引言

随着红外成像系统的作用距离越来越远，其光学系统也朝着大口径、长焦距的方向发展，对于这类光学系统的光谱透射比测量精度要求也越来越高。光谱透射比是评价红外光学系统优良与否的关键性能指标，为了准确评价红外光学系统透射比对红外成像系统成像质量及探测效率的影响，需要对红外光学系统光谱透射比参数进行准确测量和校准。目前国内不少单位采用分光光度计或傅里叶光谱仪来测量滤光片等物方无限远光学系统的光谱透射比，但无法对红外镜头满口径光谱透射比进行测量。

针对以上情况，本文分析比较了几种常用的透射比测量方法^[1-5]，研制了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置。其测量波长范围为2 µm～14 µm，可在一套装置内同时实现物方有限远（如红外镜头）和物方无限远（如红外光窗、光学平板）的红外光学系统光谱透射比高精度测量。

1   测量方法比较

光谱透射比又称光谱透射系数，一般是指透过的辐射能量通量与入射的辐射能量通量光谱密集度之比^[6]。采用何种红外光学系统透射比测量方法，对于被测样品的类型、测量结果的精度等影响都很大。在进行红外光学系统透射比测量时，最常用的方法有积分球法、均匀大面积辐射源法、全孔径透射比法和回返射法^[7-10]，下面将对以上4种常用方法的优缺点进行比较。

1.1   积分球法

积分球法常用于测量可见光学系统轴向透射比，也可用来测量红外波段的光学镜头透射比。该方法的特点是：当辐射信号入射积分球后，由积分球内壁漫反射，探测器接收到的辐射信号只与进入积分球内的辐射能量大小（或积分球内壁辐照度）有关，而不取决于进入光束的截面积和张角。积分球法目前存在的问题是：若测量较大口径光学系统透射比，则积分球尺寸必须随之增大。大尺寸的积分球会严重降低系统的灵敏度，此时则需要提高红外探测器的灵敏度或增大探测器的尺寸，这样才能有效提高系统的信噪比，保证测量精度。

1.2   均匀大面积辐射源法

均匀大面积辐射源法采用均匀性良好的面源黑体作为光源。光源可直接由中继透镜会聚到探测器，也可经过被测透镜会聚到探测器。该方法的特点是，用中继透镜成像于探测器的接收面上，并采用定制的光阑来限制其数值孔径，中继透镜对光源成像光斑总是大于或完全覆盖探测器光敏面。为了提高探测系统的信噪比，采用斩波器对辐射信号进行调制，并通过锁相放大器输出调制信号，以获得较高的仪器灵敏度和精度。

均匀大面积辐射源法一般适用于测量单片透镜透射比。测量由多片透镜组成的望远系统时，由于加入中继透镜改变光线方向，因此虽有光阑的限制，但探测器接收到的辐射能量也会产生偏差。

1.3   全孔径透射比法

全孔径透射比法先用被测透镜将光线直接会聚到探测器像面上，此时探测器输出电信号$ {V_s} $。然后将被测透镜移出光路，将探测器置于光源前方一已知距离处，探测器测得另一电信号$ {V_0} $，此时需要准确测得探测器光敏面与光源之间的距离，还需要知道被测透镜的数值孔径。被测光学系统的透射比由式（1）可得：

式中：$ r $为辐射源有效半径；$ l $为空测时探测器光敏面距辐射源的距离；$ {V_0} $为空测时探测器输出信号；$N_{\rm{A}}$为其数值孔径；$ {V_s} $为实测时探测器输出信号。

当采用该方法测量准直光学系统时，需引入辅助准直光管，将光源放置在该准直光管的焦点上，此时将出射平行光。式（1）中的距离$ l $为准直光管的焦距，在光路中加入光阑，用于限制光束直径，使其正好充满被测件的全孔径。

该方法可用于测量有限和无限共扼成像光学透镜满口径透射比，但无法进行大口径透镜满口径透射比测量。采用该方法需要测量长度量$ r $和$ l $，电压值$ {V_0} $和$ {V_s} $，以及角度$ NA $值，这些参量都有可能引入测量误差。同时还需要较大尺寸的均匀面辐射源，以及灵敏度均匀的探测器。

1.4   回返射法

回返射法采用光的回返射原理实现光学系统透射比的测量，适用于光学平板、红外光学镜头等不同类型的光学系统。黑体辐射源的出射辐射经离轴抛物面反射镜准直后，以平行光束入射到半透半反镜和被测透镜上，而后由平面回返射镜将光束返回，再经过检测透镜、半透半反镜后，最后用离轴抛物面反射镜将准直光束聚焦到探测器的像面上。斩波器用于将直流信号调制为交流信号，可以提升信噪比，增强装置的探测灵敏度。

该方法的主要特点是，检测时需精确调整平面回返射镜，使其位于被测透镜的焦平面上。该方法操作简便，而且能够测量大口径红外光学系统满口径透射比。但该方法结构较为复杂且造价较高，同时对于平面回返射镜与被测透镜之间的定位精度要求很高，容易引入较大的测量误差。

由于积分球法会降低系统探测信噪比，所以更适合测试可见光系统；均匀大面积辐射源法会引入中继透镜；全孔径透射比法会引入辐射源有效半径、测试距离、数值孔径等参量，这些都有可能引入测量误差，导致测量结果误差较大。综合比较4种方法的优缺点，根据测量对象和高精度测量的需求，本文最终选择了回返射法来进行红外光学系统光谱透射比的测量。

2   红外光学系统光谱透射比校准装置组成

红外光学系统光谱透射比校准装置采用回返射法测量原理，可以在一套装置中同时实现物方有限远镜头（如光学镜头）和物方无限远（如红外光窗、光学平板）光学系统光谱透射比的准确测量，解决了采用传统的辅助透镜法自身透射比难以准确消除，以及积分球法能量弱、信噪比低等问题，从原理上保证了光谱透射比的准确测量。校准装置原理框图如图1所示。

图  1  校准装置原理框图

Figure  1.  Schematic block diagram of calibration device

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红外准直光源发出的平行光经过被测件后，被回返射系统沿原路返回，两次经过被测件后，平行光入射到红外光谱分光系统。红外光谱分光系统用于光谱分光，将红外复色光细分为连续单色红外光；辐射探测主光路用于将平行光束会聚到红外单元探测器上，并实现光电转换；信号采集处理系统用于模拟电信号处理和模数转换；计算机测控软件用于光谱透过率测量的控制和数据处理。测量物方有限远红外光学系统光谱透射比时，需要调节回返射镜的距离，使其正好位于被测件的焦面上，并通过调节回返射镜的方位和俯仰角，使反射光线能沿着入射的路径原路返回。

采用回返射法测量时，由于光线两次透过被测样品，故光谱透射比的定义可用式（2）表示为

式中：$ \tau (\lambda ) $为被测光学系统的光谱透射比；$ V(\lambda ) $为被测样品未进入光路时探测器对特定波长输出电压值；$ V'(\lambda ) $为被测样品进入光路时探测器对特定波长输出电压值；$ {V_0}(\lambda ) $为背景测量时探测器对特定波长输出电压值。

2.1   红外准直光源

红外准直光源用于产生测试所需要的红外平行光，由黑体辐射源、半透半反镜和准直抛物面反射镜组成。采用黑体辐射源作为红外光源，能够提供不同辐射温度的标准红外辐射信号。半透半反镜的作用是先将黑体出射的红外辐射反射进入准直抛物面反射镜，由回返射系统两次透射被测的红外光学系统后的光束，再经由半透半反镜透射进入分光和辐射探测系统。准直抛物面反射镜的主要作用是将半透半反镜反射的黑体辐射准直，使得红外辐射以平行光入射被测红外光学系统。

2.2   回返射系统

回返射系统用于将平面波或球面波原路返回，包括平面回返射镜、孔径光阑和多维精密调整机构等。孔径光阑用于限制通光孔径的大小，调节探测器接收的能量，提高测量范围，同时根据客户需求使得其与被测红外光学系统孔径一致。多维调整机构用于放置平面回返射镜，并通过前后、方位、俯仰调节使得平面回返射镜位于被测照相光学系统的焦面上，此时才能使入射光线沿着原路返回，避免由于定位不准引入的测量误差。

2.3   光谱分光系统

红外光谱分光技术目前主要有三种分光方式：光栅分光、圆形渐变滤光片分光和傅里叶分光。光栅分光利用衍射实现分光，其中光栅采用电机控制，扫描一次时间较长，测量速度慢。圆形渐变滤光片分光利用渐变滤光片旋转实现分光，实际上是由多个滤光片组成，其光谱分辨率比较低，目前光谱分辨率最大为对应波长的1%。按波长10 μm计算，其分辨率仅为0.1 μm，很难捕捉被测样品透过率的光谱细节。傅里叶光谱分光装置具有扫描速度快、灵敏度高、光谱分辨率高、光通量高、信噪比高、杂散光抑制能力强等优点，适合用于快速高精度测量^[11-12]。由于傅里叶光谱分光系统分辨率较高、光通量高、测量速度快，对于本身信号比较弱的红外信号探测非常有利，故本文选择傅里叶光谱分光系统来实现光谱分光。傅里叶光谱分光系统的原理如图2所示。

图  2  傅里叶光谱分光系统原理图

Figure  2.  Schematic diagram of system for FTIR

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2.4   红外辐射探测光路

红外辐射探测光路用于将红外光谱分光系统的平行辐射会聚到红外探测器的光敏面上，由会聚抛物面反射镜和红外探测器组成。

会聚抛物面反射镜主要用于将光谱分光装置出射的平行光会聚到探测器，其采用全反射设计，表面镀银膜，在红外波段平均反射率大于95%，满足波长范围2 µm～14 µm的要求。红外探测器主要用于将光信号转化为电信号，由于能决定光能利用率，因此其性能对信号探测非常重要。探测器在中红外区主要用DLATGS探测器和MCT探测器，DLATGS探测器响应效率较MCT探测器小1~2个量级。为了提升系统的探测效率，本文选择液氮制冷的MCT探测器。

2.5   信号采集处理系统

红外探测器将光信号转化为电信号，通过信号处理系统被计算机接收并处理。在探测器信号处理模块中，红外探测器接收到的是微弱信号。由于微弱信号探测容易受到环境和电场的干扰，因而探测器信号电路全部安装在一个屏蔽罩内，尤其是前放电路，除了采用外壳屏蔽外，其与探测器的数据线采用屏蔽线，确保信号不受干扰。为了适应不同信号强度的探测，探测器信号处理模块增加了增益调节功能。探测器信号处理模块组成如图3所示。

图  3  信号采集处理系统原理框图

Figure  3.  Schematic block diagram of system for signal acquisition and processing

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3   实验结果及测量不确定度分析

3.1   实验结果

本文分别采用国防科技工业光学一级计量站的红外滤光器透射比测量装置和红外光学系统校准装置，对2 µm～14 µm波段的中性密度滤光片样品进行了光谱透射比测量。测量实验之前, 首先测出背景辐射电压$ {V_0}(\lambda ) $。设置黑体温度，待黑体升温至设置温度点后，继续稳定30 min，再对黑体辐射进行空测。探测器对黑体辐射输出的电压为$ V(\lambda ) $，探测器输出电压信号经过放大处理后，通过千兆以太网，由计算机进行采集、保存和处理。然后将被测样品放入测量光路，黑体辐射经过两次透过被测样品后，最终入射至探测器。探测器输出电压信号$ V'(\lambda ) $经过放大处理后，运行编好的程序可以输出待测滤光片的光谱透射比$ \tau (\lambda ) $，也可输出被测滤光片的波段平均透射比。

随后，采用国防科技工业光学一级计量站的红外滤光器透射比测量装置，对2 µm～14 µm波段的中性密度滤光片样品进行测量，测量结果如表1所示。

表  1  2 µm～14 µm波段的中性密度滤光片透射比测量结果

Table  1.  Measurement results of transmittance of neutral density filter in 2 µm~14 µm band

测量次数	测量装置
	红外滤光器透射比 测量装置/%	红外光学系统光谱 透射比校准装置/%
1	56.86	56.71
2	56.68	57.44
3	56.87	57.40
4	56.66	57.81
5	56.79	57.02
6	56.76	57.32
平均值	56.77	57.27
相对标准偏差	0.30	1.00

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由表1的测量结果可以看出，本装置与红外滤光器透射比测量装置的相对偏差为0.90%，一致性较好。

3.2   测量不确定度分析

根据红外光学系统光谱透射比校准装置的组成、工作原理和测量过程，分析得出发射率测量重复性主要来源于以下7个方面^[13-15]。

1） 黑体辐射源温度引入的测量不确定度分量$ {u_1} $。

黑体辐射源要求的温度不确定度为0.25 ℃或$ T \times 0.25\text{%} $的最大值，假设为正态分布，则置信概率为95%，$ k = 2 $。按B类方法评定，当黑体温度为50 ℃时，测量不确定度最大，所以黑体辐射源温度不准引入的测量不确定度分量$ {u_1} $为

2） 黑体辐射源发射率引入的测量不确定度分量$ {u_2} $。

黑体辐射源的发射率为0.990±0.005，假设为正态分布，置信概率为95%，$ k = 2 $。按B类方法评定，参考黑体发射率不准引起的相对不确定度$ {u_2} $为

3） 杂散辐射引入的测量不确定度分量$ {u_3} $。

杂散辐射是指照射到仪器探测器上的、与测量波长不同的其他波长的辐射，单色器光谱带宽范围内的波长辐射一般不看作杂散辐射。杂散辐射与照射到探测器上的所有波长的辐射之比称为杂散辐射率。杂散辐射率直接影响测量结果，在仪器波长的极端处，光源的强度降低或者探测器的灵敏度下降会使得杂散辐射变大，按B类方法评定，则：

4） 探测器系统非线性引入的测量不确定度分量$ {u_4} $。

探测器系统非线性引入的测量不确定度分量由探测器校准证书和使用说明书给出，最大为1%。取最大不确定度，按B类方法评定，假设为正态分布，置信概率为95%，k=2，则标准不确定度$ {u_4} $为

5） 漂移引入的测量不确定度分量$ {u_5} $。

漂移引入的测量不确定度分量$ {u_5} $可由实验得到，实验测得装置的漂移不超过0.30%，按B类方法评定，则：

6） 回返射镜调节定位不准引入的测量不确定度分量$ {u_6} $。

回返射镜调节定位不准引入的测量不确定度分量不超过0.50%，按B类方法评定，则：

7） 测量重复性引入的测量不确定度分量$ {u_7} $。

测量重复性引入的测量不确定度分量，按A类方法评定，则：

由于各不确定度分量之间独立且不相关，则合成测量不确定度为

取$ k = 2 $，则相对扩展不确定度$ U $为

4   结论

本文研制了一种红外光学系统光谱透射比校准装置，具有光谱宽、光谱分辨率高的特点。对测量结果进行分析，结果表明，该系统实现了2 µm～14 µm宽光谱范围内的透射率测量，且测量结果与红外滤光片测量装置的相对偏差小于1%，并对测量结果进行不确定度分析，测量不确定度为2%。相对于以往的透射比测量装置，该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。研制的光学瞄具宽光谱透射率检测系统可实现对红外镜头、红外光窗等不同类型光学系统的测量，对红外光电武器系统成像质量和探测效率的提升具有实际意义。