一種遠距離可變焦光譜測量裝置設計

武文彬，左勇，徐永

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

遠距離的光譜測量通常采用加長光纖光譜儀光纖的方法實現，諸如對艦載機著艦的菲涅爾光學助降器的光譜測量就是一種遠距離的光譜測量［1］。然而，這種方法實施起來很不方便。所以，研制能遠距離測量光譜的非光纖光譜測量裝置是非常必要的。

1 遠距離光譜測量裝置總體設計

遠距離光譜測量裝置主要由望遠變焦成像系統、光譜色度計以及三角架和微調機構組成。微調機構主要實現XY水平面內調整、360°旋轉調整以及俯仰調整等功能。望遠變焦成像系統包括光源中心瞄準系統和望遠變焦物鏡系統，主要解決了測不遠和測不弱的問題。光源中心瞄準系統通過調節目鏡瞄準待測光源的中心;望遠變焦物鏡實現了對不同距離處的光源均能聚焦到光譜色度計的入射狹縫上的作用，即采用望遠變焦原理實現了把不同距離處的光源能量準確聚焦入后續光譜測量系統上。最后，入射光被光譜色度計中平面閃耀光柵分光，線陣CCD 對光譜進行探測，實現光譜色度的快速分析，此種方法提高了光譜測試精度和測量范圍。遠距離光譜測量裝置組成框圖如圖1所示。

圖1 遠距離光譜測量裝置組成框圖

望遠變焦系統是與光譜色度計配合使用的，兩者組合到一起構成了遠距離光譜測量裝置。望遠變焦成像系統保證了系統能測量到遠距離處輻射光源的光譜參數。該系統采用望遠變焦原理，通過調節一個膠合透鏡的位置，實現調焦。系統借助瞄準系統對準被測光源，通過組件調節自身焦距并將被測光源清晰成像在光譜色度計的入射狹縫處，光譜色度計輸出光的光譜參數。望遠變焦成像系統通過焦距改變實現了對不同距離處光源聚焦成像，大大擴展了后續光譜色度計的可測量距離范圍。

2 遠距離光譜測量裝置結構設計

遠距離光譜測量裝置結構示意圖如圖2(a)所示，望遠變焦成像系統主要由1 和2 組成。1 為光源中心瞄準系統，2 為望遠變焦物鏡系統，3 為光譜色度計。2 和3 用螺釘緊固連接，相對位置不發生變化，1和2 通過旋轉軸連接在一起，1 可以相對2 旋轉135°，旋轉方向如圖2(b)所示。瞄準系統工作時瞄準系統處于位置1，變焦系統不參與工作;瞄準完成后，移開瞄準系統1，使其處于位置2，此時為變焦系統工作狀態，瞄準系統不參與工作。遠距離光譜測量裝置實物圖如圖3所示。

圖2 遠距離光譜測量裝置結構示意圖

圖3 遠距離光譜測量裝置實物圖

3 遠距離光譜測量裝置光路設計

光源中心瞄準系統由物鏡、十字分劃板、平面反射鏡、目鏡四部分組成。瞄準原理為:聚焦鏡把待測光源的光會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，人眼通過目鏡觀察光源的像。當光源像中心與十字分劃板中心重合時，表示光源正對望遠變焦物鏡，此時可以進行測試。瞄準系統通過定位槽與變焦物鏡結構裝配。測試時去掉中心瞄準系統，此時待測光源的能量通過望遠變焦物鏡進入儀器。

望遠變焦物鏡系統由四組透鏡組成。分別為兩組單透鏡、雙膠合透鏡組合而成。望遠變焦系統中刻度線讀數范圍為4.60 ～9.25，對應的測量距離范圍為1 m～∞。距離為1 m 時應旋轉鏡頭，對準4.60 刻度。測量遠距離光源時應旋轉刻度到9.25。

遠距離光譜測量裝置光路示意圖如圖4所示。被測光源發出的光經過光源中心瞄準系統的物鏡聚焦在十字分劃板上，經過平面鏡反射進入到目鏡系統，調整儀器與待測光源的相對位置，旋轉目鏡鏡頭，直至待測光源的中心與十字分劃板的十字中心重合，即完成遠距離目標的瞄準。旋轉望遠變焦物鏡系統的鏡筒，即調節中間雙膠合透鏡的位置，起到改變鏡頭焦距的作用，保證光源發出光的聚焦光斑位置與入射狹縫位置重合，使在儀器視場內光源的最大能量進入到后續色度測量裝置中。入射光被光譜色度計中平面閃耀光柵分光，線陣CCD 對光譜進行探測［2］，實現光源輻射相對光譜曲線和色度的快速測量。

圖4 遠距離光譜測量裝置光路示意圖

4 遠距離光譜測量裝置光譜特性

采用瞬態光譜儀和標準汞燈光源對遠距離光譜測量裝置的光譜性能進行檢定。標準汞燈照射待測裝置，待測裝置的波長測試結果與光源的標準值進行比較，得到波長測量誤差，判斷儀器的光譜測試精度。標準汞燈:測量范圍210 ～1750 nm，誤差0.01 nm。

第一次試驗采用標準汞燈，直接照射到光譜色度計探測波長，結果如表1所示。

表1 直接照射到光譜色度計的測量結果

第二次試驗采用與第一次試驗相同的標準汞燈光源，經望遠變焦成像系統照射到光譜色度計探測波長，結果如表2所示。

表2 經遠距離光譜測量裝置照射的測量結果

通過試驗結果可以看出，在λ4=576.96 nm 時，遠距離光譜測量裝置的波長測量誤差為0.04 nm，光譜色度計的測量誤差為1.04 nm;在λ5=579.07 nm時，遠距離光譜測量裝置的波長測量誤差為0.07 nm，光譜色度計的測量誤差為0.93 nm。所以，使用遠距離光譜測量裝置測量波長，其測量誤差不比直接用光譜色度計的測量的誤差大，并在一些測量點的測量誤差小于直接使用光譜色度計的測量誤差。

5 遠距離光譜測量裝置色品坐標特性

采用標準鎢帶燈和瞬態光譜儀對遠距離光譜測量裝置的色品坐標測量性能進行檢定。標準鎢帶燈照射待測裝置，待測裝置的色品坐標測試結果與光源的標準值進行比較，得到色品坐標測量誤差，判斷儀器的色品坐標測試精度。標準鎢帶燈:測量范圍2856 K，測量不確定度8k(k=2)。實驗結果如表3所示。

表3 遠距離光譜測量裝置色品坐標檢定結果

通過試驗結果可以看出遠距離光譜測量裝置的色品坐標的測量誤差為0.0040。

6 遠距離測試金鹵燈的光譜特性

采用遠距離光譜測量裝置對相距31.2 m 處的金鹵燈光源進行光譜的測量。

試驗步驟:金鹵燈按所要求的距離放置，打開遠距離光譜測量裝置中光源中心瞄準系統的目鏡、瞄準物鏡的鏡頭蓋，取出望遠變焦系統中的密封罩。將光源中心瞄準系統旋轉至主殼體中心，此時，瞄準鏡頭中的物鏡光軸與望遠變焦物鏡的光軸重合，系統光源發出的光經過平面鏡反射進入到目鏡系統，調整儀器與待測光源的相對位置，旋轉目鏡鏡頭，直至待測光源的中心與十字分劃板的十字中心重合。完成瞄準后，將光源中心瞄準系統旋出，金鹵燈發出的光進入望遠變焦成像系統。根據金鹵燈和遠距離光譜測量裝置的距離，旋轉望遠變焦物鏡筒，改變鏡頭焦距，保證聚焦光斑位置與入射狹縫位置重合。打開測量軟件，輕微調節裝置相對于待測光源的角度和位置，測試光源的輸出光譜相對輻射強度Ⅰr，直至輸出光譜曲線峰值最大為止，說明此時裝置接收到的光源能量最大，這時便得到了待測光源的光譜信息。

實驗結果如圖5所示。

圖5 遠距離測量金鹵燈光試驗結果

通過試驗結果可以看出，金鹵燈的峰值波長為539 nm，并且其色品坐標為(X=0.4749，Y=0.5093)，該裝置可實現遠距離光譜和色品坐標的測量。

7 遠距離光譜測量裝置測量不確定度分析

遠距離光譜測量裝置的測量不確定度［3］主要由四部分引入，分別是:波長標定時光源波長不準確引入的不確定度分量u1;能量標準輻射源不穩定引入的測量不確定度u2;色度計儀器產生系統測量誤差引入的測量不確定度u3和色品坐標重復性測量引入的不確定度分量u4。各不確定度分量的評定方法和數值如表4所示。

表4 遠距離光譜測量裝置測量不確定度

由于以上影響各個分量的因素相互獨立，則相對合成標準不確定度ucr=1.04%;若取k=2，則該裝置的相對擴展不確定度Ur=2ucr=2.1%。

8 結論

設計研制的遠距離光譜測量裝置可實現對波長范圍380 ～780 nm 的光源進行遠距離光譜和色品坐標的測量，其光譜測量誤差好于直接照射光譜色度計的測量誤差，其色品坐標測量誤差為0.0040，相對擴展不確定度為Ur=2.1%。

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

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

［3］馬恒儒，岳峰，鄭克哲，等.光學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.