯器中，然后進(jìn)行計(jì)算，這樣即可同時(shí)測出光譜、光度和色度參數(shù)。
在實(shí)驗(yàn)室中欲再測光能空間分布時(shí)，如圖5所示，圖5中回轉(zhuǎn)臺(tái)18可沿水平方向旋轉(zhuǎn)360°，支撐臂21可沿垂直方向±90°作俯仰運(yùn)動(dòng)，微機(jī)53通過X向輸出接口54令驅(qū)動(dòng)電路56，使X步進(jìn)電機(jī)57轉(zhuǎn)動(dòng)，測出光在垂直方向±90度的光譜、光度、色度參數(shù)的差異;測水平方向光能分布時(shí)，微機(jī)53通過Y向輸出接口55，令驅(qū)動(dòng)電路56讓Y向步進(jìn)電機(jī)58轉(zhuǎn)動(dòng)，即可測出光在水平方向360°的光能分布，每閃一次光可同時(shí)測出一個(gè)角度的光譜、光度、色度參數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)缺點(diǎn)1、瞬態(tài)分光輻射儀，是一臺(tái)工程光學(xué)綜合性光測計(jì)量儀器。既能用于實(shí)驗(yàn)室對瞬態(tài)光源光譜、光度、色度參數(shù)的同時(shí)測量，又可在外場(靶場、機(jī)場等)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用狀況下進(jìn)行上述測量。如測量各種特種彈各種火炸藥在發(fā)射、爆炸中所需要知道的光譜、光度、色度參數(shù);各種火炮在發(fā)射過程中炮口火焰的同類參數(shù);飛機(jī)左右機(jī)翅和頂上端各色防撞燈、航行燈的光譜、光度、色度參數(shù)，以至醫(yī)學(xué)上臨床診斷、治療所用的瞬態(tài)光源的光譜、光度、色度參數(shù)等。
2、該儀器從機(jī)械結(jié)構(gòu)上保證了內(nèi)外光路的有機(jī)銜接，使瞬態(tài)光譜、光度、色度諸多參數(shù)在互不干擾情況下進(jìn)行同時(shí)測量成為可能，一臺(tái)具有四個(gè)自由度的光源支架附件，使光能空間分布得以測量;遠(yuǎn)距離導(dǎo)光的高效纖維傳光接口機(jī)械結(jié)構(gòu)，使儀器測量爆炸性光源時(shí)，能獲得足夠能量;在一些部件上，如具有三個(gè)自由度的CCD支架，既可準(zhǔn)確、方便調(diào)試，又可牢固鎖緊，經(jīng)過長途運(yùn)輸，無A級(jí)移動(dòng)，這為外場測量工作提供了一個(gè)有力保證;又如積分球中的小光源支架，即保證了充分利用光能，又符合CIE光色測量的要求等。
3、該儀器采用了大規(guī)模集成電路和微機(jī)開發(fā)應(yīng)用的新技術(shù)成果，從元器件選擇到數(shù)字電路的應(yīng)用，使電器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高集成化和小型化，既提高了測量數(shù)據(jù)的精度，又增強(qiáng)了儀器自身的可靠性，且使該儀器具備光、機(jī)、電、數(shù)據(jù)處理、自控等功能，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化實(shí)時(shí)測量的操作過程。
4、該儀器800～1100nm的紅外波段應(yīng)用的擴(kuò)大有待于進(jìn)一步開發(fā)。
權(quán)利要求
1.一種瞬態(tài)分光輻射儀，由外光路組件1，內(nèi)光路組件2，微機(jī)控制電路3，輸出外設(shè)組件4組成。本發(fā)明特征是(1)外光路組件1包括光纖傳光光路61，瞬態(tài)光度探測光路62，積分球?qū)Ч夤饴?9，光源支撐架60；(2)內(nèi)光路組件2為一光電攝譜儀，包括固定在支架上的可調(diào)入射狹縫30，平面導(dǎo)光鏡31，球面反光鏡32，檔光板33，球面聚光鏡34，平面閃耀光柵35，固定在支撐架上的出射狹縫36，寬帶濾光片37與列陣探測器元件38；(3)微機(jī)控制電路3包括專用微機(jī)53和控制電路兩部分，控制電路包括列陣探測器控制電路、瞬態(tài)光空間分布測量控制電路、瞬態(tài)光源控制電路、瞬態(tài)光度測量控制電路四個(gè)部分；瞬態(tài)光源控制電路包括了由微機(jī)53、電控制電路49、脈沖電源48、瞬態(tài)光源15(或光源22)組成的電控光源電路，由微機(jī)53、光控電路51、放大電路52、光度探測器62、光源15(或22)組成光控光源電路，由微機(jī)53軟件控制電路50、光源15(或22)組成的軟件控制光源電路三部分組成；瞬態(tài)光空間分布測量控制電路由微機(jī)53、X向控制接口54、Y向控制接口55、驅(qū)動(dòng)電路56、X向步進(jìn)電機(jī)57和Y向步進(jìn)電機(jī)58組成；列陣探測器控制電路由微機(jī)53、12位高速A/D41、列陣探測控制電路40、驅(qū)動(dòng)電路39和列陣探測元件38組成；瞬態(tài)光度測量控制電路由微機(jī)53、8位高速A/D46、光能測量單片機(jī)電路45、驅(qū)動(dòng)放大電路47、瞬態(tài)光度探測器62組成。(4)輸出外設(shè)組件包括CRT顯示器42，繪圖儀43和打印機(jī)44。
2.如權(quán)利要求1所述瞬態(tài)分光輻射儀，本發(fā)明特征是其光纖傳光光路由輸入窗口-聚光透鏡5、光纖輸入光學(xué)接頭6、導(dǎo)光光纖7、光纖輸出光學(xué)接頭8、非球面聚光鏡9組成，聚光透鏡5可由2～5片透鏡組成，每片透鏡的兩面均鍍有復(fù)色光增透膜，輸入通光口徑可以在60～120mm之間，前后焦距可以在150～400mm之間，導(dǎo)光光纖7由100～500根直徑為0.005～0.01mm粗的石英光纖捆扎而成，光纖輸入光學(xué)接頭6和輸出光學(xué)接頭8是將光纖束端捆扎、膠合、磨平、拋光而成;非球面聚光透鏡9為一雙焦橢球反光鏡，離軸切割應(yīng)用，第一焦點(diǎn)設(shè)置在光纖輸出光學(xué)接頭8處，第二焦點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)光路的入射狹縫30處，所切割的直徑可在15～80mm之間，雙焦長、短軸之比可為2∶1至4∶1。
3.如權(quán)利要求1所述瞬態(tài)分光輻射儀，本發(fā)明特征是其積分球59用輕金屬材料作球壁13，積分球的內(nèi)徑可在100～200mm之間，球的內(nèi)壁噴涂7～15層硫酸鋇溶液，積分球壁上開有三孔，入射光孔10，與孔10垂直并與內(nèi)光路入射狹縫以內(nèi)接園形式相切的孔11，在球壁上對稱于孔11垂直于孔10并與瞬態(tài)光度探測器濾光片以內(nèi)接園形式銜接的孔14小光源支撐架12為半球遮光罩，其內(nèi)外表面均涂有與積分球內(nèi)壁一致的涂料。
4.如權(quán)利要求1所述瞬態(tài)分光輻射儀，本發(fā)明特征是其內(nèi)光路2的可調(diào)入射狹縫30，可調(diào)范圍在0～3mm之間，平面導(dǎo)光鏡31的大小在20×20～30×30mm2之間，球面反光鏡32的大小在30×40～40×60mm2之間，球半徑在300～600mm之間，平面閃耀光柵35大小為20×20～60×60mm2，每毫米刻線在130～1800條之間，球面聚光鏡34的大小在30×40～40×60mm2之間，固定在支撐架上的出射狹縫36大小在1×30～2×40mm2之間的固定狹縫，寬帶濾光片37與列陣探測器38分別固定在兩個(gè)前后、上下、左右可調(diào)動(dòng)的不同的三維支撐架上。
全文摘要
瞬態(tài)分光輻射儀是一臺(tái)在室內(nèi)、室外都可測出瞬態(tài)光源光譜、光度、色度及其隨時(shí)間變化的光學(xué)測試儀器，本發(fā)明的外光路由光纖傳光光路、積分球?qū)Ч夤饴泛凸饽芸臻g分布測量裝置組成，內(nèi)光路由濾掉二極波譜的寬帶濾光片裝置和以列陣光電轉(zhuǎn)換元件為探測器的光電攝譜儀組成，高速自控處理電路由微機(jī)和多種自控電路組成，輸出外設(shè)有CRT顯示器、打印機(jī)、繪圖儀。
文檔編號(hào)G01J1/00GK1092161SQ9310227
公開日1994年9月14日 申請日期1993年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月6日
發(fā)明者李碩中, 吳寶寧, 劉建平, 李雷, 劉西社 申請人:機(jī)械電子工業(yè)部第二○五研究所