弱光光度校准装置的制造方法
弱光光度校准装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学计量测试领域，涉及一种弱光光度校准装置，尤其涉及一种以照 度可调的积分球光源为基础的大动态范围的弱光光度校准装置。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，星敏感器广泛应用于卫星、飞船、航天飞机和空间站的高精 度姿态确定、空间导航与定位。利用星敏感器进行星光惯性复合制导，提高了抗干扰能力， 有效提高了系统的命中精度。航空星光导航系统提出对星敏感器在（1〇_ 3~10_9)lx范围弱 光照度校准需求，"嫦娥"探月工程提出对飞行器中星光模拟器（照度小于l〇_5lx)的弱光 照度校准需求。此外，单兵综合作战系统不仅提高了我军单兵夜间作战地能力，而且拓展了 单兵作战系统应用范围，针对单兵综合作战系统中的便携式夜视系统提出（KT1~10 _9)lx 范围弱光照度校准需求。因此必须研制弱光光度校准装置实现微弱光测量仪器的弱光照度 的校准。
[0003] 目前，弱光照度测量方法主要采用中性减光片法和等色温衰减法。中国计量科学 研宄院、中国测试技术研宄院和航天三〇三所就是采用中性减光片法将光源的照度进行衰 减，通过与标准弱光照度计的比较实现弱光照度计的校准，但是由于中性减光片法会改变 光源的色温从而影响校准准确度。中科院西安光机所采用等色温衰减法利用带有可变入射 光阑的积分球光源，通过调节入射光阑的口径将积分球光源的照度进行衰减，通过计算积 分球光源的照度值实现星敏感器等的标定。例如，《应用光学》第31卷，第1期上，《一种高 星等标准星光模拟器设计与性能分析》一文中，采用的方法就是等色温衰减法，实现星敏感 器的标定，其积分球光源模拟出的光照度误差为5. 64%。但由于这种方法是计算积分球光 源的照度值实现星敏感器的标定的，也会影响标定准确度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中微弱光测量仪器不能准确校准的问题，本发明提供一种弱光光度 校准装置，具体地说，该校准装置以照度可调的积分球光源为基础，结合双光路切换技术和 微弱光探测技术，通过与标准微弱光探测器比较，从而实现对微弱光测量仪器（如弱光照 度计、星敏感器等）的准确校准。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：包括积分球光源、光栏及快门、探测系 统、以及数据采集和控制计算机；
[0007] 所述积分球光源由卤素灯、积分球、可变入射光阑、可变出射光阑以及监视探测 器组成；积分球带有入射光孔、出射光孔、挡板以及监视探测器接口，积分球开口的总面积 不超过球内部反射面积的10% ;入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线相互垂 直，挡板处于入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线组成的90°圆心角范围内， 防止入射光直接从出射光孔出射；球体内壁上均匀喷涂多层spectralon材料，挡板喷涂 spectralon材料；可变入射光阑安装在入射光孔，可变出射光阑安装在出射光孔，可变入 射光阑和可变出射光阑受电机驱动，电机受数据采集和控制计算机控制；监视探测器安装 在监视探测器接口；卤素灯为入射光源；
[0008] 所述探测系统包括标准微弱光探测器、被校仪器和平移台；平移台受数据采集和 控制计算机控制，按要求将标准微弱光探测器或被校仪器送入光路中；
[0009] 从积分球光源出射的光信号经过光栏及快门后，由标准微弱光探测器和被校仪器 分别采集，并将标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值以及被校仪器输出的扣除背景 的照度值输入数据采集和控制计算机，得到被校仪器的校准系数。
[0010] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：当被校仪器为带有 望远系统的仪器时，在光栏及快门与探测系统之间增加光学准直系统；所述光学准直系统 将积分球光源出射的光调整为准直光束送入探测系统。
[0011] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：所述标准微弱光探 测器由光学组件和电器组件组成；电器组件由高压系统、制冷系统、甄别器、光子计数器组 成；光学组件从外到内依次为精密光阑、余弦修正器、V(A)滤光片、脉冲计数型光电倍增 管；高压系统对脉冲计数型光电倍增管提供高压，制冷系统对脉冲计数型光电倍增管实现 制冷，甄别器对脉冲计数型光电倍增管输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器鉴别后的脉冲 信号被光子计数器累加计数。
[0012] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：
[0013] 标准微弱光探测器根据累加计数的光子数N，通过以下公式得到标准微弱光探测 器接收面上的照度值Ev:
[0015] 其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光 视效能，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。
[0016] 有益效果
[0017] 本发明的整体技术效果体现为：
[0018]( -）本发明在比较法的基础上，结合等色温光源衰减技术、双光路切换技术以及 微弱光探测技术，实现了对微弱光测量仪器的高准确度校准，从而解决了l〇_3lx~l〇_9lx范 围的微弱光测量仪器的校准难题，而且使用方便、快捷、省力。
[0019](二）本发明的积分球光源的可变入射光阑和出射光阑由计算机控制步进电机进 行自动调节，可实现l(T3lx~l(T9lx的大动态范围等色温的照度调节。
[0020] (三）本发明采用双光路设计，满足不同被校仪器视场要求。光学准直系统中用于 折转光路的平面反射镜可通过一维电动平移台由计算机控制移入移出光路，实现准直光路 和发散光路的双光路切换。
[0021] (四）本发明的标准微弱光探测器采用热电制冷和光子脉冲计数的方式，采用微 弱信号去噪技术和光子放大稳流技术以降低噪声，提高了探测灵敏度。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明弱光光度校准装置组成框图。
[0023] 图2是积分球光源组成示意图。
[0024] 图3是标准微弱光探测器组成示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
[0026] 正如图1所示，本实施例提供的校准装置由积分球光源系统1、光栏及快门2、光学 准直系统3、探测系统4及数据采集和控制计算机5组成。
[0027] 根据图2所示，积分球光源系统1含有卤钨灯及其电源1-1、可变入射光阑1-2、 积分球1-3、挡板1-4、监视探测器1-5和可变出射光阑1-6组成。卤钨灯选用功率为50W 的齒鹤灯。可变入射光阑1-2和可变出射光阑1-6选用北京卓立汉光仪器有限公司的 APID12-1-D型可变光阑。积分球1-3由直径为150mm的空心球体、挡板、入射光孔、出射光 孔和监视探测器接口组成。积分球所有开口的总面积不超过球内部反射面积的10%。积 分球入射光孔和出射光孔处分别安装有步进电机控制的可变入射光阑1-2和可变出射光 阑1-6,分别用于改变卤素灯的入射通量和积分球的出射通量。积分球球体内壁上均勾喷 涂多层反射比高、无光谱选择性的spectralon材料，该材料可以水洗、适用于室内外环境、 化学稳定性高、易复制。入射光孔和出射光孔与球心的连线相互垂直，为了防止入射光直接 由出射光孔，球内装挡板，挡板喷涂与积分球内表面相同的材料，挡板与水平方向的夹角为 45°，安装位置距积分球中心水平方向51_。监视探测器1-5安装在所述积分球监视探测 器接口上，与垂直方向成45°角，监视探测器选用日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二 极管。
[0028] 光栏及快门2主要用于扣除杂散光和测量环境背景，其中光栏用表面涂有黑漆的 铁板制作，其开口直径为? 100mm，快门选用美国MG公司的04ESC121型电动快门。
[0029] 光学准直系统3由平面反射镜及支架、离轴抛物面镜及支架和第一一维电动平移 台组成，平面反射镜和离轴抛物面镜材料为K9玻璃，K9玻璃有优良的光学性能，物理、化学 性能稳定，平面反射镜和离轴抛物面镜表面镀铝膜，平面反射镜口径为〇 100mm，离轴抛物 面镜焦距为1000mm，波像差优于入/8,离轴量为180_，口径为①150_。第--维电动平 移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动平移台，其定位精度为50ym。
[0030] 所述光学准直系统3在校准带有望远系统的仪器（如星敏感器）时使用，由所述 平面反射镜进行折转光路，平面反射镜通过支架安装在所述第一一维电动平移台上由所述 数据采集及控制计算 机5控制移入光路，将所述积分球光源系统1出射光阑1-2出射的光 反射到离轴抛物面镜上，积分球光源系统1出射光阑1-2位于离轴抛物面镜的焦面上，经离 轴抛物面镜反射的光束为准直光束，由标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2分别接收。在 校准不带有望远系统的仪器（如弱光照度计）时，平面反射镜由所述计算机5控制移出光 路，在距离所述积分球光源系统1出射光阑1-6-米并且垂直光路的方向，由标准微弱光探 测器4-1和被校仪器4-2分别接收来自积分球光源系统1的发散光束。
[0031] 探测系统4由标准微弱光探测器4-1、被校仪器4-2、第二一维电动平移台4-3组 成。标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2通过各自的支架安装在第二一维电动平移台 4-3上，第二一维电动平移台4-3选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动平移台， 其定位精度为50ym。根据测量需要，第二一维电动平移台4-3依次将标准微弱光探测器 4-1和被校仪器4-2移入测量光路。
[0032] 根据图3所示，标准微弱光探测器4-1由光学组件、电器组件组成。标准微弱光 探测器4-1的光学组件从外到内依次为精密光阑4-1-1、余弦修正器4-1-2、V(A)滤光片 4-1-3、脉冲计数型光电倍增管4-1-4,其中精密光阑4-1-1用表面涂有黑漆的铁板制作，其 开口直径为〇l〇mm，余弦修正器4-1-2采用乳白玻璃制作，直径为〇20mm;V(A)滤光片 4-1-3采用有色玻璃制成，直径为q)20mm，玻璃采用LB6和LB1组合而成。标准微弱光探 测器4-1的电器组件由高压系统4-1-5、制冷系统4-1-6、甄别器4-1-7和光子计数器4-1-8 组成，其中制冷系统4-1 -6为日本滨松公司生产的M9011型制冷系统，光子计数器4-1 -8为 日本滨松公司生产的C8855-01型光子计数器。高压系统4-1-5对脉冲计数型光电倍增管 4-1-4提供高压；制冷系统4-1-6对脉冲计数型光电倍增管4-1-4实现制冷，保证脉冲计 数型光电倍增管阴极工作在极低的稳定的温度下；甄别器4-1-7对脉冲计数型光电倍增管 4-1-4输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器4-1-7鉴别后的脉冲信号被光子计数器4-1-8累 加计数。
[0033] 标准微弱光探测器4-1根据累加计数的光子数N，通过以下公式得到标准微弱光 探测器接收面上的照度值Ev:
[0035] 其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光 视效能，取值为6831m/W，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。标 准微弱光探测器的输出电流可通过电流表准确测量，而精密光阑的直径采用精密测量显微 镜进行标定，F和S555可直接溯源于光辐射基准低温辐射计。
[0036] 数据采集和控制计算机5装有数据采集卡和测量软件包。测量软件包含有硬件控 制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块。
[0037] 硬件控制模块的功能：其一是控制积分球光源系统1的可变入射光阑1-2和出射 光阑1-6 口径大小自动调节，从而实现l(T3lx~l(T9lx的大动态范围照度调节；其二是控制 电动快门2打开和关闭以采集光信号和背景信号；其三是控制第一一维电动平移台移入、 移出光路，以便实现发散光路和准直光路的切换；其四是控制第二一维电动平移台4-3依 次将标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2移入测量光路。
[0038] 页面模块的功能是在计算机5屏幕上显示显示功能按钮组、第一一维电动平移台 3-3和第二一维电动平移台4-3运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并 调用所述硬件控制模块完成对所述积分球光源1可变入射光阑1-2和出射光阑1-6、电动快 门2、第--维电动平移台和第二一维电动平移台4-3的控制。
[0039] 信号采集模块采集标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2的输出数据并送入存储 模块以excel表格形式保存。
[0040] 计算模块的功能是根据以下公式计算被校仪器4-2的校准系数：
[0042]其中，E、E'分别为标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值和被校微弱光测 量仪器输出的扣除背景的照度值。计算10次测量结果的平均值并作为校准系数测量结果， 同时计算测量结果的不确定度。
[0043] 存储模块利用存储器对原始数据和测量结果进行保存，原始数据和测量结果以文 本文件形式保存，用户可以在Excel或Matlab软件中进行进一步处理。
[0044] 输出模块的功能是调用存储模块中的数据，以数据形式打印测量数据和测量结 果。
[0045] 本发明的弱光光度校准装置在比较法的基础上，结合大动态范围等色温光源衰 减技术、双光路切换技术以及微弱光探测技术，实现了对带有望远系统和不带有望远系统 微弱光测量仪器的高准确度校准，从而解决了l〇_3lx~l(T9lx范围的微弱光测量仪器的校 准难题，能够为微弱光测量仪器的研制提供可靠依据。
【主权项】
1. 一种弱光光度校准装置，其特征在于：包括积分球光源、光栏及快门、探测系统、 以及数据采集和控制计算机； 所述积分球光源由卤素灯、积分球、可变入射光阑、可变出射光阑以及监视探测器组 成；积分球带有入射光孔、出射光孔、挡板以及监视探测器接口，积分球开口的总面积不超 过球内部反射面积的10% ;入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线相互垂直， 挡板处于入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线组成的90°圆心角范围内， 防止入射光直接从出射光孔出射；球体内壁上均匀喷涂多层spectralon材料，挡板喷涂 spectralon材料；可变入射光阑安装在入射光孔，可变出射光阑安装在出射光孔，可变入 射光阑和可变出射光阑受电机驱动，电机受数据采集和控制计算机控制；监视探测器安装 在监视探测器接口；卤素灯为入射光源； 所述探测系统包括标准微弱光探测器、被校仪器和平移台；平移台受数据采集和控制 计算机控制，按要求将标准微弱光探测器或被校仪器送入光路中； 从积分球光源出射的光信号经过光栏及快门后，由标准微弱光探测器和被校仪器分别 采集，并将标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值以及被校仪器输出的扣除背景的照 度值输入数据采集和控制计算机，得到被校仪器的校准系数。2. 根据权利要求1所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：当被校仪器为带有望远 系统的仪器时，在光栏及快门与探测系统之间增加光学准直系统；所述光学准直系统将积 分球光源出射的光调整为准直光束送入探测系统。3. 根据权利要求1所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：所述标准微弱光探测器 由光学组件和电器组件组成；电器组件由高压系统、制冷系统、甄别器、光子计数器组成； 光学组件从外到内依次为精密光阑、余弦修正器、ν(λ)滤光片、脉冲计数型光电倍增管； 高压系统对脉冲计数型光电倍增管提供高压，制冷系统对脉冲计数型光电倍增管实现制 冷，甄别器对脉冲计数型光电倍增管输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器鉴别后的脉冲信 号被光子计数器累加计数。4. 根据权利要求3所述一种弱光光度校准装置，其特征在于： 标准微弱光探测器根据累加计数的光子数Ν，通过以下公式得到标准微弱光探测器接 收面上的照度值Ev:其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光视效 能，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。
【专利摘要】本发明公开了一种弱光光度校准装置，该装置包括含有可变入射光阑和出射光阑的积分球光源，光栏，快门，含有平面反射镜、离轴抛物面镜和一维电动平移台的光学准直系统，含有标准微弱光探测器、被校仪器和一维电动平移台的探测系统及装有测量软件包的计算机；积分球光源的可变入射光阑和可变出射光阑由计算机控制步进电机进行自动调节，实现10-3lx～10-9lx的大动态范围照度调节；光学准直系统中用于折转光路的平面反射镜可通过一维电动平移台由计算机控制移入移出光路，实现双光路的切换，满足不同被校仪器视场要求。本发明解决了弱光照度计、被校星敏感器等微弱光测量仪器的准确校准问题，具有测量准确度高，动态范围大，重复性好，应用前景广的特点。
【IPC分类】G01C25/00, G01J1/00
【公开号】CN104897279
【申请号】CN201510231105
【发明人】范纪红, 黎高平, 杨鸿儒, 侯西旗, 曹峰, 刘瑞星, 桑鹏, 谢毅, 吴沛, 阴万宏
【申请人】西安应用光学研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月7日
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学计量测试领域，涉及一种弱光光度校准装置，尤其涉及一种以照 度可调的积分球光源为基础的大动态范围的弱光光度校准装置。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，星敏感器广泛应用于卫星、飞船、航天飞机和空间站的高精 度姿态确定、空间导航与定位。利用星敏感器进行星光惯性复合制导，提高了抗干扰能力， 有效提高了系统的命中精度。航空星光导航系统提出对星敏感器在（1〇_ 3~10_9)lx范围弱 光照度校准需求，"嫦娥"探月工程提出对飞行器中星光模拟器（照度小于l〇_5lx)的弱光 照度校准需求。此外，单兵综合作战系统不仅提高了我军单兵夜间作战地能力，而且拓展了 单兵作战系统应用范围，针对单兵综合作战系统中的便携式夜视系统提出（KT1~10 _9)lx 范围弱光照度校准需求。因此必须研制弱光光度校准装置实现微弱光测量仪器的弱光照度 的校准。
[0003] 目前，弱光照度测量方法主要采用中性减光片法和等色温衰减法。中国计量科学 研宄院、中国测试技术研宄院和航天三〇三所就是采用中性减光片法将光源的照度进行衰 减，通过与标准弱光照度计的比较实现弱光照度计的校准，但是由于中性减光片法会改变 光源的色温从而影响校准准确度。中科院西安光机所采用等色温衰减法利用带有可变入射 光阑的积分球光源，通过调节入射光阑的口径将积分球光源的照度进行衰减，通过计算积 分球光源的照度值实现星敏感器等的标定。例如，《应用光学》第31卷，第1期上，《一种高 星等标准星光模拟器设计与性能分析》一文中，采用的方法就是等色温衰减法，实现星敏感 器的标定，其积分球光源模拟出的光照度误差为5. 64%。但由于这种方法是计算积分球光 源的照度值实现星敏感器的标定的，也会影响标定准确度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中微弱光测量仪器不能准确校准的问题，本发明提供一种弱光光度 校准装置，具体地说，该校准装置以照度可调的积分球光源为基础，结合双光路切换技术和 微弱光探测技术，通过与标准微弱光探测器比较，从而实现对微弱光测量仪器（如弱光照 度计、星敏感器等）的准确校准。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：包括积分球光源、光栏及快门、探测系 统、以及数据采集和控制计算机；
[0007] 所述积分球光源由卤素灯、积分球、可变入射光阑、可变出射光阑以及监视探测 器组成；积分球带有入射光孔、出射光孔、挡板以及监视探测器接口，积分球开口的总面积 不超过球内部反射面积的10% ;入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线相互垂 直，挡板处于入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线组成的90°圆心角范围内， 防止入射光直接从出射光孔出射；球体内壁上均匀喷涂多层spectralon材料，挡板喷涂 spectralon材料；可变入射光阑安装在入射光孔，可变出射光阑安装在出射光孔，可变入 射光阑和可变出射光阑受电机驱动，电机受数据采集和控制计算机控制；监视探测器安装 在监视探测器接口；卤素灯为入射光源；
[0008] 所述探测系统包括标准微弱光探测器、被校仪器和平移台；平移台受数据采集和 控制计算机控制，按要求将标准微弱光探测器或被校仪器送入光路中；
[0009] 从积分球光源出射的光信号经过光栏及快门后，由标准微弱光探测器和被校仪器 分别采集，并将标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值以及被校仪器输出的扣除背景 的照度值输入数据采集和控制计算机，得到被校仪器的校准系数。
[0010] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：当被校仪器为带有 望远系统的仪器时，在光栏及快门与探测系统之间增加光学准直系统；所述光学准直系统 将积分球光源出射的光调整为准直光束送入探测系统。
[0011] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：所述标准微弱光探 测器由光学组件和电器组件组成；电器组件由高压系统、制冷系统、甄别器、光子计数器组 成；光学组件从外到内依次为精密光阑、余弦修正器、V(A)滤光片、脉冲计数型光电倍增 管；高压系统对脉冲计数型光电倍增管提供高压，制冷系统对脉冲计数型光电倍增管实现 制冷，甄别器对脉冲计数型光电倍增管输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器鉴别后的脉冲 信号被光子计数器累加计数。
[0012] 进一步的优选方案，所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：
[0013] 标准微弱光探测器根据累加计数的光子数N，通过以下公式得到标准微弱光探测 器接收面上的照度值Ev:
[0015] 其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光 视效能，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。
[0016] 有益效果
[0017] 本发明的整体技术效果体现为：
[0018]( -）本发明在比较法的基础上，结合等色温光源衰减技术、双光路切换技术以及 微弱光探测技术，实现了对微弱光测量仪器的高准确度校准，从而解决了l〇_3lx~l〇_9lx范 围的微弱光测量仪器的校准难题，而且使用方便、快捷、省力。
[0019](二）本发明的积分球光源的可变入射光阑和出射光阑由计算机控制步进电机进 行自动调节，可实现l(T3lx~l(T9lx的大动态范围等色温的照度调节。
[0020] (三）本发明采用双光路设计，满足不同被校仪器视场要求。光学准直系统中用于 折转光路的平面反射镜可通过一维电动平移台由计算机控制移入移出光路，实现准直光路 和发散光路的双光路切换。
[0021] (四）本发明的标准微弱光探测器采用热电制冷和光子脉冲计数的方式，采用微 弱信号去噪技术和光子放大稳流技术以降低噪声，提高了探测灵敏度。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明弱光光度校准装置组成框图。
[0023] 图2是积分球光源组成示意图。
[0024] 图3是标准微弱光探测器组成示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
[0026] 正如图1所示，本实施例提供的校准装置由积分球光源系统1、光栏及快门2、光学 准直系统3、探测系统4及数据采集和控制计算机5组成。
[0027] 根据图2所示，积分球光源系统1含有卤钨灯及其电源1-1、可变入射光阑1-2、 积分球1-3、挡板1-4、监视探测器1-5和可变出射光阑1-6组成。卤钨灯选用功率为50W 的齒鹤灯。可变入射光阑1-2和可变出射光阑1-6选用北京卓立汉光仪器有限公司的 APID12-1-D型可变光阑。积分球1-3由直径为150mm的空心球体、挡板、入射光孔、出射光 孔和监视探测器接口组成。积分球所有开口的总面积不超过球内部反射面积的10%。积 分球入射光孔和出射光孔处分别安装有步进电机控制的可变入射光阑1-2和可变出射光 阑1-6,分别用于改变卤素灯的入射通量和积分球的出射通量。积分球球体内壁上均勾喷 涂多层反射比高、无光谱选择性的spectralon材料，该材料可以水洗、适用于室内外环境、 化学稳定性高、易复制。入射光孔和出射光孔与球心的连线相互垂直，为了防止入射光直接 由出射光孔，球内装挡板，挡板喷涂与积分球内表面相同的材料，挡板与水平方向的夹角为 45°，安装位置距积分球中心水平方向51_。监视探测器1-5安装在所述积分球监视探测 器接口上，与垂直方向成45°角，监视探测器选用日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二 极管。
[0028] 光栏及快门2主要用于扣除杂散光和测量环境背景，其中光栏用表面涂有黑漆的 铁板制作，其开口直径为? 100mm，快门选用美国MG公司的04ESC121型电动快门。
[0029] 光学准直系统3由平面反射镜及支架、离轴抛物面镜及支架和第一一维电动平移 台组成，平面反射镜和离轴抛物面镜材料为K9玻璃，K9玻璃有优良的光学性能，物理、化学 性能稳定，平面反射镜和离轴抛物面镜表面镀铝膜，平面反射镜口径为〇 100mm，离轴抛物 面镜焦距为1000mm，波像差优于入/8,离轴量为180_，口径为①150_。第--维电动平 移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动平移台，其定位精度为50ym。
[0030] 所述光学准直系统3在校准带有望远系统的仪器（如星敏感器）时使用，由所述 平面反射镜进行折转光路，平面反射镜通过支架安装在所述第一一维电动平移台上由所述 数据采集及控制计算 机5控制移入光路，将所述积分球光源系统1出射光阑1-2出射的光 反射到离轴抛物面镜上，积分球光源系统1出射光阑1-2位于离轴抛物面镜的焦面上，经离 轴抛物面镜反射的光束为准直光束，由标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2分别接收。在 校准不带有望远系统的仪器（如弱光照度计）时，平面反射镜由所述计算机5控制移出光 路，在距离所述积分球光源系统1出射光阑1-6-米并且垂直光路的方向，由标准微弱光探 测器4-1和被校仪器4-2分别接收来自积分球光源系统1的发散光束。
[0031] 探测系统4由标准微弱光探测器4-1、被校仪器4-2、第二一维电动平移台4-3组 成。标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2通过各自的支架安装在第二一维电动平移台 4-3上，第二一维电动平移台4-3选用北京卓立汉光仪器有限公司的一维精密电动平移台， 其定位精度为50ym。根据测量需要，第二一维电动平移台4-3依次将标准微弱光探测器 4-1和被校仪器4-2移入测量光路。
[0032] 根据图3所示，标准微弱光探测器4-1由光学组件、电器组件组成。标准微弱光 探测器4-1的光学组件从外到内依次为精密光阑4-1-1、余弦修正器4-1-2、V(A)滤光片 4-1-3、脉冲计数型光电倍增管4-1-4,其中精密光阑4-1-1用表面涂有黑漆的铁板制作，其 开口直径为〇l〇mm，余弦修正器4-1-2采用乳白玻璃制作，直径为〇20mm;V(A)滤光片 4-1-3采用有色玻璃制成，直径为q)20mm，玻璃采用LB6和LB1组合而成。标准微弱光探 测器4-1的电器组件由高压系统4-1-5、制冷系统4-1-6、甄别器4-1-7和光子计数器4-1-8 组成，其中制冷系统4-1 -6为日本滨松公司生产的M9011型制冷系统，光子计数器4-1 -8为 日本滨松公司生产的C8855-01型光子计数器。高压系统4-1-5对脉冲计数型光电倍增管 4-1-4提供高压；制冷系统4-1-6对脉冲计数型光电倍增管4-1-4实现制冷，保证脉冲计 数型光电倍增管阴极工作在极低的稳定的温度下；甄别器4-1-7对脉冲计数型光电倍增管 4-1-4输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器4-1-7鉴别后的脉冲信号被光子计数器4-1-8累 加计数。
[0033] 标准微弱光探测器4-1根据累加计数的光子数N，通过以下公式得到标准微弱光 探测器接收面上的照度值Ev:
[0035] 其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光 视效能，取值为6831m/W，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。标 准微弱光探测器的输出电流可通过电流表准确测量，而精密光阑的直径采用精密测量显微 镜进行标定，F和S555可直接溯源于光辐射基准低温辐射计。
[0036] 数据采集和控制计算机5装有数据采集卡和测量软件包。测量软件包含有硬件控 制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块。
[0037] 硬件控制模块的功能：其一是控制积分球光源系统1的可变入射光阑1-2和出射 光阑1-6 口径大小自动调节，从而实现l(T3lx~l(T9lx的大动态范围照度调节；其二是控制 电动快门2打开和关闭以采集光信号和背景信号；其三是控制第一一维电动平移台移入、 移出光路，以便实现发散光路和准直光路的切换；其四是控制第二一维电动平移台4-3依 次将标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2移入测量光路。
[0038] 页面模块的功能是在计算机5屏幕上显示显示功能按钮组、第一一维电动平移台 3-3和第二一维电动平移台4-3运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并 调用所述硬件控制模块完成对所述积分球光源1可变入射光阑1-2和出射光阑1-6、电动快 门2、第--维电动平移台和第二一维电动平移台4-3的控制。
[0039] 信号采集模块采集标准微弱光探测器4-1和被校仪器4-2的输出数据并送入存储 模块以excel表格形式保存。
[0040] 计算模块的功能是根据以下公式计算被校仪器4-2的校准系数：
[0042]其中，E、E'分别为标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值和被校微弱光测 量仪器输出的扣除背景的照度值。计算10次测量结果的平均值并作为校准系数测量结果， 同时计算测量结果的不确定度。
[0043] 存储模块利用存储器对原始数据和测量结果进行保存，原始数据和测量结果以文 本文件形式保存，用户可以在Excel或Matlab软件中进行进一步处理。
[0044] 输出模块的功能是调用存储模块中的数据，以数据形式打印测量数据和测量结 果。
[0045] 本发明的弱光光度校准装置在比较法的基础上，结合大动态范围等色温光源衰 减技术、双光路切换技术以及微弱光探测技术，实现了对带有望远系统和不带有望远系统 微弱光测量仪器的高准确度校准，从而解决了l〇_3lx~l(T9lx范围的微弱光测量仪器的校 准难题，能够为微弱光测量仪器的研制提供可靠依据。
【主权项】
1. 一种弱光光度校准装置，其特征在于：包括积分球光源、光栏及快门、探测系统、 以及数据采集和控制计算机； 所述积分球光源由卤素灯、积分球、可变入射光阑、可变出射光阑以及监视探测器组 成；积分球带有入射光孔、出射光孔、挡板以及监视探测器接口，积分球开口的总面积不超 过球内部反射面积的10% ;入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线相互垂直， 挡板处于入射光孔与球心的连线和出射光孔与球心的连线组成的90°圆心角范围内， 防止入射光直接从出射光孔出射；球体内壁上均匀喷涂多层spectralon材料，挡板喷涂 spectralon材料；可变入射光阑安装在入射光孔，可变出射光阑安装在出射光孔，可变入 射光阑和可变出射光阑受电机驱动，电机受数据采集和控制计算机控制；监视探测器安装 在监视探测器接口；卤素灯为入射光源； 所述探测系统包括标准微弱光探测器、被校仪器和平移台；平移台受数据采集和控制 计算机控制，按要求将标准微弱光探测器或被校仪器送入光路中； 从积分球光源出射的光信号经过光栏及快门后，由标准微弱光探测器和被校仪器分别 采集，并将标准微弱光探测器输出的扣除背景的照度值以及被校仪器输出的扣除背景的照 度值输入数据采集和控制计算机，得到被校仪器的校准系数。2. 根据权利要求1所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：当被校仪器为带有望远 系统的仪器时，在光栏及快门与探测系统之间增加光学准直系统；所述光学准直系统将积 分球光源出射的光调整为准直光束送入探测系统。3. 根据权利要求1所述一种弱光光度校准装置，其特征在于：所述标准微弱光探测器 由光学组件和电器组件组成；电器组件由高压系统、制冷系统、甄别器、光子计数器组成； 光学组件从外到内依次为精密光阑、余弦修正器、ν(λ)滤光片、脉冲计数型光电倍增管； 高压系统对脉冲计数型光电倍增管提供高压，制冷系统对脉冲计数型光电倍增管实现制 冷，甄别器对脉冲计数型光电倍增管输出脉冲的幅度进行比较，经甄别器鉴别后的脉冲信 号被光子计数器累加计数。4. 根据权利要求3所述一种弱光光度校准装置，其特征在于： 标准微弱光探测器根据累加计数的光子数Ν，通过以下公式得到标准微弱光探测器接 收面上的照度值Ev:其中，A为标准微弱光探测器精密光阑的面积、F为色修正系数，Km为最大光谱光视效 能，S555为标准微弱光探测器在波长555nm处的光谱功率响应度。
【专利摘要】本发明公开了一种弱光光度校准装置，该装置包括含有可变入射光阑和出射光阑的积分球光源，光栏，快门，含有平面反射镜、离轴抛物面镜和一维电动平移台的光学准直系统，含有标准微弱光探测器、被校仪器和一维电动平移台的探测系统及装有测量软件包的计算机；积分球光源的可变入射光阑和可变出射光阑由计算机控制步进电机进行自动调节，实现10-3lx～10-9lx的大动态范围照度调节；光学准直系统中用于折转光路的平面反射镜可通过一维电动平移台由计算机控制移入移出光路，实现双光路的切换，满足不同被校仪器视场要求。本发明解决了弱光照度计、被校星敏感器等微弱光测量仪器的准确校准问题，具有测量准确度高，动态范围大，重复性好，应用前景广的特点。
【IPC分类】G01C25/00, G01J1/00
【公开号】CN104897279
【申请号】CN201510231105
【发明人】范纪红, 黎高平, 杨鸿儒, 侯西旗, 曹峰, 刘瑞星, 桑鹏, 谢毅, 吴沛, 阴万宏
【申请人】西安应用光学研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月7日
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