具体设计方案：紫外器件综合性能测试仪

1.紫外均匀光源系统设计

紫外均匀光源系统用以为紫外探测与成像光电系统综合性能测试提供所需紫外辐射信号,要求输出单色波长可选、辐射强度可调、辐射强度均匀、具有较高动态范围的单色紫外均匀光斑,且具备辐射强度指示装置,可对系统出光口光强度进行实时监测,并提供数据接口与计算机进行通信。所设计的紫外均匀光源系统的光谱范围为200～400 nm,单色紫外辐射波长为254 nm、260 nm和280 nm可选。紫外均匀光源系统基本结构包括紫外光源、光源电源、单色滤光片、中性衰减片、可调光阑、挡板、积分球、辐射强度指示装置等。紫外均匀光源系统构成示意如图8.3所示。

图8.3　紫外均匀光源系统构成示意

光源和积分球之间设置有连接结构,连接结构内设计4个插槽槽位,用以放置挡板、衰减片、单色滤光片等辐射强度调节部件。紫外均匀光源系统利用紫外光源产生近紫外波段复合紫外光,通过单色滤光片将复合紫外光变为单色紫外光;通过切换中性衰减片和调节可调光阑对输入进积分球的辐射强度进行粗调和微调,以达到紫外均匀光源系统输出辐射强度调节的目的;积分球用以对单色紫外辐射进一步衰减并对其均匀化,以在光源系统出光口输出单色紫外均匀光斑;辐射强度指示装置由探测器和信号检测装置组成,用以对系统输出单色紫外辐射强度进行实时监测,并可与计算机进行通信,传输辐射强度数据。

(1)光源及其供电电源。

本方案氘灯光源采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的7ILD30型氘灯光源,该光源采用优质透紫外石英双透镜,在200～400 nm透过率高,能量利用充分,可以在大范围内调节焦距以满足不同焦点位置需求,具有发射强度高、稳定性好、寿命长等优点。光源电源采用北京赛凡光电仪器有限公司生产的7IPD30氘灯电源,其具有输出电流漂移小、电流稳定度高等优点。7ILD30型氘灯光源及其配套电源如图8.4所示。

图8.4　7ILD30氘灯光源及其配套电源

(2)挡板。

紫外均匀光源系统中,挡板用以阻挡光源发出的光入射到积分球中,使得光源系统无紫外辐射输出,以检测紫外探测与成像光电系统相关背景性能参数。本方案中,在光源和积分球之间设计有插槽结构,可用于放置挡板及滤光片组件。插槽结构和挡板材质均使用铝材,采用线切割技术,确保加工精度,并且不出现漏光问题。挡板和插槽结构内加工完成后均采用黑色消光漆进行喷涂,防止光反射、散射等现象。

(3)滤光片。

紫外均匀光源系统中,使用单色滤光片用以实现光源系统单色紫外辐射输出,使用中性衰减滤光片对光源输出辐射强度进行调节,实现大动态范围辐射强度调节。按照设计要求,拟购置美国Andover公司生产的中心波长分别为254 nm、260 nm和280 nm的带通紫外单色滤光片,以及美国Thorlabs公司生产的紫外熔融石英反射型中性密度滤光片组,衰减系数从0.1直至4.0,满足紫外均匀光源系统大动态辐射强度调节需求。根据拟购置的单色滤光片及衰减片,设计滤光片专用夹具,用以安装滤光片,并将其放置于插槽结构内,方便实现紫外光源输出辐射波长及强度切换。插槽结构、滤光片专用夹具分别如图8.5和图8.6所示。

图8.5　插槽结构

图8.6　滤光片专用夹具

(4)可调光阑。

紫外辐射均匀光源系统中,可调光阑用以对光源输出辐射强度进行精密调节。本方案中,采用可变孔径光阑,通过转动手轮改变通光孔径控制输入至积分球的辐射强度,从而对光源系统输出辐射强度进行精密调节。

(5)积分球及辐射强度指示装置设计。

紫外均匀光源系统中,积分球用以对单色紫外辐射进一步衰减并对其均匀化,以在光源系统出光口输出单色紫外均匀光斑。积分球设计的主要参数包括积分球尺寸设计、挡板设计、积分球涂层选择3个方面。

积分球直径设计为200mm,光入口直径设计为50 mm,积分球开口直径设计为50mm;同时,在积分球出口偏上方及偏下方分别设置一个监测孔,直径分别为10mm和25mm,用以放置光电倍增管和硅光电池组件。可变孔径光阑、积分球外形结构分别如图8.7和图8.8所示。

图8.7　可变孔径光阑

图8.8　积分球外形结构

积分球挡板主要作用是阻挡未经积分球表面至少两次反射的光束直接出射积分球外,从而改善积分球出口的均匀性。本设计方案中,设计了方形挡板,采用钢板制作,并焊接在积分球靠近光口侧,挡板表面进行均匀喷涂。

积分球内壁涂层采用美国蓝菲光学公司生产的Spectralon反射材料,作为积分球内壁涂层。Spectralon材料在250～2 500nm波长范围内具有高朗伯特性,反射比大于95%。

为实现对光源输出大动态范围辐射强度实时检测,积分球出光口侧设计有两个检测孔,用以安装硅光电池组件和光电倍增管,分别用以检测强光辐射照度和弱光辐射照度。硅光电池响应范围为200～1 100 nm,满足装置紫外辐射照度监测需求,光电倍增管拟采用日本滨松公司生产的H3695-10型光电倍增管组件。该光电倍增管光电阴极为双碱光电阴极,响应范围为160～650 nm,工作电压为1 250 V时,阴极积分灵敏度为108μA/lm,阳极积分灵敏度为184 A/lm,阳极暗电流为0.66 nA,满足对极微弱紫外辐射照度探测需求。

2.靶标设计

在紫外均匀光源系统和紫外光学成像系统之间设计有插槽结构,用以连接光源系统和成像系统,同时提供紫外成像光电系统信噪比和分辨力性能参数测试过程中所需靶标。插槽结构示意如图8.9所示。

图8.9　插槽结构示意

插槽连接件插槽处于紫外光学成像系统焦面上,通过切换槽位内靶标,即可实现紫外成像光电系统性能参数切换测试。紫外成像光电系统信噪比测试过程中需对同一帧图像背景和信号进行检测,计算获得器件信噪比参数,因此信噪比测试靶标设计为半月靶结构,利用紫外光学成像系统将半月靶图像投射于被测紫外成像光电系统探测面上,通过视频采集处理系统对系统输出图像信号进行采集,获得同一帧图像背景和信号,计算获得紫外成像光电系统信噪比参数。半月靶如图8.10所示。

图8.10　半月靶示意

分辨力靶是紫外成像光电系统分辨力测试的关键部件,本方案中,分辨力靶图像采用USAF1951分辨力靶标准,缩放比例为1∶1。分辨力靶及相关夹具由南京理工大学自行设计,委托南京百花光电公司采用石英玻璃光刻加工完成,分辨力靶及其配套夹具示意如图8.11所示。

图8.11　分辨力靶及其配套夹具示意

3.紫外光学成像系统(www.xing528.com)

本设计方案中,紫外光学成像系统采用透射式结构,选用同轴共轭透镜作为紫外光学成像系统。拟选用4只光损小、杂散光小及高保真传递,焦距为50 mm,光圈3.5的优质标准镜头,配合精密机械结构和遮光筒,组成一个共轭透镜组件,以实现紫外光学成像。紫外光学成像系统结构示意如图8.12所示。

图8.12　紫外光学成像系统结构示意

4.测试暗箱及测试夹具设计

测试暗箱为紫外探测与成像光电系统性能参数测试提供了所必需的暗室环境,可降低对测试装置所处实验室环境的照度要求。测试暗箱与三维调节机构协调作用,确保在测试过程中,校准装置光轴一致。本方案所设计的测试暗箱实物如图8.13所示。

图8.13　测试暗箱实物

测试暗箱箱体由箱底、曲板和箱盖组成,箱盖与曲板采用铰链连接;一侧曲板开有直径为100mm的窗口,用以连接紫外光学成像系统;设计有三维调节底座用以支撑测试暗箱箱底,调节底座可以在高低及横向三维方向调节;三维调节底座下部设计有拖板结构,用以将整个调节机构及箱体架设于导轨上方。

测试夹具用于固定被测紫外探测与成像光电系统,以确保在测试过程中被测器件位置不发生移动,同时具备接线装置,以方便测试过程中器件供电连接及信号输出。本方案所设计的紫外探测与光电成像系统夹具实物如图8.14所示。

图8.14　紫外探测与光电成像系统夹具实物

5.供电电源

本方案中选用美国Keysight公司生产的E3633A型稳压直流电源为紫外探测与成像光电系统提供正常工作所需电压,其具体指标如下。E3633A型稳压直流电源如图8.15所示。

①额定输出量程:8 V/20 A、20 V/10(可选)。

②电压输出精度:0.05%+10mV。

③电流输出精度:0.2%+10mA。

④常模电压:＜350μVrms/2mVpp。

⑤常模电流:＜2mArms。

⑥共模电流:＜1.5μArms。

⑦提供RS232接口,RS232与可编程仪器标准兼容。

图8.15　E3633A型稳压恒流源

6.光电信号处理器

光电信号处理器用以对紫外探测光电系统信噪比测试过程中所产生的光电信号进行放大滤波,并对处理后的信号进行数字化处理和计算,需满足测试过程中测试带宽和灵敏度的要求。光电信号处理器由南京理工大学自主研制。信噪比测试光电信号处理器原理框图如图8.16所示。

图8.16　信噪比测试光电信号处理器原理框图

信噪比测试光电信号处理器功能主要依靠以ARM处理器为核心的控制单元完成;控制单元通过不同时序信号,控制A/D转换模块对经放大和滤波的光电信号进行采集,并将其传输至数据计算模块进行数据计算;完成数据计算后,利用显示输出模块将计算结果显示在光电信号处理器显示屏上,并通过串口通信,将相关数据输入计算机。

7.视频采集处理系统设计

视频采集处理系统用以对紫外成像光电系统输出图像信号进行采集、计算和存储。鉴于目前成像光电系统输出格式多采用以PAL制为代表的模拟信号格式输出和以CameraLink为代表的高清数字信号格式输出,所设计的视频采集处理系统需实现对PAL制模拟图像信号和CameraLink高清数字信号同时采集。由于目前还没有视频采集卡可以对模拟信号和数字信号格式视频同时进行采集,视频采集处理系统中,拟采用两块视频采集卡分别对PAL模拟视频信号和CameraLink数字视频信号进行采集。所设计的视频采集处理系统模拟采样精度为14 bit,最高采样速率为100MB/s,系统带宽为7 GB/s。视频采集处理系统构成框图如图8.17所示。

图8.17　视频采集处理系统构成框图

由于紫外成像光电系统信噪比测试技术指标要求,PAL制视频采集卡必须要有高度测试采样精度,通常模拟视频采集卡的采样精度仅为10 bit,无法满足测试要求;经过市场调研,选用美国国家仪器(NI)公司生产的PXIe-5122高分辨率数字化仪,其具有x4 PXIExpress模块,14位分辨率的双同步采样通道,能够以最高速率100MB/s的采样速率从双采样通道中获取数据传送至磁盘;含有多种触发方式,能进行边沿、窗口、视频和数字触发。

CameraLink视频采集卡选用NI公司生产的PXIe-1435数字采集卡,可作为扩展配置、完全配置、中等配置和基本配置CameraLink摄像头的帧接收器,采用20～85MHz像素时钟频率,并且支持10抽头、80位采集,2条CameraLink电缆上具有850MB/s带宽。NIPXIe-1435图像采集卡是各种工业和生化领域图像应用的理想选择。

控制处理器用以实时读取视频采集卡所采集的图像信号,同时进行计算分析,获得紫外成像光电系统性能参数指标,需具备多PXIe插槽、高系统带宽、高运行速率等特点。经过调研,选用NI公司生产的PXIe-1082系列8槽通用交流供电PXI3U机箱,其配有高带宽背板,每个插槽中都能够接受PXIExpress模块,每个插槽具有1 GB/s的专用带宽和7GB/s的系统带宽,背板系统带宽高达4 GB/s,完全能够满足紫外ICCD性能测试软件系统的需求。

存储单元用以对采集的图像信号进行存储,需满足存储量大、存储速度快等特性。选用NI公司生产的NI8260型高速数据储存模块。该模块配有板载PCIExpress SATA控制器,可轻松纳入PXIExpress机箱,在提供3 TB存储空间的同时,仅占用3个PXI插槽。HDD选项包含4 750 GB 2.5英寸笔记本计算机SATA II硬盘,总存储容量高达3 TB。SSD选项包含4个300 GB高性能SSD,总存储容量可达1.2 TB。它支持两类配置:JBOD和RAID-0。RAID-0可提供读写硬盘数据时的最高性能。NI 8260高速储存模块不仅适合高速数据流盘,还能够轻松移动多项测试设置之间的数据或增加PXI系统控制器的存储容量。利用NI8260可满足紫外ICCD性能参数测试过程中的存储容量和存储速度需求。

8.测试软件设计

采用Windows7操作系统下的LabView软件开发平台进行测试软件开发,测试软件将可实现紫外探测光电系统输出光电信号数据采集、紫外成像光电系统输出图像信号采集、被测器件探测面入射辐射照度的测量、性能参数计算等功能,并且可以将测试信息保存到数据库中。测试软件划分为3个主要模块:紫外探测光电系统测试模块、紫外成像光电系统测试模块和数据库模块。紫外探测光电系统测试模块用以实现探测器件输出光电信号采集、探测面入射辐射照度测量、信噪比、动态范围和极限探测能力参数计算等功能;紫外成像光电系统测试模块用以实现紫外成像光电系统输出图像信号采集、被测器件探测面入射辐射照度测量、成像光电系统分辨力、信噪比、动态范围和极限探测能力参数计算等功能;数据库模块完成对测试信息的保存和查询。测试信息主要包括测试管号、信噪比、分辨力、动态范围、入射辐射照度等相关信息,通过连接Access数据库,可以对数据进行删除、添加、修改和查询等。紫外器件综合性能测试仪设备明细和功能如表8.1所示。

表8.1　紫外器件综合性能测试仪设备明细表和功能