基于双积分球的光学镜片透反射率测量系统

王琪，石利霞，周子文

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

基于双积分球的光学镜片透反射率测量系统

王琪，石利霞，周子文

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

传统的透反射率测量系统不能同时实现透反射率的高精度测量，并且测量角度固定，测量光学镜片口径较小。为此研制了基于双积分球的透反射率测量系统。系统采用双积分球结构，完成了宽光谱（300nm～1600nm）大角度（0°～90°）范围大口径光学镜片的透反射率测量，采用锁相放大器，有效提取出了微弱信号，抑制了背景光的干扰，实现了亮场环境下的测量，提高了测量精度。最终实验验证以及不确定度分析的结果可以达到：白光透射率测试精度为0.25%，近红外光谱测试精度为0.316%；白光反射率测试精度为0.301%，近红外光谱测试精度为0.381%。

透反射率；双通道；双积分球；锁相放大器；不确定度

测量光学元件的透反射率，目前主要采用分光光度计，分光光度计只能保证透射率的测量精度，但反射率的测量精度偏低；其次，分光光度计只能实现小口径光学元件测量；此外，分光光度计测量透反射率通常有一个固定的角度，不能实现不同角度的扫描。为此研究了基于双积分球的双光路透射率测量系统。

根据测试要求，透反射率测量系统的测量光谱范围为300～1600nm，覆盖了可见光与近红外波段的测量，样品转角范围为0°～90°，透反射率测量精度需达到白光≤0.5%，红外光≤1%。测量系统采用双通道测量法，实现了测量光路与参考光路的同时性；采用双积分球测量，使得安放在积分球上的光电探测器各点灵敏度保持一致，实现了大口径光学元件在0°～90°间不同角度的透反射率测量；采用锁相放大器提高了微弱信号检测的信噪比。

本文对透射率测量系统不确定度的影响因素如光源波动、杂散光、信号处理系统的非线性等进行了分析预实验，并确定了不确定度大小。

1 系统组成及测量原理

1.1 系统组成

在传统的双通道测试系统中，因为要实现测量光路和参考光路的同时性，所以一般选择用两个探测器同时接收，但是探测器的不同会对测量结果引起较大的误差，故而本系统用同一探测器分别测量两路光束的光通量，只要提供稳定的光源并做好调制即可满足精度的需求。从以上测量透反射率的方法综合考虑［5］，设计了该系统，系统组成原理图如图1所示。

本系统由光源部分、中间光路部分、接收部分、样品部分、信号处理部分五大部分组成。

（1）光源部分

系统要求的光谱范围为300～1600nm，对于光谱仪器来说，稳定的光源是至关重要的。本系统选用了北京卓立汉光公司的LSTS-75溴钨灯光源，光谱范围为300nm～2500nm，完全可以满足本系统光谱范围的要求，其光谱效率可达20～30lm/W，色温约为3200K，溴钨灯光源应用其配套的稳流电源供电，光通波动仅为0.12%～0.2%。这样高稳定性的光源为测试系统达到精度要求提供了可靠的保障。

单色仪可以将复色光转换为单色光，根据本系统光谱范围的要求，选择了闪耀波长分别为500nm和1250nm的闪耀光栅，选用了北京卓立汉光公司生产的Omni-λ150单色仪，其波长范围为300nm～2500nm，狭缝宽度为10μm～3mm连续可调。

光源部分为整个系统提供光谱光源和白光光源。两种光源切换通过移动反射镜实现，无需更换光路，操作方便。移动反射镜由电控位移台和平面反射镜两部分组成。电动位移台行程200mm，中心负载7Kg，在上面安放了U型光耦来确定光栅尺的原点位置。平面反射镜用于改变光谱光源的角度，反射镜与光轴成45°角，镜架自身能够实现俯仰和方位的二维调整。

在系统中，需要确定好移动反射镜停止的最终位置，所以要加位置反馈器件，这里选用了光栅尺。长度为200mm，栅线为50线对/mm，栅距为0.02mm，采用四细分后分辨率可达5μm。线条相位上相差90°，目的是为了判别运动方向，光栅尺的通讯接口为RS485。

（2）中间光路部分

中间光路部分包括光阑、半反半透镜、反射镜、斩光器、耦合镜和Y型光纤。

为实现光束口径为Φ10mm，光阑的通光口径设计为Φ10mm。

半反半透镜设计为A面对可见光及近红外1064nm、1570nm镀半反半透膜，透反比为1：1；B面对可见光及近红外1064nm、1570nm镀增透膜，透过率≥90%。

反射镜设计为在A面对可见光及近红外1064nm和1570nm、在银表面镀Al2O3电解质膜，反射率大于等于98%。

为将参考光与测量光调制成不同频率，本系统选用南京鸿宾公司生产的HB-404型频率可控双参考斩光器，其斩光频率范围宽，为10Hz-2000Hz，频率稳定度高，可以达到±0.1%±0.1Hz。

Y型光纤带可调耦合镜，光纤直径7.1mm，长度18"。（3）接收部分

接收部分通过探测器把光信号转换成电信号。根据波谱范围分成两组，白光部分选用北京卓立汉光公司的硅光电探测器DSi300（探测器1和探测器3）接收转换，其接收波长范围为200nm～1100nm；红外波长部分选用北京卓立汉光公司的铟镓砷光电探测器DInGaAs1700（探测器2和探测器4）接收转换，其接收波长范围为800nm～1700nm。

（4）样品部分

样品在积分球1中，由连接装置与下方的一维转台相连，实现了入射角0°～90°变化。由于待测光学镜片口径为50mm～100mm，故积分球直径设计为300mm；一维转台选用北京卓立汉光公司生产的RAP100转台；为实现位置信息的反馈，选用光电编码器，其角度精度可达0.1°。

（5）信号处理部分

光电探测器转化后的信号是电流信号，通过电流电压转换再连入锁相放大模块，进行相关检测，对锁相放大的输出信号进行采集，最后通过上位机的处理得到被测样品透反射率。本系统选用南京鸿宾公司生产的HB-293型双相锁相放大器模块，选用阿尔泰的PCI-8622数据采集卡实现锁相输出交流电压信号的采集。

1.2 系统测量原理

光源发出的光进行准直扩束后经移动反射镜入射到分光镜分光，一部分光经斩波器调制后通过光纤耦合器经光纤进入积分球匀光，再被探测器接收作为参考光束；另一部分光经斩波器调制后入射到被测光学元件上，经过积分球匀光后被探测器接收作为测量光束。最后对锁相放大的输出信号进行采集，通过上位机的处理得到被测样品的透反射率。（1）透射率定义为：

其中，I0是入射光强，I1是透过样品后的光强。

由探测器的响应度方程可知探测器接收光强与输出电压幅值成线性关系，所以有透射率：

式中，U1、U3分别为透射积分球空测时测量光路探测器输出的电压幅值和参考光路探测器输出的电压幅值；U2、U4分别为被测样品放置于检测系统后，测量光路探测器电压幅值和参考光路探测器电压幅值。

（2）反射率定义为：

式中，I0是入射光强，I2是经过样品反射后的光强。本系统中反射率表示为：

式中，U5、U7分别为反射积分球空测时测量光路探测器输出的电压幅值和参考光路探测器输出的电压幅值；U6、U8分别为被测样品放置于检测系统后，测量光路探测器电压幅值和参考光路探测器电压幅值。

2 测量实验及数据

这里对计量单位标定过的标准片进行测量，每个标准片测量10次，具体数据如表1～表4。

表1 白光透射率测量结果 标准值：90.59%

由表1计算出白光透过率误差为：

图1 系统组成原理图

图2 测量系统实验装置图

表2 1570nm红外光透射率测量结果 标准值：86.35%

表3 白光反射率测量结果 标准值：96.62%

由表2计算出近红外波段透过率误差为：

由表3计算出白光反射率误差为：

由表4计算出近红外波段反射率误差为：

试验结果表明，系统可见光波段透射率误差为0.250%，近红外波段的误差为0.316%，系统可见光波段的反射率误差为0.301%，近红外波段的误差为0.381%，满足了系统的设计要求。

表4 1570nm红外光反射率测量结果 标准值：88.31%

3 不确定度分析

3.1 A类标准不确定度

根据表1-表4中的实验结果，得到可见光和红外光谱的A类标准不确定度uA白和uA1570。

根据公式（5）可得透射率不确定度为：

反射率不确定度为：

3.2 B类标准不确定度

3.2.1 标准件的影响

在对系统进行标定时，采用了标准透射率板，虽然经过计量单位标定，但也存在误差，本系统中透射率板给定的极限误差是0.1%。在此范围内透射率不准都有可能出现，且机会相同，故取均匀分布［8］，此项不确定度为uB，则透射率和反射率的不确定度为：

3.2.2 信号处理子系统的影响

本系统的测量原理是通过探测器接收光强，并对其作比值，可见探测器的非线性误差对透射率参数的参量结果有着直接的影响。探测器的非线性主要表现在对于不同强度和波长的光探测器响应曲线的非线性，本系统中入射光强与透、反射光强相差不大，而对于不同波长的光，选用了探测器线性较好部分进行检测，因而信号处理子系统的影响可以忽略。

3.2.3 光源影响

光源的波动会对测量结果的不确定度产生影响，但是在本系统中，采用了高稳定稳流电源，电源的稳定度≤0.02%/h，纹波电压控制在＜10mV，光源稳定性好，光波动＜0.5%。并且系统采用了双光路法对透反射率参数进行测量，大大消除了光源光通波动的影响，所以光源引起的不确定度可忽略不计。

3.2.4 杂散光影响

杂散光是指光学系统中不是通过正常光路到达探测器接收面的辐射能。在本系统中，杂散光的主要来源有两类，第一类是光学系统以外的辐射源的散射、漫反射的光进入了系统，经过系统内部构件的多次折射、反射或衍射到达探测器，这一部分称为外部杂散光。第二类则是光学系统内部的辐射源，如控制电机产生的红外辐射。对于可见光部分，外部杂散光起主要影响作用，而对于近红外光谱部分，主要影响因素是内部杂辐射。所以对于本系统来说，杂散光是制约系统性能的一个很重要的因素，因此必须加以抑制。

本系统采取了利用锁相放大器与斩光器的配合使用来抑制杂散光。斩光器将参考光和测量光调制成了两个不同频率的信号，而系统的杂散光则是各种不同频率的信号，锁相放大器再利用互相关原理，把有用的信号提取出来。并且系统在设计时为了减少杂光，对镜筒、镜架及相关的机械部件都做了发黑处理，这些措施使杂光引起的不确定度可忽略不计。

3.3 不确定度的合成

由于系统各项不确定度相互独立，所以白光透射率的合成标准不确定度为：

近红外光谱透射率的合成标准不确定度为：

白光反射率的合成标准不确定度为：

近红外光谱反射率的合成标准不确定度为：

4 结论

本文改进了以往的测试方法，研究并设计了用来测试宽光谱透反射率的测量系统，本系统主要从以下几个方面进行了创新：

（1）采用了更稳定的光源，增加了稳压电源，并在光谱光源处加滤波片提高了出光纯度；增加白光测试，弥补了以往测试方法的不足。

（2）采用了双积分球结构，实现了大口径、大角度、高精度的光学镜片透反射率参数的测量。

（3）采用斩光器对光束进行调制，采用锁相放大器进行弱信号提取，降低了传统测量中环境背景光的影响，提高了测试精度。

设计了基于双积分球、双光路、分光调制及信号锁相放大机理的透射率的检测系统。对系统的工作原理进行了深入研究，详细分析了系统的组成及测量原理，并且进行了实验验证和不确定度分析，所设计的系统能够达到精度指标，可见光波段的透射率检测精度可达0.25%，近红外波段可达0.316%；可见光波段的反射率检测精度可达0.301%，近红外波段可达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，硕士研究生，E-mail：15104499278@163.com

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