紫外光学系统焦距测量仪的功能组成及设计方案

紫外光学系统焦距测量仪用以对紫外光学系统焦距参数进行测量,其主要由紫外光源系统、分划板、紫外平行光管、靶像测量装置等组成,靶像测量装置包括紫外像增强器、供电电源、显微读数系统、三维调节机构等,可对被测紫外光学系统所形成的分划板像尺寸进行检测。

测量仪工作过程:通过光强调节机构,紫外光源系统将所需强度紫外辐射输入透射式分划板,分划板处于紫外平行光管焦平面位置;紫外辐射通过紫外平行光管和被测紫外光学系统后,将在紫外像增强器阴极面形成分划板紫外辐射图像,并显示在荧光屏上,其中紫外像增强器荧光屏所显示图像与阴极面入射紫外辐射图像比例为1∶1;利用显微读数系统对紫外像增强器荧光屏所形成的分划板图像进行观测,获得分划板像尺寸y′,而分划板实际尺寸y和紫外平行光管焦距f均为已知量,利用公式可获得被测紫外光学系统焦距f′。

1.紫外光源系统

紫外光源系统用以为紫外光学系统焦距测量提供所需强度紫外辐射,其应具有输出紫外辐射强度稳定、可调等特点。紫外光学系统焦距测量仪紫外光源系统由南京理工大学设计加工完成。所设计的紫外光源系统主要由紫外光源、光源电源和光强调节机构组成。

(1)紫外光源及其供电电源。

所设计的紫外光源系统采用氘灯作为紫外光源。氘灯发射的是连续光谱,在200～400 nm波长范围内光谱输出较高,发射特性稳定,能够满足紫外光学系统焦距测试需求。本测量仪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型氘灯电源,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8.19所示。

(2)光强调节机构。

所设计的紫外光源系统光强调节机构用以对氘灯发出的紫外辐射强度进行调节,以可调光阑和中性衰减滤光片作为主要调节手段,其中中性衰减滤光片安装于专用滤光片盒内,可调光阑安装于滤光片盒与氘灯连接处。所设计的滤光片调节箱实物如图8.20所示。

滤光片调节箱内有多片滤光片,滤光片两端分别用两个压片夹紧,加以上下两根圆柱形导杆以小角度倾斜放置,通过箱体外与滤光片相连的推杆调节滤光片的位置。中性衰减滤光片选用美国THORLABS公司生产的型号为NEK01S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,满足紫外光学系统焦距测量的辐射强度调节需求。在实验过程中,推进滤光片在通光窗口挡住光源,从而达到迅速衰减光功率的目的;通过调整不同倍数的滤光片来调节光强度,以满足实验需求。

图8.19　7ILD30型氘灯光源及其配套电源

图8.20　滤光片调节箱实物

紫外光源系统中,可调光阑用以对光源输出辐射强度进行精密调节。本设计中,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分划板的辐射强度,从而对光源系统输出辐射强度进行精密调节。可调光阑实物如图8.21所示。

2.分划板设计

分划板用以为紫外光学系统焦距测量提供所需刻线图案,应具备刻线清晰、尺寸明确、高等特点。分划板由南京理工大学研发设计,同时委托南京百花光电有限公司采用石英玻璃光刻加工完成。所设计的分划板采用玻罗板图案,共设计有间距为1mm、2mm、4mm、10mm和20mm的5组线对。所设计的分划板实物如图8.22所示。

图8.21　可调光阑实物

图8.22　分划板实物

3.紫外平行光管设计

紫外平行光管用以为紫外光学系统焦距测量提供所需的无穷远处紫外目标图案,通常有透射式和反射式两种设计方式,可见光平行光管通常采用透射式结构。但适用于紫外波段透过式的光学材料普遍存在透过率低、加工困难、价格昂贵等问题,因此紫外光学系统焦距测量仪紫外平行光管采用反射式结构,并由南京理工大学自行设计加工完成。所设计的紫外平行光管主要由平面反射镜、离轴抛物面反射镜和遮光筒等组成,其光路示意如图8.23所示。

图8.23　反射式紫外平行光管光路示意

离轴抛物面反射镜口径为100mm,焦距为1 000mm,此即为所设计的紫外平行光管焦距,配合所设计的分划板和靶像测量装置,可以满足紫外光学系统焦距测量需求。

4.靶像测量装置

不同于可见光波段光学系统焦距测量,紫外波段无法为人眼直接观测,需采用成像装置将分划板所形成的紫外图像转变为可见光图像,再由人眼进行观测。紫外光学系统焦距测量仪靶像测量装置主要由紫外像增强器、供电电源、显微读数系统、三维调节机构等组成。(https://www.xing528.com)

紫外像增强器为变像管,可将人眼不可见的紫外辐射图像转化为可见光图像,其主要由紫外光电阴极、微通道板和荧光屏组成。其中紫外光电阴极用以将紫外辐射图像转化为电子图像,微通道板可实现电子图像增强;增强后的电子图像在电场作用下加速运动轰击荧光屏,产生可见图像。靶像测量装置中,紫外像增强器选用北方夜视技术股份有限公司生产的规格为φ18mm的紫外像增强器,其阴极面和荧光屏直径都为18mm,图像缩放比为1∶1,如图8.24所示,与所设计的紫外平行光管及分划板配合,满足紫外光学系统焦距测量指标要求。

图8.24　北方夜视公司生产φ18紫外像增强器

采用美国Keysight公司生产的E3633A型稳压直流电源为紫外像增强器提供工作所需的直流电压,如图8.25所示,其具体指标如下。

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8.25　E3633A型稳压恒流源

显微读数系统由读数显微镜与三维调节机构组成。读数显微镜用以对紫外像增强器荧光屏所呈现的分划板图案刻线进行放大测量,以获得精确分划板像尺寸,三维调节机构用以对被测紫外光学系统、紫外像增强器和显微读数系统位置、中心高等进行调节,以确保在测试过程中,测试仪光轴一致。

读数显微镜采用邦亿精密量仪有限公司生产的JC-10型读数显微镜,主要由测微目镜组、物镜组、镜管、镜筒底座组成。其结构简单,操作简单,适用范围广,主要用作测定孔距、刻线宽度等,主要参数如表8.2和表8.3所示。

表8.2　读数显微镜主要参数1

表8.3　读数显微镜主要参数2

三维调节机构采用上海联谊公司生产的二维平移台与手摇滚珠丝杠直线滑台,并通过设计的连接件,改装成三维调节机构。读数显微镜采用涉及的专用夹具进行固定。整个显微读数系统如图8.26所示。紫外光学系统焦距测量仪设备明细和功能如表8.4所示。

图8.26　显微读数系统

表8.4　紫外光学系统焦距测量仪设备明细表和功能

续表