大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置的制作方法

本实用新型涉及光学检测技术领域，具体涉及一种大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置。

背景技术：

大型光学反射望远镜采用非球面反射镜，形成观测体的图像。反射式望远镜具有容易制作、色差小和工作波段较宽等优点，已经替代透镜式望远镜，成为天体观察的主流望远镜。大口径反射望远镜的出现，能够探测到宇宙中远达12亿光年的暗弱天体，极大地延伸了人类的眼界，探索到前所未闻的恒星和星系，丰富了人类认识宇宙的范围，取得了一系列新成果，极大地促进天文学的发展。

随着科学技术水平的发展，发达国家相继推出更大口径的反射望远镜，提高探索宇宙的能力。在上世纪七十年代中期，前苏联研制成功口径6米的反射望远镜，安装在俄罗斯高加索山上泽连丘克斯卡亚。目前世界上最大的光学天文望远镜，位于美国夏威夷莫纳克亚山。其双子kecki和keckii分别在1993年和1996年建成，直径都是10米，由36块直径1.8米的六角镜面拼接组成。通过电脑控制的主动光学支撑调节系统，确保镜面处于最佳姿态。1988年，我国在北京天文台河北兴隆观测站，建成口径2.16米反射望远镜。

但是，大口径反射望远镜采用开放式镜筒，反射镜面直接暴露在外面，所以灰尘等外界异物会随着流动的空气进入镜筒并附着在反射镜面镜，长此以往会破坏反射镜表面的镀膜，降低其反射率，影响仪器的探测能力。一般采用定期清洗、镀膜方法，维持反射望远镜的性能。

为了降低维护成本，减少镀膜次数，通过定量测试反射镜面的反射率变化，客观决定镀膜的次数。目前采用接触式反射率测试大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置，测试反射镜面的反射率。这种测试方式存在测量时间长，垂直调试难度高，容易划伤反射镜面，造成永久性损伤等缺点。采用非接触测量方式，会避免划伤反射镜面。但是，非接触测量方式仍然存在以下问题：

(1)在测试大口径反射镜面时，因为没有空间固定常用的光学调节机构，因此需要使用机械手调节准直镜姿态，导致整个测量系统复杂化和庞大化，更严重的是，任何操作失误会伤害测试样品，造成不可估量的损失；

(2)人工调试是比较合理的手段之一，但是，人工调试时，由于不能接触样品表面，在调整过程中很难保证入射光束和样品表面垂直，而且，即使调整到垂直状态，又很难保持这个姿态，无法确保在最佳垂直状态采集数据。

有鉴于此，急需对现有的大型反射镜面的反射率测试结构进行改进，以方便操作，提高数据采集精度。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是现有的大型反射镜面的反射率测试结构存在的测量操作调试难度高，数据采集精度低的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置，包括：

光学测试端，外端设有光学快门，内部设有测试光束通道和自动垂直状态判定模块，其中：

测试光束通道，设置于所述光学测试端的中心，内部设有第一出光单元，输出端设有入光单元，所述光学测试端的外侧设有手动控制进入测量模式的开关；

自动垂直状态判定模块，包括以所述测试光束通道为中心均匀分布的三个反射通道,各所述反射通道包括关于所述光学测试端的中心对称的第二出光单元和光电探测器，各所述第二出光单元出射的平行光束在所述光学测试端的前方汇聚，并经过样品表面形成反射光束，由对应的各所述光电探测器接收反射光束并测得光强；

测试主机,包括光源控制器、分光模块和控制主板，其中：

光源控制器，控制所述第一出光单元和第二出光单元的开关和输出光强，以及光学快门11的开启或关闭；

分光模块，检测所述光学快门关闭/开启状态下，所述入光单元接收到的两个状态下的光谱数据；

控制主板，接收三个所述光电探测器发出的光强数据，对比三个所述反射通道的输出光强值一致性，判定所述光学测试端与待测试样品是否垂直，并根据在判定垂直状态下，所述分光模块检测的两个状态下的光谱数据计算待测试样品的反射率，并将不同时间内测得的反射率数据自动编号保存；

显示模块，显示所述光学测试端与待测试样品的垂直状态，测试成功后的反射率。

在另一个优选的实施例中，所述测试光束通道内，沿其径向依次设有所述第一出光单元、准直透镜、分光束镜和反射镜，所述入光单元为会聚镜，所述分光束镜的中心与所述会聚镜的中心连线与所述光学测试端的中心轴线一致。

在另一个优选的实施例中，各个所述第二出光单元出射的平行光束朝向所述光学测试端的中心倾斜角度θ，所述光电探测器向所述光学测试端的中心倾斜角度θ，θ为5～15゜。

在另一个优选的实施例中，所述第一出光单元为卤素光源，所述第二出光单元为led光源。

在另一个优选的实施例中，所述分光模块内包括分光器件和ad转换器，通过光纤与所述入光单元连接，通过usb数据线传送数据到所述控制主板。

在另一个优选的实施例中，所述显示模块为通过视频数据线与所述控制主机连接的触摸式显示屏，提供操作界面，显示仪器的运行状态、各种参数设定和测量结果。

在另一个优选的实施例中，所述测试主机的正面设有第一光源输出口、光谱仪接口、第二光源输出口和信号线接口,其中所述第一光源输出口、光谱仪接口和第二光源输出口分别与所述光源控制器连接，另一端分别与第一出光单元、光学快门、第二出光单元连接，所述信号线接口与所述分光模块连接，另一端连接所述入光单元。

在另一个优选的实施例中，所述测试主机的背面设有直流适配器接口和usb接口，分别连接电源模块和显示模块，所述测试主机上设有电源开关。

在另一个优选的实施例中，所述光学测试端的外周设有状态指示灯,启动后为绿色,测量过程为红色闪烁。

在另一个优选的实施例中，所述光学测试端的外侧设有防滑脱的手链。

与现有技术相比，本实用新型，利用自动垂直状态判定模块从三个不同的方向出射平行光束，判定各反射光束的光强一致性，并利用光线正反射原理判定光学测试端和样品表面是否处于垂直状态，精度高，测试结果准确；利用光源控制器调整第一出光单元和第二出光单元的开启和光强，并自动调整该光束的强度，尽可能减少光源强度的波动变化对测试结果造成不良影响，进一步提高测试精度；测试端和样品表面处于垂直状态时，立即发出触发信号，控制主板即刻自动采集数据，确保在入射光束和样品表面处于垂直状态时采集数据，提高反射率的测试精度。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理示意图；

图2为本实用新型中测试光束通道的工作原理示意图；

图3为本实用新型中光学测试端的外端面结构示意图；

图4为本实用新型中单通道自动垂直状态判定的原理示意图；

图5为本实用新型中显示模块的主界面示意图；

图6为本实用新型中待测试样品上一个测试点的反射率随波长的变化曲线。

具体实施方式

本实用新型提供了一种大口径光学反射望远镜的反射率检测装置，下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置，包括光学测试端10、测试主机和显示模块14。

光学测试端10外端设有光学快门11，用于遮挡光学测试端10，防止外部光束进入光学测试端10，减少干扰。光学测试端10内部设有测试光束通道50和自动垂直状态判定模块。

测试光束通道50设置于光学测试端10的中心，内部设有第一出光单元51，输出端设有入光单元55，光学测试端10的外侧设有手动控制进入测量模式的开关。

自动垂直状态判定模块包括以测试光束通道50为中心均匀分布的三个反射通道,各反射通道包括关于光学测试端10的中心对称的第二出光单元61和光电探测器62，各第二出光单元61出射的平行光束在光学测试端10的前方汇聚，并经过样品30表面形成反射光束，由对应的各光电探测器62接收反射光束并测得光强。三个反射通道均设置在光学测试端10的外端平面上，从三个位置测量发射出来的输出光强，避免了两个或单个反射通道的偏离造成的检测误差。

测试主机包括光源控制器13、分光模块12和控制主板16。其中：

光源控制器13用于控制第一出光单元51和第二出光单元61的开关和输出光强，以及光学快门11的开启或关闭，具体可通过快门驱动器111进行推动光学快门实现；

分光模块12用于检测光学快门11关闭/开启状态下，入光单元55接收到的两个状态下的光谱数据；

控制主板16用于接收三个光电探测器62发出的光强数据，对比反射通道的输出光强值一致性，判定光学测试端10与待测试样品30是否垂直，并根据在判定垂直状态下，分光模块12检测的两个状态下的光谱数据计算待测试样品30的反射率，并将不同时间内测得的反射率数据自动编号保存。

显示模块14显示光学测试端10与待测试样品30的垂直状态，测试成功后的反射率。

反射率是物体表面反射光强度和入射光强度的比，不仅和入射光的角度，也和入射光的波长密切相关。在这里我们仅仅考虑入射角度等于零的反射率。在实际测试过程，首先采集入射光束的光强，然后采集反射光束的光强，最后根据光强得出反射率。

如图3和图4所示，图3中的虚线代表反射通道的光束，图4中虚线代表待测试样品30平面的法线方向。从第二发光单元发出的光束，形成一束平行光，入射到待测试样品30的测试点，经过表面正反射后，入射到光电探测器62。各第二发光单元和对应的光电探测器62对称分布，构成单个反射通道。如果测试光束和样品30表面处于垂直状态，光电探测器62所接收的光束强度达到最大；如果二者偏离垂直状态，光电探测器62接收的光强会变弱。因此根据光电探测器62接收到的光强大小，可以判断二者之间是否处于垂直状态。为了保证第二出光单元61的出射光束平行，再经过一个准直透镜52形成平行光束。

通过控制第二出光单元61的驱动电流，严格控制第二出光单元61发出的光强在很小的范围波动，可以认定光源发出的光强为恒定值。但是，针对不同反射率的样品30，由于不能事先获知正反射光强的最大值，所以不能依靠单通道测试光路的强度，判定未知反射率样品30表面和入射光束是否垂直。

为了解决这个问题，如图3所示，我们使用三个反射通道，从三个不同的方向，测试反射率样品30表面的正反射光强。根据三个反射通道接收到的正反射光强度是否一致，判定未知反射率样品30表面和入射光束是否垂直。如果入射光束和样品30表面处于垂直状态，三个反射通道的光电探测器62接收到的光强几乎一样。如果入射光束和样品30表面不是处于垂直状态，有的通道接收的光强大一些，其他通道接收的光强就会小一些。三个反射通道的光电探测器62接收到的光强会不一致。

在本实用新型提供的一个实施例中，测试光束通道50内，沿其径向依次设有第一出光单元51、准直透镜52、分光束镜53和反射镜54，测试光束通道50的输出端设有会聚镜，分光束镜53的中心与会聚镜的中心连线与光学测试端10的中心轴线一致。分光束镜53为半反半透镜，反射率为50％，透射率为50％。反射镜54的反射率为100％，使用标准反射镜54，主要用于校正光源输出光强度的波动对测量结果的影响。即使测量环境的温度、湿度和气压等因素导致光源输出光强度发生波动，也可以正常工作，降低仪器的测量精度对测量环境的依赖程度。

在本实用新型提供的一个实施例中，各个第二出光单元61出射的平行光束朝向光学测试端10的中心倾斜角度θ，光电探测器62向光学测试端10的中心倾斜角度θ，θ为5～15゜。此范围内的角度较小，保证第二出光单元61离光束汇聚点约80mm～150mm，这个距离便于人眼观察光斑的重合度。

在本实用新型提供的一个实施例中,第一出光单元51为卤素光源等宽谱光源，第二出光单元61为led光源。卤素光源波长在200～1100nm，更易调节光强，且经过准直镜后出现平行光。而第二出光单元61用于测试光强，光斑重合更易与人眼识别和操作。

在本实用新型提供的一个实施例中，分光模块12内包括分光器件121和ad转换器122，通过光纤41与光学测试端10的入光单元55连接，通过usb数据线42传送数据到控制主板16。

在本实用新型提供的一个实施例中，测试主机的正面设有第一光源输出口、光谱仪接口、第二光源输出口和信号线接口,其中第一光源输出口、光谱仪接口和第二光源输出口分别与光源控制器13连接，另一端分别与第一出光单元51、光学快门11、第二出光单元61连接，信号线接口与分光模块12连接，另一端连接入光单元55。测试主机上的接口便于操作人员根据需要连接到准确位置，测试主机能够对光学测试端10的工作状态进行控制和调整。

测试主机的背面是直流适配器接口和usb接口，分别连接电源模块15和显示模块14，测试主机上设有电源开关。测试主机的背面放置电源模块，电源模块提供直流电源，为测试主机供电，电源开关用于启动或关闭测试主机。

在本实用新型提供的一个实施例中，光学测试端10的外周设有状态指示灯,启动后为绿色,测量过程为红色指示灯闪烁。

在本实用新型提供的一个实施例中，光学测试端10的外侧设有防滑脱的手链。测量过程中操作人员应佩戴手链，保持光学测试端10的位置稳定和安全。

在本实用新型提供的一个实施例中，显示模块14为通过视频数据线43与控制主板16连接的触摸式显示屏，提供操作界面，显示仪器的运行状态、各种参数设定和测量结果。该系统提供【测量】、【垂直自动判定参数设定】、【测试光源强度设定】和【校正】操作功能。在【测量】界面，显示入射测试光束和待测表面的垂直状态，帮助用户进行调节。一旦测试成功，在界面显示当前的测试结果。该结果是所有波段光强的平均反射率。光谱反射率数据自动记录到控制主板16的存储器。利用样品30名称和测试时间，对每一组光谱反射率数据进行编号，便于检索、读取和处理存储数据。在【垂直自判定参数设定】界面，设定垂直状态时三个反射通道之间的最小差值。使用该值判定三反射通道光强度一致性。如果每两个反射通道探测到的光强度之间的差值的绝对值都小于这个值，可以判定测试光束和待测界面处于垂直状态。在【测试光源强度设定】界面，设定测试光源的输出强度。利用反馈的反射光强度，调节输出光的强度，确保其值分布在光谱仪的线性响应区域。在【校正】界面，输入标准样品30的标定值和实际测试值，利用线性拟合方法，自动生成校正参数。最大可以使用三组数据进行校正。

如图5所示，在主界面的主题框显示测试样品30的名称和编号，在显示反射光谱的界面中标注测试时间，测试点的位置以及最大、最小和平均反射率的信息，进一步显示某一点的反射光谱信息。在显示屏既可以显示测试的位置，也可以以颜色显示每个点的反射率状况。可以用绿色表示反射率的至大于85％，黄色表示反射率的至分布于70％至85％之间，红色表示反射率的值小于70％。如图6所示，点击每一个测试点，显示反射率随波长变化曲线。

本实用新型还提供了一种利用上述结构的大口径光学反射望远镜的镜面品质检测装置进行的检测方法，包括以下步骤:

s10.打开电源模块，测试主机启动，光源控制器13控制第一出光单元51和第二出光单元61开启，光电探测器62检测接收的输出光强，光学快门11保持关闭；

s20.按下光学测试端10的开关，进入测量模式，光电探测器62连续检测输出光强，控制主板16对比三个通道的输出光强的一致性，实时判定光学测试端10和样品30表面的垂直状态,其中通过光源控制器13动态调整第二出光单元61的输出光强大小，维持输出光强的稳定；

s30.调整光学测试端10使三个光电探测器62检测到的输出光强相同，且输出光强的平均值大于探测器的背景噪声，控制主板16判定光学测试端10与待测试样品30垂直；

s40.进入测量模式后，光学快门11保持关闭，控制主板16控制分光模块12检测光学快门11未打开时的入光单元55的光谱数据；

s50.判定垂直后，控制主板16通过光源控制器13控制光学快门11开启，进一步检测光学快门11开启后入光单元55的光谱数据，控制主板16根据步骤s40和本步骤中这两个状态下的光谱数据，计算待测试样品30的反射率，并按照时间进行编号保存。

在本实用新型提供的一个实施例中，步骤s30具体包括以下步骤：

s31.θ为10゜，将光学测试端10置于待测试样品30前方110mm处，三个反射通道出射的平行光束会聚于一处；

s32.调整光学测试端10的倾斜状态，使得三个平行光束的光斑完全重合，通过判断三束光的会聚位置，精准确定测试光束的工作距离。

在本实用新型提供的一个实施例中，步骤s40具体如下：

s41.关闭光学快门11，完全遮挡从测试样品30表面反射的光束进入测试光束通道50，第一出光单元51的光束经过准直透镜52形成平行光，假设入射到分光束镜53的光强为ii，其中50％的光束穿过分光束镜53，反射镜54的反射率设为100％，经反射镜54反射后，到达分光束镜53，经分光束镜53反射后最终垂直入射会聚镜形成参考光ir，其光强为ir＝ii×25％；

此时经过分光模块12测量到的光谱强度分布为i1(λ)，其光强分布可以表述为：i1(λ)＝ir(λ)＝ii(λ)×25%；

分光模块12将测量到的上述光强数据发送给控制主板16。

在本实用新型提供的一个实施例中，步骤s50具体如下：

s51.控制主板16控制光源控制器13开启光学快门11，入射到分光束镜53的光束，经分光束镜53反射后，照射到待测试样品30表面，该光束经待测试样品30表面反射，假设光强反射率为r，穿过分光束镜53后，入射到会聚镜形成测试光is，其光强为is＝ii×25％×r；

经过分光模块12测量到的光谱强度分布为i2(λ)，其光强分布可以表述为：i2(λ)＝ir(λ)+is(λ)＝ii(λ)×25％+ii(λ)×25％×r(λ)；

分光模块12将测量到的上述光强数据发送给控制主板16；

s52.控制主板16根据以下公式：计算实时的反射率，并进行编号保存至存储器。

在本实用新型提供的一个实施例中，针对同一个待测试样品30的同一个区域，进行10次测量。

一、试验

1.样品30

我们测试了三组不同的样品30，验证该方法的可行性。这三种样品30分别是爱特蒙特公司出品的镀增强型铝的反射镜54和两款反射型中性密度滤光片。样品30的表面大小50mm×50mm，厚度为1.60mm。厂家提供的反射镜54在450nm～650nm之间的平均反射率分别为39％、75％和80％。

2.试验过程

在测试过程，样品30固定不动。操作人员手持测试端，根据照射到样品30表面的光斑位置，调节手持式的光学测试端10和样品30之间的距离。三通道的照明光斑完全重合后，表明达到所要求的工作距离。微微调整光学测试端10的倾斜姿态，确保三通道的反射光强趋于一致。当三通道的反射光强相等时，会自动采集反射光谱数据，计算所有波长的平均反射率。同时显示测量结果，输出音声，通知操作人员测试完毕。针对同一个样品30的同一个区域，进行10次测量，确定该方法的测量结果稳定性。

3.试验结果

下表列出三种样品30的测量结果。三种样品30的平均反射率的测试结果分别为38.97％、75.16％和80.73％。和差价提供的标定值相比，测试结果的误差分别为-0.21％、0.16％和0.73％。

三组样品30的测试结果的标准偏差分别为0.00241、0.00237和0.00565，最大不超过0.5％，说明该方法具有相当好的稳定性，表明三通道自动垂直判定方法具有很高的判定能力。判定能力越高，可以保证在几乎相同的条件下采集数据，增加了测试结果的稳定性。

本实用新型，利用自动垂直状态判定模块从三个不同的方向出射平行光束，判定各反射光束的光强一致性，并利用光线正反射原理判定光学测试端和样品表面是否处于垂直状态，精度高，测试结果准确；利用光源控制器调整第一出光单元和第二出光单元的开启和光强，并自动调整该光束的强度，尽可能减少光源强度的波动变化对测试结果造成不良影响，进一步提高测试精度；测试端和样品表面处于垂直状态时，立即发出触发信号，控制主板即刻自动采集数据，确保在入射光束和样品表面处于垂直状态时采集数据，提高反射率的测试精度。

本实用新型并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下做出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。