專利名稱：一種光學透鏡測污裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學儀器應用領域，是一種基于光后向散射理論對光學透鏡表面污染進行自動監測的裝置，適用于在外場在線運行的光學儀器的透鏡污染測量。
背景技術：
目前，很多光學儀器在外場安裝使用，進行氣象、環境保護、生態通量、光通信等領域的在線測量。隨之而來的問題是由于光學透鏡暴露在外場，會受到灰塵或其它污染物的污染，透鏡鏡面的清潔度下降，透射率減小，導致接收或發射的光強變弱，影響到測量結果， 嚴重時會導致儀器無法正常工作。目前，還沒有有效的方法能自動測量出透鏡是否受到污染，以及污染的程度，主要靠人工定時巡查，通過目測觀察透鏡的污染情況。
發明內容
本發明解決的問題是一種光學透鏡測污裝置，通過測量光的后向散射的強度變化，來判斷光學儀器透鏡是否受到了污染，并在污染嚴重時提供報警，告知需要進行清潔維護。本發明解決技術問題采用如下技術方案一種光學透鏡測污裝置，包括光電信號探測部分和測量控制電路，所述光電信號探測部分由LED光源、PIN探測器、濾光片、固定支架構成；LED光源通過固定支架安裝在光學儀器內部被測透鏡后面中心位置，LED光源的發射方向指向透鏡；所述探測器采用PIN光電二極管，通過固定支架安裝在被測透鏡后面中心位置，位于LED光源旁，探測器面源方向朝向透鏡；濾光片粘在探測器面源前端，濾除非 LED光源波段的雜散光；LED光源發出光照射在透鏡面上，透鏡表面的塵埃等污染物會產生后向散射光，探測器接收透鏡面的后向散射光信號，該信號經過測量控制電路的放大、處理后得到被測透鏡面受污染程度，并判斷是否需要輸出報警信號。所述測量控制電路包括單片機、光源驅動電路，前置放大電路、濾波電路、信號解調電路、模數轉換電路、數據輸出電路、存儲器電路；其中LED光源驅動電路，用于提供穩定的LED光源穩定工作電流，光源的開啟、關閉由單片機進行控制。開啟時，采用調制電路對光源進行調制，在工作狀態下輸出的是2. 4K的脈沖光；前置放大電路采用高精度的運放，型號為0PA602，將光電探測器的電流信號轉換成電壓信號，由二級放大電路放大；濾波電路，用于濾去不在調制波段上的干擾信號，由運放TL084構成的二階壓控電壓源帶通濾波電路，把濾波網絡接在運放的同相輸入端，帶通范圍為2300-2500HZ，剛好覆蓋了調制信號所處的頻帶；信號解調電路，用于完成對信號的解調以及放大，采用有效值檢波的方式對信號進行解調，采用專用芯片AD763 ；模數轉換電路，用于把采集到的后向散射光信號轉換成數字量；
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RS-232通信接口電路，用于實現將透鏡污染數據上傳到監控計算機上，以便后臺處理；單片機負責整個測量系統的控制功能，協調各個部分，完成測量過程。包括開啟測量光源、采集控制、模數轉化、判斷污染程度及輸出報警信號。單片機啟動測量時，首先進行系統初始化，再輸出控制信號，驅動電路開啟LED光源，并加上脈沖調制，形成高頻脈沖光，用來去除雜散光的影響；照在透鏡表面的污染物產生后相散射光，被探測器接收，轉化為電流信號，并經過前置放大電路放大；經過放大的信號通過濾波電路，濾除噪聲信號，并通過解調電路進行信號解調，得到后相散射信號強度， 用V表示。在單片機的控制下，通過模數轉換成數字信號進行存儲，利用一元線性回歸方程 T = kV+b(k是比例系數、b是方程截距)求得透鏡的透過率T，當透過率T超過警戒閥值， 即透鏡表面污染程度被認為超過警戒閥值時，通過RS232串口電路輸出報警信號，提醒需要進行透鏡清潔。本發明的原理本發明是基于Mie散射理論，對透鏡面上覆蓋的污染物進行后向散射光強的測量，其強度大小與透鏡面上污染物的堆積濃度相關，可以得到透鏡的透過率， 反映出透鏡的污染程度。后向散射測量透鏡污染的原理如圖1，強度為I0的入射光通過透鏡中的污染顆粒后，光線減弱，鏡面上的污染顆粒將其散射到各個方向，對于與入射角方向夾角在90°到 270°范圍的這部分散射光被稱為后向散射光，如圖2。假設散射粒子為球形的，其半徑r與光的波長λ的比例關系，一股使用衍射參數P表示。P為顆粒周長與光的波長之比，即 P = 2πΓ/λ。顆粒散射光的特性主要取決于衍射參數P。可以劃分出三個基本范圍P << 1、P 1、P >> 1。每種范圍均有其顯著的特點。如果P ^ 1，散射光強度用Mie 氏方程計算。一股的灰塵是由于物體粉碎而產生和分散到空氣中的微粒，但成分與生成前的物質相同，一股都在幾百nm到幾um范圍內，基本上與常用的探測光波長處于同一數量級別。所以，可以用Mie散射理論來計算。根據Mie散射理論，球形顆粒光散射的完備分析解，可表述為以下方程
TIpac (0) = ^1^,0) + 1^0)]( 1)式中Ipa。( θ )- θ方向散射光的強度(按入射光的強度單位計算)，R-觀察點至顆粒間的距離；λ -探測光波長；η-折射率；ρ -衍射參數；ijp，η，θ )-垂直于散射平面的偏振散射光強度；i2(p,n, θ )-平行于散射平面的偏振散射光強度。這時若透鏡單位表面內的顆粒數為N，即透鏡面上污染物的堆積濃度。這里用顆粒的平均粒徑來表示散射體中顆粒的粒徑分布，在某一方面向上的散射強度，就是散射體中個個粒子在這一方向上的散射強度的相加，那么當光入射到一個單位散射體上時，則在距離為R處的散射光強
In (Θ) = ^[/； (Α η, θ) + h (A η, θ)](2 )N-單位體積內的粒子數；式中，入射波長λ、入射光強Ici、探測距離R、被測粒徑的衍射參數P、折射率η是確定時，后相散射光強的強度In(180° )與鏡面上堆積的粒子的濃度N成正比
/,(180°) = ^Γ/； (ΑIBO0) +/2 (Α ,180°)](3 )而透過透鏡的光強為，S卩θ =0°
姻=裝[如 0。)Η(Α ，0。)]⑷所以
/“0。)_ h(p,n,0°) + l2(p,n,00)⑴ /“180。)Z1 (A ,180。) + ,2( A ,180。)1即In (0° )=1(^1^180° )(6)透鏡的透過率可以表示為
/ (0°) K, */w(l80°), \
Κλ其中，I2 =T1為常量。從公式(7)可以看出，通過后相散射光強In(180° )與透鏡的透過率T成比例關系，它直接反應出了透鏡受污染的程度，這就是用光后向散射法測量透鏡面污染的原理。因此，通過實驗標定，可以得到接收電壓強度V關于透鏡透過率的線性回歸方程T = kV+b(8)其中T-透鏡透過率；V-光電探測器的轉換電壓；k_是比例系數；b_是方程截距。探測器與光源的位置保證了 探測器面源上可以接收到光源照射到透鏡面上的 180°后相散射光，公式(8)是單片機計算透過率的基本算法，給出了后向散射光強與透過率的確定關系，能夠判斷出鏡面的受污染的程度。本發明的優點在于(1)本發明利用Mie散射理論后向散射光強與透鏡透過率有很好的線性關系，通過測量后向光散射強度，判斷光學透鏡污染情況，實現了光學儀器的光學透鏡污染自動監測，靈敏度高、結構簡單、易于安裝，為外場光學儀器的正常使用保障；(2)本發明中，LED光源驅動電路實現了恒流供電，保證LED光源輻射出穩定的光強，保證測量的可靠性，并且通過脈沖發生電路實現光源高頻調制，避免了外界雜散光的干擾；(3)本發明中，探測器前端加入了濾光片，避免了外界雜散光的干擾；(4)本發明中，測污過程完全受到單片機控制，可以避免干擾光學儀器的正常使用；(5)本發明探測器及光源體積小、安裝簡易，安裝后不影響光學儀器本身的光學系統。
圖1為本發明的后向散射光信號探測部分組成框圖；圖2為本發明原理示意圖；圖3為本發明的測量控制電路組成框圖；圖4a、4b和如為本發明的電路原理圖；圖5為本發明的單片機實現流程圖；圖6為后相散射信號強度V與透過率T關系。
具體實施例方式如圖1所示，本發明后向散射光信號探測部分包括LED光源1、濾光片2、固定支架3、探測器4構成，LED安裝儀器內部透鏡后方中心位置，發光的方向指向透鏡；探測器采用PIN光電二極管，通過固定支架固定在被測透鏡后方中心位置，位于光源旁，探測器面源指向透鏡表面。濾光片固定在探測器面源前端，濾除雜散光的影響。如圖3所示，本發明的測量控制電路組成包括光源驅動電路、前置放大電路、濾波電路、信號解調電路、模數轉換電路、單片機、輸出接口電路、存儲器電路。其中LED光源驅動電路，用于提供穩定的LED光源穩定工作電流，光源的開啟、關閉由單片機進行控制。開啟時，采用調制電路對光源進行調制，在工作狀態下輸出的是2. 4K的脈沖光。前置放大電路采用高精度的運放Al，將光電探測器的電流信號轉換成電壓信號， 由二級放大電路A2A放大。濾波電路，用于濾去不在調制波段上的干擾信號，運放A2B構成的二階壓控電壓源帶通濾波電路，把濾波網絡接在集成運放的同相輸入端，濾波范圍為 2300-2500HZ，剛好覆蓋了調制信號所處的頻帶。信號解調電路，用于完成對信號的解調以及放大，采用芯片AD763對信號檢波。模數轉換電路，用于把采集到的后向散射光信號轉換成數字量。RS-232通信接口電路，用于實現將透鏡面污染程度的數據上傳到監控計算機上， 以便后臺處理。單片機負責整個測量系統的控制功能，協調各個部分，完成測量過程，包括開啟測量光源，進行采集控制，模數轉化，判斷污染程度及輸出報警信號；所述單片機啟動測量程序，首先進行系統初始化。通過控制光源驅動電路，輸出光功率穩定的光強，并進行了脈沖調制，調制頻率為2. 4K，波形為方波，形成高頻脈沖光，用來去除雜散光的影響。同時，照在透鏡表面的污染物產生后相散射光，被探測器接收，轉化為電流信號，通過前置放大電路放大得到電壓信號進行交流二次放大，經過濾波電路濾除非
6測量光引起的干擾信號，并通過解調電路進行信號解調，得到后相散射信號強度。在單片機的控制下，通過模數轉電路換成數字信號進行存儲記錄，用V表示，利用一元線性回歸方程 (8)，求透鏡的透過率T的線性回歸方程T = kV+b，(k是比例系數、b是方程截距)(8)對該裝置的實驗中首先，在鏡頭表面均勻的噴上一層灰塵粒子時，由于粒子對光的后向散射，原本低電位的信號產生了一個高電位的信號，隨著將粒子漸漸吹去，信號電位又漸漸趨于降低，這就驗證了其高靈敏度特性；然后，在鏡頭表面均勻的噴上一層不同厚度的灰塵粒子，模擬透鏡在外界不同的受到污染的狀態，并測量其透過率T、后相散射光信號強度V，實驗中，分別測量了透過率在1、0. 86,0.7,0. 52四個點，對應的后向散射光強度是 0. 2V、1. 16V、2. 84V、5. 04V。曲線如圖6，橫坐標是后向散射光信號的強度，縱坐標是測量出得透鏡透過率，結果顯示后向散射信號強度與鏡頭透過率具有很好的線性關系。利用一元線性回歸方程，得到電信號強度V關于透鏡的透過率T的線性回歸方程 T = -0.8976*V+0.9658。可以看出，強度與濃度的比值系數k為-0. 8976，方程截距b是 0.9658。當透過率低于50%時，透鏡的污染程度相當嚴重了，不需進行計算了。如圖5所示，本發明中采用單片機89C52負責整個系統的控制功能，協調各個部分工作。系統上電或復位時，首先進行初始化操作，主要包括CPU工作時鐘、A/D電路、串口接口電路、存儲器初始化等操作。控制開啟光源，等光源穩定后讀取后向光強值，經過AD轉換后與原來的基準值比較，如果后向散射光強度增加，說明有光學鏡頭上出現污染，根據前述的公式8判斷污染程度。具體實施中的電路結構如圖如，4b，如所示，包括將光源LED的正極接端子X7，負極接地；89C52單片機啟動后，完成初始化后，通過接線端LED_C0NTR的高低電平控制LED的開啟或關閉，當LED_C0NTR為低時，功率管處于關閉狀態，這時LED不發光，當進入測量周期，單片機輸出高電平，LED_C0NTR為高，由CD4047 產生的2. 4K的頻率可以通過邏輯芯片DlC加載到后續的恒流源電路上。其中，2. 4K的頻率是由芯片⑶4047產生的，它可以輸出單穩態的高低電平。在管腳1和3，管腳2和3之間分別接一個電容和電阻，電容C2和電阻R30的值決定了 CD4047單穩態時輸出的脈沖寬度。 把管腳4、8和14接到高電平上，管腳5、7、9和12連接到低電平上，管腳6作為⑶4047單穩態輸出的激勵信號，下降沿激發管腳10和11進入單穩態狀態。LED的功率管V3采用了大功率MOSFET管IRF640，與運放A4B構成恒定LED發光的壓控電流源。將PIN光電二極管正端掛地，負端接入TP6端，信號前置放大電路和信號探測器直接相連，采用低噪聲前置放大運放Al (OPAeO》，該運放其噪聲小、穩定性好，并且符合增益和帶寬的要求。A2A構成交流放大電路，對探測到的光信號進行放大，并且與前級通過交流隔直電容C18連接，作用是抑制背景干擾，消除探測器上的直流電平，將探測器的Ι/f噪聲的干擾減至最小。為了降低噪聲，本發明在上述前置放大電路的后級增加了由A2B構成的二階壓控電壓源帶通濾波電路，濾波范圍為2300-2500HZ，剛好覆蓋了調制信號所處的頻帶，具有所用元器件較少，性能調節比較方便，輸出阻抗小等特點，濾波后的信號由A2B的7 腳輸出。在信號解調電路中完成對信號的解調以及放大，如圖4c。本發明中采用有效值檢波的方式對信號進行解調，采用芯片信號為AD763，CA的容值決定了平均值時間常數，C2與內部Rl電阻構成RC高通濾波器。U3運放LM318組成直流放大電路，便于后級的AD單元進行模數轉換。 交流信號的有效值可由以下公式表達
權利要求
1.一種光學透鏡測污裝置，包括光電信號探測部分和測量控制電路，其特征在于所述光電信號探測部分由LED光源、探測器、濾光片、固定支架構成；LED光源通過固定支架安裝在光學儀器內部被測透鏡后面中心位置，LED光源的發射方向指向透鏡；所述探測器通過固定支架安裝在被測透鏡后面中心位置，位于LED光源旁，探測器面源方向朝向透鏡；濾光片固定在探測器面源前端，濾光片僅能通過LED光源波段的測量光，用于去除背景光的干擾；LED光源發出的測量光照射在透鏡面上，透鏡表面的污染物會產生后向散射光，探測器接收所述后向散射光信號后，由測量控制電路的放大、處理后得到透鏡表面污染程度，在超過預警閥值時輸出報警信號。
2.根據權利要求1所述的光學透鏡測污裝置，其特征在于所述測量控制電路包括單片機、光源驅動電路、前置放大電路、濾波電路、信號解調電路、模數轉換電路、數據輸出電路，其中光源驅動電路，用于提供LED光源穩定工作電流，并進行脈沖調制，產生頻率在2. 4k的脈沖光，光源的開啟、關閉由單片機進行控制；前置放大電路，將光電探測器的電流信號轉換成電壓信號，由二級放大電路放大后至濾波電路；濾波電路，用于濾去干擾信號；信號解調電路，用于完成對測量信號的解調以及放大，采用有效值檢波的方式對信號進行解調；模數轉換電路，用于把采集到的后向散射光信號轉換成數字量；RS-232通信接口電路，實現將透鏡污染程度數據上傳到監控計算機上，以便后臺處理；單片機，負責整個測量系統的控制功能，協調各個部分，完成測量過程，包括開啟測量光源，進行采集控制，模數轉化，判斷透鏡表面污染程度及輸出報警信號；具體實現為測量時，單片機首先進行初始化，然后輸出控制信號開啟LED光源；光源驅動電路提供穩定的光功率輸出，并進行脈沖調制，形成高頻脈沖測量光，避免測量時受到雜散光的影響；光照在透鏡表面的污染物上產生后相散射光被探測器接收，轉化為電流信號后，并經過前置放大電路放大；經過放大的信號通過濾波電路濾除噪聲，再通過解調電路進行信號解調，得到后相散射光信號強度，用V表示；然后通過模數轉換成將V轉換成數字信號進行存儲，并利用一元線性回歸方程T = kV+b，求出透鏡的透過率T ；當透過率T超過警戒閥，即透鏡表面污染程度被認為超過警戒閥值時，通過RS232串口電路輸出報警信號，提醒需要進行透鏡清潔。
3.根據權利要求1所述的光學透鏡測污裝置，其特征在于所述探測器采用PIN光電二極管。
全文摘要
一種光學透鏡測污裝置，光電信號探測部分由紅外LED光源、探測器、濾光片、安裝支架構成。紅外LED光源通過固定支架安裝在光學儀器內部被測透鏡后方，發射方向指向透鏡；探測器通過固定支架固定在被測透鏡后方；濾光片粘在探測器面源前端，用于去除雜散光的干擾；測量控制電路包括單片機、光源驅動電路、前置放大電路、濾波電路、信號解調電路、模數轉換電路、數據輸出電路、存儲器電路。探測器接收到的后向散射光信號經過測量電路放大、處理后，由中央處理器判斷透鏡面受到的污染程度，并當透鏡表面污染程度超過預警閥值時，輸出報警信號提醒需要進行透鏡清潔。本發明用于監測外場在線運行的透鏡表面污染程度，為系統正常運行提供保障。
文檔編號G01N21/94GK102445458SQ201110314929
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者劉建國, 劉文清, 桂華僑, 王亞平, 程寅, 陸亦懷, 陳軍 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院