光電高溫計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：輻射源尺寸效應(yīng)（SSE）是光電高溫計(jì)輻射測(cè)溫的重要不確定度來(lái)源之一。文章設(shè)計(jì)了660nm和900nm雙波段光電高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)仿真分析SSE對(duì)測(cè)量精度的影響。光學(xué)系統(tǒng)模擬了觀察光路和探測(cè)光路兩條光路，前端共用透射式物鏡結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?00mm處直徑1mm目標(biāo)源成像，后端經(jīng)過(guò)視場(chǎng)光闌和反射鏡分光后進(jìn)入二次成像的觀察光路和探測(cè)光路。Code V和LightTools的仿真結(jié)果顯示，觀察光路成像質(zhì)量滿足要求，探測(cè)光路的點(diǎn)列圖接近衍射極限，光斑均勻性良好，滿足試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：輻射源尺寸效應(yīng)；光電高溫計(jì)；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類輻射溫度計(jì)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、建筑、電力、電子和冶金等行業(yè)，輻射測(cè)量?jī)x器推動(dòng)著科研和工業(yè)的進(jìn)步，同時(shí)輻射測(cè)溫計(jì)的需求也推動(dòng)著標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的研究和應(yīng)用[1]。光電高溫計(jì)隸屬于輻射溫度計(jì)亮度溫度計(jì)的一種。光電高溫計(jì)是根據(jù)普朗克定律，通過(guò)測(cè)量物體在一定波長(zhǎng)下的單色輻射亮度來(lái)確定物體的亮度溫度的，并采用具體公式計(jì)算其真實(shí)溫度[2]。由于光電高溫計(jì)透鏡表面間的相互反射、光學(xué)系統(tǒng)像差及衍射、光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)中灰塵引起的散射等效應(yīng)[3]，用實(shí)際光電高溫計(jì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)尺寸不同、溫度相同的黑體輻射源的單色光譜亮度時(shí)會(huì)得到不同的響應(yīng)信號(hào)，研究結(jié)果表明實(shí)際光電高溫計(jì)的輸出還與背景輻射強(qiáng)弱有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為光電高溫計(jì)的輻射源尺寸效應(yīng)（size-of-source effect，SSE）。例如采用660nm標(biāo)準(zhǔn)高溫計(jì)在測(cè)量直徑50mm的黑體目標(biāo)時(shí)，SSE會(huì)達(dá)到（1～2）×10-3，相當(dāng)于測(cè)量1000°目標(biāo)輻射源時(shí)測(cè)量誤差為1～2°[4]。

由于SSE的產(chǎn)生因素主要來(lái)自于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究工作，以尋找消除SSE影響的方法。國(guó)外，H.W. Yoon等人研究了光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡和Lyot光闌位置對(duì)光電高溫計(jì)中的SSE的作用[5]。Sakuma F等人研究了光學(xué)系統(tǒng)中的無(wú)透鏡結(jié)構(gòu)裝置在消除SSE影響上的優(yōu)異性能表現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)主要以遮光光闌和限制光闌為主[6]。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的盧小豐等人研究了孔徑光闌的位置設(shè)置對(duì)輻射溫度計(jì)SSE的變化，研究結(jié)果顯示孔徑光闌位于會(huì)聚透鏡之后的SSE明顯小于其他位置，將可調(diào)焦基準(zhǔn)高溫計(jì)SSE減少到1×10-4 [4，7]。張文琦等人研究設(shè)計(jì)了工作波段0.8～1.2μm的近紅外輻射溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)，驗(yàn)證了孔徑光闌位置和尺寸大小在克服SSE的影響時(shí)起著重要作用[8]。中國(guó)科學(xué)計(jì)量院研究了適用于高溫測(cè)量中SSE效應(yīng)的一般性修正公式，適用于高溫計(jì)被測(cè)亮度與輸出信號(hào)成正比的情形[9]，同時(shí)使用間接法測(cè)量SSE，并分析了裝置中三種非理想因素的影響[10]，他們也提出了消除背景輻射影響的SSE計(jì)算模型以適用于低溫測(cè)量[11]。

為了研究輻射源尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的原因，為以后精確修正SSE提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，基于波段660nm和900nm兩個(gè)波段設(shè)計(jì)了一個(gè)光電高溫計(jì)試驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)真實(shí)地模擬光電高溫計(jì)的觀察和探測(cè)光路，并通過(guò)Lighttools軟件對(duì)像面上光斑的均勻性和背景輻射強(qiáng)弱進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果滿足輻射測(cè)溫的精度要求。

2 光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測(cè)輻射源經(jīng)物鏡1成像在視場(chǎng)光闌2，視場(chǎng)光闌中心為直徑0.3 mm的圓孔，周圍面為反射面，用于瞄準(zhǔn)。被測(cè)目標(biāo)的輻射光線經(jīng)過(guò)視場(chǎng)光闌后，其輻射經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡3、限制光闌4和干涉濾光片5、準(zhǔn)直鏡6后匯聚到光電探測(cè)器7上。可轉(zhuǎn)動(dòng)的干涉濾光片輪上有4個(gè)安裝位置，可安裝不同的干涉濾光片，使光束單色化，限制光闌用于減弱輻射能量，使得探測(cè)器工作在線性區(qū)域，8為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的反射鏡，9和10為瞄準(zhǔn)物鏡，11為目鏡，12為人眼。本結(jié)構(gòu)通過(guò)移動(dòng)物鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，即像面不動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)物鏡完成對(duì)700mm附近物距的目標(biāo)聚焦任務(wù)。

3 系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求：物距為700mm，目標(biāo)源直徑1mm，觀察區(qū)域直徑20mm，波長(zhǎng)覆蓋660nm和900nm波段，探測(cè)器敏感面直徑3mm，物鏡口徑50mm，物鏡相對(duì)孔徑1/3，探測(cè)光路中繼鏡頭放大倍率-1，觀察光路中繼鏡頭的放大倍率為-0.27，目鏡放大倍率10×。

根據(jù)物距，目標(biāo)大小和觀察區(qū)域大小可以求得探測(cè)視場(chǎng)2w探測(cè)=0.08°，觀察視場(chǎng)2w觀測(cè)=1.64°，根據(jù)物鏡口徑和物鏡相對(duì)孔徑，可以計(jì)算出物鏡焦距為f'物鏡=150mm；初始結(jié)構(gòu)計(jì)算階段，假設(shè)物距位于無(wú)窮遠(yuǎn)，則視場(chǎng)光闌位于物鏡焦平面上，并求得視場(chǎng)光闌的開(kāi)孔直徑為2f'物鏡tan（w探測(cè)）=2×150×tan（0.04）=0.2mm；考慮到探測(cè)光路中繼鏡頭放大倍率-1，則可以求得探測(cè)器處的像斑直徑為0.2mm，小于探測(cè)器敏感面直徑3mm，滿足要求；為了控制整體結(jié)構(gòu)尺寸不要太大，同時(shí)考慮干涉濾光片的大小，探測(cè)光路中繼鏡頭采用兩片對(duì)稱的準(zhǔn)直鏡頭組成，焦距為f'探準(zhǔn)=40mm，干涉濾光片位于中繼鏡頭中間的平行光傳輸部分，有利于干涉濾光片的濾光效果；探測(cè)光路中繼鏡頭主要其延長(zhǎng)光路的作用，方便與后面的目鏡進(jìn)行拼接，綜合考慮探測(cè)光路中繼鏡頭的放大倍率為-0.27和系統(tǒng)總體尺寸不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，我們采用不同焦距的準(zhǔn)直鏡拼接實(shí)現(xiàn)，其中f'目準(zhǔn)1=157mm，f'目準(zhǔn)2=41.9mm；目鏡放大倍率10×，可以求得目鏡的焦距為f'目=20mm。在確定各透鏡組光焦度的前提下，物鏡采用分離雙片式結(jié)構(gòu)，其他透鏡組均采用雙膠合結(jié)構(gòu)，采用PW法[12]和復(fù)消色差條件可以計(jì)算出各鏡組的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 仿真結(jié)果

采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code V作為仿真軟件，將初始結(jié)構(gòu)帶入軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)總體圖如圖2所示?？紤]到觀察光路需要覆蓋直徑1mm輻射源以外更大的視場(chǎng)，這里設(shè)置觀察光路的視場(chǎng)為直徑20mm的探測(cè)區(qū)域，觀察瞄準(zhǔn)光路的MTF曲線如圖3所示，考慮到人眼的視角分辨率為1.45線對(duì)/毫弧，可以得出結(jié)論，直徑20mm目標(biāo)區(qū)域以內(nèi)的物體均能被人眼清晰看到。

由于探測(cè)光路只探測(cè)直徑1mm的目標(biāo)輻射源，輻射源以外的區(qū)域的輻射光線會(huì)被視場(chǎng)光闌攔掉，因此設(shè)置探測(cè)光路的視場(chǎng)為直徑1mm的目標(biāo)輻射源，其點(diǎn)列圖如圖4所示，由點(diǎn)列圖可以看到，光斑直徑均在0.5mm以內(nèi)，滿足探測(cè)器使用要求。

由于測(cè)試光路光斑的均勻性和背景輻射強(qiáng)弱也關(guān)系到測(cè)試精度，我們采用Lighttools軟件對(duì)測(cè)試光路的成像光斑進(jìn)行了均勻性和背景輻射強(qiáng)弱分析，分析結(jié)果如圖5所示，可以看出成像光斑在探測(cè)器上的輻照度均勻性良好，且目標(biāo)輻射和背景輻射的對(duì)比度明顯，滿足測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)了660nm和900nm雙波段光電高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)模擬輻射源尺寸效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響。光學(xué)系統(tǒng)包括觀察光路和探測(cè)光路兩條光路，前端共用透射式物鏡結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?00mm距離處的直徑1mm目標(biāo)源成像，后端經(jīng)過(guò)視場(chǎng)光闌和反射鏡分光后進(jìn)入二次成像的觀察光路和探測(cè)光路。采用Code V和Lighttools仿真軟件對(duì)觀察光路的成像質(zhì)量和探測(cè)光路的光斑均勻性和背景輻射強(qiáng)弱進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果顯示觀察光路成像質(zhì)量滿足要求，測(cè)試光路的點(diǎn)列圖接近衍射極限，光斑分布均勻且和背景輻射的對(duì)比度明顯，滿足試驗(yàn)要求。

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