红外线透镜穿透率量测技术

Measurement Technology of Transmittance of Infrared Optical System

摘要: 红外光学系统系使用在8~12 μm红外光谱区域，此波段人眼看不到，可见光光学系统的穿透率量测方法无法使用，因此红外光学系统穿透率量测困难度相当高。红外光穿透率量测目前都是使用FTIR光谱仪，此仪器相当昂贵，维护成本高。本研究整合红外感测电路与精巧型红外准直光束进行红外光学系统穿透率的量测。量测系统由2mm红外准直光束、热电堆检知器(Thermopile sensor)、OP放大器与A/D IC及微处理器等所组成。热电堆将热辐射转换成模拟电子信号，此微弱电子信号再被OP放大器放大、A/D IC转换成数字、8051微处理器处理及量测结果经LCD显示器显示。待测镜组规格：焦距19mm，光圈f/1.1与镜组材料为黑钻石(Black Diamond™ chalcogenide glass)。镜组穿透率经测试结果为89%。

Abstract: Infrared optical system is used in 8~12 μm range of infrared spectrum, which cannot be seen by human eyes, and the transmittance measurement method of visible optical system cannot be used, and the transmittance of infrared optical system was difficult to measure. At present, FTIR spec-trometer is used to measure transmittance of infrared optical system, which is very expensive and expensive to maintain. In this study, the transmittance of infrared optical system is measured by integrating the infrared sensing circuit and the smart infrared collimating beam. The measurement system consists of 2 mm diameter infrared collimating beam, thermopile sensor, OP amplifier, A/D IC and microprocessor. The thermopile converts the thermal radiation into analog electronic signal, and amplifies by OP amplifier, converted into digital by A/D IC, processed by 8051 microprocessor and displayed by LCD. The specifications of the lens to be tested are: focal length 19 mm, the f-number f/1.1 and the material of the lens was made by the black diamond. The test result of transmittance of the lens was 89%.

1. 前言

近年来，随着光电产业蓬勃发展、产值不断提升，光学系统需求愈殷切，尤其在光学系统的轻量化、小型化与高精度化后，光学系统对光学组件加工与组装的公差的要求更严谨，因此光学系统的检测更加重要。有鉴于此，需要不断提升光学系统检测技术，且针对业界需求开发新型量测机台。一般可见光光学组件穿透率检测方式是采取光谱仪。至于红外光学系统因为系使用在不可见光区，眼睛看不到，无法利用可见光光学组件穿透率量测方法进行量测。红外穿透率量测目前都是使用FTIR光谱仪，此仪器相当昂贵，维护成本又高。而红外光学系统穿透率量测的人才相当缺乏，资源也比较少，红外光学系统相关制造与量测装备都比较昂贵，因此量测技术的发展也受限制。本文所采用红外线穿透率测试装置系针对红外光学系统穿透率量测所设计，这个技术系结合1) 红外准直光束与热电堆检知器(thermopile sensor)、2) 放大电路与A/D IC及3) 微处理器单元等三种技术。

2. 基本原理 [1] [2]

一般而言，当一个平面波碰到一个接口，在不考虑介质吸收的情况下，部份波被折射，部份波被反射，而描述穿透光、反射光与入射场的比值叫做Fresnel公式。几何光学中折射定律与反射定律，入射光束、折射光束、反射光束与界面的法线是在同一平面上。由求解麦克斯威尔方程式，并加上必要的边界条件给出与几何光学一样的结果：反射角与入射角一样，但差个正负号，而折射角依Snell定律而定。由入射光传播向量、反射、折射及法线构成的平面叫做入射面，如图1所示电场永远都可以分成二个分量，一个与入射面平行，另一则是与入射面垂直。平行的分量被称p、π或者TM (transverse magnetic)偏振，而垂直分量被称作s、σ或TE (transverse electric)偏振(s源自德文「senkrecht」，意指正交)。如果我们注记入射角叫θ_i，折射角叫θ_t，而反射光振幅与入射光振幅比值叫做r，透射(折射)光振幅与入射光振幅比值t，则Fresnel公式如下：

$\text{TE:}\gamma \perp =\frac{\cos \theta -\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }}{\cos \theta +\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }}=-\frac{\sin \left({\theta }_i-{\theta }_t\right)}{\sin \left({\theta }_i+{\theta }_t\right)}$ (1)

$\text{TE:}\gamma \parallel =\frac{n^2\cos \theta -\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }}{n^2\cos \theta +\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }}=-\frac{\tan \left({\theta }_i-{\theta }_t\right)}{\tan \left({\theta }_i+{\theta }_t\right)}$ (2)

$\text{TE:}t\perp =\frac{2\cos \theta }{\cos \theta +\sqrt{n^2-{\sin }^2\theta }}=\frac{2\sin {\theta }_t\cos {\theta }_i}{\sin \left({\theta }_i+{\theta }_t\right)}$ (3)

(4)

在公式(1)~(4)中，n是入射光所在介质的折射率，n'是折射光所在介质的折射率。另外我们假设介质的磁导率μ (permeability)与真空中一样(μ = μ' = μ₀)。反射率R (在反射光束里所含的入射光强度)是由振幅反射系数r的平方所给定，其形如下：

$R_s=r_s{r}_s^{\varnothing },R_p=r_p{r}_p^{\varnothing }$ (5)

可以证得

${\left|r_s\right|}^2+{\left|t_s\right|}^2=1,{\left|r_p\right|}^2+{\left|t_p\right|}^2=1$ (6)

公式(6)可以解释成光在二介电物质的界面上能量是守恒的。一般而言，s跟p偏振反射率是不一样的，只有在正向入射时，反射率才会一样，亦即：

$R_{s,normal}=R_{p,normal}=\left[\frac{n-n^{\prime }}{n+n^{\prime }}\right]$ (7)

考虑典型空气、玻璃界面(n = 1.0, n' = 1.5)，公式(7)告诉我们一个熟知的结果：一个未镀膜的玻璃反射光界面有4%反射损光。每个光束的入射电场在一接口会被分成s和p的分量。Fresnel公式会用来计算透射场的振幅，而每个光束的s与p方向是由光束方向及法线向量来决定。通常在面上的每个光束都会不同。所以对一个非平面波入射在非平面上整个s及p方向，通常不容易定出(图1)。

Figure 1. Refraction and refraction at an interface between two media

图1. 在两个介质之间的反射与折射

公式(7)是光穿透两个不同介质、且在无吸收损失状况下，计算出光线的在一界面上的反射率值，利用此由一界面推导出的公式可进一步推展至单片镜片及多片镜片光学系统反射率的计算。通常为简化计算流程，可以假设平行光以垂直入射镜片表面，即以平行光沿光轴方向入射以初估反射率值。可以利用公式(5)使用计算器作更精确计算，本研究红外光学系统穿透率量测技术可以利用公式(5)与(7)先做理论分析与计算，当作实验的依据。

3. 系统架构

本系统由发射端、接收端、待测红外光学系统及电子电路所组成，发射端IR光源使用薄膜陶瓷材料(thin film ceramic)当红外线辐射体，经准直镜发射准直光。IR光源所使用的薄膜陶瓷发射体是奈米结构为无定形的碳薄膜电阻器，保护光窗使用ZnSe材料当做的，其穿透率光谱范围0.55~20.0 μm，因此辐射波长范围也是0.55~20.0 μm。接收端使用热电堆检知器(thermopile sensor)感测红外线信号。图2所示为红外光学系统穿透率量测系统装置方块图，由红外准直光束、热电堆检知器、OP放大电路与A/D IC及8051微处理器等所组成。图3(a)所示为红外光光源配上抛物面镜形成准直系统外观图，图3(b)所示为红外光源调制曲线 [3]，图中红线代表工作周期(duty cycle) 25%，蓝线代表工作周期(duty cycle) 50%。在调制频率100 Hz以内时，红外光源调制深度达50%。

Figure 2. Measurement system block diagram

图2. 量测系统方块图

(a) (b)

Figure 3. (a) Thin film infrared source and parabolic mirror; (b) IR source modulation curve

图3. (a) 薄膜红外光源和抛物面反射镜；(b) 红外光源调制曲线

红外光源为正方形1.5 mm × 1.5 mm，有效发射面积2.25 mm²，需扩束为外径30 mm，调制频率最高达100 Hz。使用TO-5包装，工作温度500℃~750℃，寿命三年。热型检知器的热电堆系由116个小型热感测单元所组成，小型热感测单元直径大小为545 μm，用金属壳封装，图4所示为热电堆检知器外观图。热电堆器(thermopile)前有一5~12 μm的宽带光谱窗口滤光片 [4] [5] [6]。热电堆检知器相关光电参数特性如表1所列，输出电压与输入温度特性如图5所示，图5中A与E曲线分别代表不同光谱特性的滤光片。因为红外信号非常弱，thermopile之后需使用低噪声的高放大倍率的OP放大器放大。为提高系统分辨率OP放大器之后使用13 Bit的A/D converter转换成数字信号，此数字信号再经微处理器处理。

Figure 4. Thermopile sensors

图4. 热电堆检知器

Table 1. Optical electrical characteristics

表1. 光电参数特性

Figure 5. Output and input curve

图5. 输入与输出曲线

本装置关键组件包含发射端的红外线光源(IR Source)和接收端检知热辐射源的热电堆组件(Thermopile)，图6所示为系统架构，系统设计时两者的相关电路必须同时考虑进去，设计方法简述如下：IR Source脉冲电路的目的在于将电源端的直流讯号转换成5 Hz、50 % duty cycle的交流讯号，另一方面输入的直流电压值经由ADC接口解析成数字讯号后，透过89C51处理显示在LCD上。根据LCD显示IR Source的输入电压值，转动旋钮调整至需要量测的红外线光源大小。由于Thermopile属于热电型传感器，依据接收到热辐射量产生对应的电压差，不过产生的电压值约为数百μV，前置放大电路的目的在于将Thermopile的讯号做适当的放大，且Thermopile有可能产生负值电压，电路上加上一个晶体管组件使其有稳定的初始电压，利于当Thermopile产生负值电压时可分辨其不同，后端滤波电路则用于滤除由外部进入同时也被放大的60 HZ噪声，将放大后的讯号转换成直流电压准位输出，以适合后续的A/D转换需求。IR Source所需的输入电压和Thermopile的输出电压都是属于模拟讯号，要将得到的电压值显示在LCD显示接口上，须先将其转换成数字讯号。ADC讯号撷取接口在此处就是负责将取得的模拟讯号转换成数字讯号供89C51处理，且不只一个讯号需要ADC做转换，因此ADC讯号撷取接口还有多任务处理的功能，以便根据89C51的需求，分批转换成数字讯号。输入电压的大小及Thermopile量测到的讯号都要在LCD显示器显示数值，而各处讯号处理的中心89C51，它负责传送所需位置给ADC，ADC再传送数值回来给89C51，再透过89C51将对应的LCD的编码解译，并显示在LCD显示器上。

1) IR Source脉冲电路

主动式的红外线光源(IR Source)，选用HawkEye Technologies LLC公司的IR-55型红外光源发射器(IR Emitter)。IR-55可应用在最高6.4 V的工作电压下(交/直流)。提供高达500℃~750℃的红外光源，光源热区1.7 mm × 1.7 mm。加热时间只要35 ms，而冷却时间更只需11.5 ms，快速度的加热、冷却可以令检测时间大幅的缩短。由于IR-55提供了高温的红外线辐射源，这样就可让热电堆感测组件得到更大感度的讯号输出。另一方面，IR-55所幅射出的红外光源温度远大于待测物体本身的温度，因此待测物体的温度变动就变的不重要了，室温下的温度变动并不会影响反射光源的程度。此外我们用交流电压的方式控制IR-55红外线光源强度，交流电压控制会使组件寿命比直流电压方式控制长久。

Figure 6. System structure

图6. 系统架构

为避免红外线光源对待测物产生温升热效应影响，本研究，对红外线光源进行PWM调变，考虑红外线光源加热时间为35 ms，热电堆响应时间也大约为20~40 ms左右，因此设定PWM频率为5 HZ、duty cycle为50%。且每1秒钟PWM停止发射2秒，全部周期为3秒。如图7所示。

Figure 7. PWM modulations

图7. PWM调变

程序进行撷取读值时，必须跳过等待热电堆的响应时间，所以是由PWM上升缘后50 ms开始读值，每5 ms撷取一次，然后求其平均值做为数据。在红外线光源的规格数据中提到，要使其发射的红外线相当于750℃的温度需给予6.4 Volts (AC or DC)，为了使红外线光源达到PWM调变，且整体系统架构为单一电源供给，使用以下电路设计。首先用IC HEF40106B使直流电压转换成频率5 Hz，50% duty cycle的脉冲电压，不过转换后的脉冲电压范围为0~5 V，利用桥式整流的观念，我们使用了许多BJT晶体管组合，使其造成频率5 Hz，6.4 Volts的AC讯号如图8红外线光源电路图。

Figure 8. IR source circuit

图8. 红外线光源电路

以图8为例Q3组件为npn型BJT电路，三个端点分别是Emitter (射极)、Base (基极)、Collector (集极)，电流I_B及I_C的方向是流入基极和集极，而I_E则是流出射极。BJT晶体管主要利用输入电压(V_BE)控制输出电流(I_C)，在不同的工作模式下，V_BE与I_C的关系不同。

2) Thermopile的讯号放大

Thermopile的讯号输出大约只有数十μV~数mV左右，为了后续A/D数据撷取，必须进行高倍数的讯号放大。且因制程及材质的关系其内部阻抗也相当大，约在数十KΩ左右且变化很大，因此放大器的选择即是一项重要的工作。要选用适合的放大器，首先要考虑组件的特性。Thermopile的输出为一直流电压准位且压降微弱，只有数十μV~数mV左右，故选用的放大器带宽并不是我们在意的项目，必须特别注意的是V_OS (Offset Voltage)这项参数。过大的V_OS将会使电压输出失真，因此我们必须选用低V_OS的运算放大器。另外V_OS的温度飘移(Offset Drift)也应尽量选择低的参数值，以增加整个放大电路的稳定性。总和以上要点，我们选用了MAXIM的MAX4238，MAX4238的V_OS在室温下的典型值只有0.1 μV，即使最大值也只有2 μV，且其V_OS温度飘移为10 nV/℃。另外，MAX4238的增益带宽积(GBWP)也高达1 MHZ，在高倍数放大下也不至于失真，各规格特性均可完全符合我们的需求。

Thermopile的结构上约有数50~150 KΩ的内阻，且非定值，不同组件间的内阻差异也很大，为了排除Thermopile内部阻抗的影响，放大器电路设计上必须使用具有高输入阻抗的放大型式。非反向放大器即具有高输入阻抗的特性，此类型放大器输入阻抗一般可有数十MΩ~数百MΩ的等级。

因此Thermopile讯号输出放大的工作，我们采用此一电路模式，并且设定放大器的放大倍率为1001倍，以提供足够大的讯号放大输出。如图9所示为前置放大电路。

Figure 9. Thermopile preamplifier circuit

图9. 热电堆前置放大电路

为了滤除同时也被放大的噪声，在放大器的输出端加上一组低通滤波器，以增进参考电压输出的稳定度使得A/D转换上更加精准。设计的低通滤波器电阻为10 KΩ、电容为1 μF，截止频率为15.9 HZ。完整的放大电路如图10所示为Thermopile前置放大电路。

$fc=\frac{1}{2\text{π}RC}=\frac{1}{2\text{π}\times 10\text{k}\times 1\text{μ}}=15.9\text{Hz}$ (8)

Figure 10. Thermopile preamplifier circuit

图10. Thermopile前置放大电路

3) ADC讯号转换接口

一般使用微处理机或单芯片来做控制时，若外部电路为模拟讯号需将模拟讯号转换成CPU看的懂得数字讯号，常见的IC为ADC0804来做为A/D模拟转数字的硬件IC，此颗IC有8位的分辨率，如果当成一般实验用，这样的分辨率是可被允许的；若需要相当精准的模拟值，这样的分辨率是不够的。以ADC0804为例，其输入电压是0~5 V，一次的A/D转换时间为100 μs，是使用并列阜做为传输接口，想要更快转换速度且更精准的分辨率，我们选用Microchip的MCP3302来进行A/D转换的工作。

MCP3302是一个SPI (Serial Peripheral Interface)串行接口的13bit SAR型模拟/数字转换器(A/D Converter)，可依需求使用4通道单端输入或2通道差动输入，电源电压使用5 V时，取样频率(sampling rate)可以达到100 KHZ，量测误差最大为±1 LSB INL (MCP3302-B)或±2 LSB INL (MCP3302-C)。

MCP3302使用上必须遵循其制定的SPI命令格式来对其进行转换与读取的动作。MCP3302的串行接口有三个入接脚，一个讯号输出接脚，其通讯格式里为一个启始位之后接着4个命令位，此4个位指定了MCP3302的动作模式，分别为1 bit的单端/差动选择位(Single/Diff)和3 bits的channel选择位(D2~D0)。

本研究ADC讯号撷取接口电路图如图11所示。电路图中MCP3302与MCU通讯脚位只使用了4 pin，分别是CLK、DOUT、DIN、ADCS。MCP3302在和MCU的通讯里，属于Slave的周边组件，时序控制皆由扮演Master角色的89C51来决定。CLK为串行接口的频率输入(clock)，CLK的速度决定了SPI的通讯速率。

Figure 11. ADC signal acquisition interface circuit

图11. ADC讯号撷取接口电路图

当MCP3302启动时，电荷储存在取样电容上。取样周期结束后，组件每接收到一个时钟脉冲就转换一位。必须注意的是，如果采用较慢的时钟速率，取样电容将在转换过程中释放电荷。对于MCP3302而言，转换周期(TCONV)内推荐的最低时钟速率为105 kHz，最快不能超过1.2 MHZ。如果不能满足此条件，就可能会使转换的线性误差超过规定值。

4) 单芯片89C51处理器

单芯片微电脑(single chip microcomputer)主要用于控制方面，所以亦被称为微控制器(microcontroller)。单芯片89C51内部含有8位CPU、内存、I/O、串行传输接口、16位的计时/计数器，且使用单芯片89C51有下列几项好处：体积小、接线简单、价格低廉。在本系统中单芯片89C51主要用来控制ADC输入channel选择位、LCD显示数值，处理接受的数据。

5) 红外线检测装置实体

图12(a)所示为系统实体图。包括了IR Source发射端、IR Source脉冲电路设计、Thermopile接收端、前置放大电路、ADC模拟数字转换器、89C51讯号处理单元、LCD显示接口。图12(b)及图12(c)分别为IR Source脉冲电路与Thermopile量测电路。

(a) (b) (c)

Figure 12. (a) System hardware diagram; (b) IR Source pulse circuit; (c) Thermopile measurement circuit

图12. (a)系统硬品图；(b) IR Source脉冲电路；(c) Thermopile量测电路

4. 实验方法与结果

本实验所使用组件与装置详述如下：

1) 测试物品：红外镜组焦距19 mm，其光圈f/1.1，光学材料为黑钻石硫属化物玻璃(Black Diamond™ chalcogenide glass)，其光学特性如表2所列。黑钻石硫属化物玻璃如AMTIR-1，IG6，BD2，GASIR-1及GE等其穿透率光谱范围0.7~20.0 μm如图13所示 [7]。图14所示为红外线镜组外观图。

2) 精密镜片夹具：要求垂直度与平行度。

3) 红外光学系统穿透率量测系统。

4) 实验方法

量测步骤如下：

a. 确认红外光学系统穿透率量测系统在最佳运作状况。

b. Alignment红外准直光束与Thermopile在同一水平面及同一光轴，使Thermopile输出信号最大。

c. 将红外镜组置于红外光学系统穿透率量测系统装置中。

d. 调整红外镜组垂直于远红外准直光束，平移Thermopile，使Thermopile接受到穿透信号最大。确认Thermopile接受到最大信号之后，进行穿透率量测。

e. 改变红外光源强弱，量取不同穿透信号。

f. 进行红外镜组穿透率分析。

Figure 13. Transmittance spectrum of the chalcogenide glass

图13. 硫属化物玻璃穿透率光谱 [7]

Table 2. Optical characteristics of infrared lens

表2. 红外镜组光学特性

Figure 14. Infrared lens

图14. 红外线镜组

5) 红外镜组穿透率(T)的量测结果

穿透率测试值为电压经转换为光强度，再计算穿透率值。同一镜组重复测试36次，表3所列为红外镜组36次，每次穿透率量测数据，平均值0.897，标准偏差0.006123。图15所示为测试值统计图，测试值与原厂数据90%相当一致。在做这个测试之前，先使用三片分别为高、中及低穿透率(T)的红外线平板对系统做校正。

Table 3. Test data of transmittance

表3. 穿透率(T)量测数据

Figure 15. Statistical curve of test data

图15. 测试值统计曲线

5. 结论

本研究利用红外感测组件(Thermopile sensor)与红外准直光束光源进行红外线镜组穿透率的量测。使用组件包括：红外准直光束光源、热电堆检知器(Thermopile)、OP放大器与A/D IC及微处理器等。热电堆将热辐射转换成电子信号，此电子信号再被OP放大器放大，模拟电压信号经A/D IC转换成数字再经8051微处理器处理结果由LCD显示器显示。本装置使用远红外准直光束大小2 mm，蓝宝石光学平板1 mm，穿透率量测重复性精度可达5%。表4所列为本方法与FTIR光谱仪检测法的优劣点比较。

Table 4. Comparison of this method with FTIR spectrometer detection

表4. 本方法与FTIR光谱仪检测法比较