反射比和透射比是评价光学元件、光学薄膜等光学性能的重要参数。随着科学技术的不断进步与发展，激光技术和光学薄膜技术得到迅速的发展，特别是近年来激光陀螺等高新技术工程的出现，对激光光学元件的反射比和透射比要求越来越高，已高于99.95％(高于95.00％的被称为高反射比、高透射比)。但是，目前国内缺乏有效手段来进行和保证高反射比、高透射比这两个参数测量的准确性和可靠性。
目前，高反射比测量方法主要采用的是单次反射法、二次反射法、多次反射法、光腔衰荡法及差动法等，而高透射比是采用分光光度计进行测量。国内现有的成型计量测试手段，在高反射比测量方面大部分是在分光光度计上配以绝对反射附件进行，测量不确定度为1.0％，分辨率和准确度对于反射比大于99.0％的高反射比已不能给出准确结果。在高透射比测量方面是采用分光光度计进行测量，对于透射比大于99.0％的高透射比也不能给出准确结果。因此，目前使用的方法不适合高精度高反射比、高透射比的测量。
国外除了使用分光光度计法进行光学元件反射比、透射比测量之外，据《Rev Sci Instrum》文献第59卷报道，O’keefe和Deacon采用光腔衰荡光谱方法进行光学元件高反射比测量，即利用光腔衰荡光谱法，采用直型和折叠型光腔相结合的复合衰荡光腔，能精确测量COIL(氧碘化学激光)腔镜的实际高反射比，且装置简单，对工作环境要求低，有希望发展成为现场检测手段。但这种测量方法仅适用于脉冲激光源，只能用来测量真空中腔镜的反射比，并且与光学元件的使用条件还有一定差别。

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中光学元件的高反射比、高透射比不能准确测量的问题，提供一种高反射比、高透射比光学测量装置，具体地说，该测量装置以单次反射测量法为基础，并结合激光稳功率技术、双光路测量技术以及精密探测技术，从而实现对光学元件的高反射比、高透射比进行测量。
为解决上述技术问题，本发明提供的高反射比、高透射比光学测量装置包括光源组件、激光稳功率单元、含有第二楔形分束镜和陷阱探测器的监视系统、含有电动快门、积分球探测器和电动转台的探测系统及内置有测量软件包的计算机，陷阱探测器安装在第一五维可调支架上，积分球探测器通过第二五维可调支架安装在电动转台上，被测样品独立安装在样品支架上；所述光源组件发出的激光束由所述激光稳功率单元进行功率稳定，其出射的稳定光束由所述第二楔形分束镜分成两束光，一束光由所述陷阱探测器接收，另一束光经所述被测样品后由所述积分球探测器接收，陷阱探测器和积分球探测器均将光信号转换成电信号后送入所述计算机中；所述测量软件包含有硬件控制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块：所述硬件控制模块的功能是，控制所述电动快门的打开或关闭，控制所述电动转台的转动，同步触发所述积分球探测器和所述陷阱探测器探测背景信号或测量信号；所述页面模块的功能是在计算机屏幕上显示功能按钮组、转台运动控制栏目、信号采集显示栏目和测试结果显示栏目，并结合转台运动控制栏目接收的测试参数和功能按钮组接收的透射/反射测量模式按钮命令，按照透射比测量或反射比测量所对应的时序调用所述硬件控制模块完成对所述电动快门、电动转台、积分球探测器和陷阱探测器的控制；所述信号采集模块的功能是根据功能按钮组接收的采集按钮命令，同步采集所述积分球探测器和所述陷阱探测器输出的背景信号或测量信号，并以曲线方式在所述信号采集显示栏目中实时显示；所述计算模块的功能是依据所述信号采集模块采集的数据，计算所述被测样品单次测量的反射比和透射比：
ρ＝(V1-V)(V0′-V’)/(V0-V)(V1′-V′)(1)
τ＝(V1-V)(V0′-V′)/(V0-V)(V1′-V′)(2)
其中，V、V′分别为积分球探测器和陷阱探测器采集的背景信号，V0、V′0分别为无被测样品时积分球探测器和陷阱探测器采集的测量信号，V1、V′1分别为有被测样品时积分球探测器和陷阱探测器采集的测量信号；之后，计算n次测量结果的平均值并作为被测样品的最终反射比和透射比测量结果，同时计算测量结果的不确定度，n＝1、2、......、N，且8≤N≤20；将测量获得的最终反射比和透射比以及不确定度送入所述测试结果显示栏目显示；所述存储模块的功能是根据所述功能按钮组接收的存储按钮命令，以文本文件形式对原始数据和测量结果进行保存；所述输出模块的功能是根据所述功能按钮组接收的打印按钮命令，调用存储模块中的数据以打印方式输出测量数据和最终测量结果。
根据本发明，所述激光稳功率单元包括含有电光晶体的电光调制器、偏振片、显微物镜、针孔光阑、准直透镜、可变光阑、第一楔形分束镜、反馈探测器和激光稳功率控制器；由激光组件出射的激光束经由电光晶体透射，该透射光束经偏振片转换成线偏振光后，由显微物镜会聚在针孔光阑上并形成多个明暗清晰的衍射圆环，这些衍射圆环再经过准直透镜准直后，由可变光阑在第一级暗环处滤掉中心圆斑外的所有衍射圆环，第一楔形分束镜将可变光阑透过的光滑高斯分布激光束分成两束，一束反射光通过反馈探测器反馈给激光稳功率控制器，另一束光透射到所述监视系统中，激光稳功率控制器根据反馈信号调整电光晶体的透过率，以使进入所述监视系统和所述探测系统的激光束功率稳定。
根据本发明，所述电光晶体的波长范围为350nm～1100nm，所述第一楔形分束镜的工作面上镀制有分光膜，该分光膜的反射率为10％，透过率为90％；当所述激光组件选用He-Ne激光器时，所述显微物镜选用放大倍率为10×的显微物镜，所述针孔光阑选用孔径为25μm的针孔光阑；当所述激光组件选用YAG激光器时，所述显微物镜选用放大倍率为20×的显微物镜，所述针孔光阑选用孔径为50μm的针孔光阑。
根据本发明，所述陷阱探测器采用三片反射式陷阱探测器。
本发明的整体技术效果体现为：
(一)本发明在单次反射测量法的基础上，结合激光稳功率技术、精密探测技术以及双光路测量技术，实现了对光学元件的高反射比、高透射比的测量，从而解决了光学元件高于99.0％的反射比、透射比的测量难题，而且使用方便、快捷、省力。
(二)本发明利用双光路测量技术，使监视系统的陷阱探测器和探测系统的积分球探测器同时采集信号，用于对测量结果的修正，以减小由于激光输出功率的不稳定对测量结果的影响。
(三)本发明中所采用的激光稳功率单元，根据不同的测量波长，对显微物镜的放大倍率和针孔光阑的直径进行了合理匹配，可使本发明中激光测试光束的功率不稳定性小于0.01％。
(四)本发明中的监视探测系统采用了三片反射式陷阱探测器作为监视系统的探测器，这种探测器的总反射率大很低，而且探测器的光电转换效率和响应度相比单个探测器有明显提高；同时，本发明还采用积分球探测器作为探测系统的探测器，这种探测器不仅降低了测量光束光能分布的不均匀性，而且消除了由于探测器自身面响应度不均匀而对测量结果带来的影响，同时还避免了入射光偏振特性对探测器响应的影响。
附图说明
图1是本发明高反射比高透射比测量装置组成框图。
图2是本发明高反射比高透射比测量装置的光路图。
图3是图1中所示的激光稳功率单元组成示意图。
图4是图2中所示的陷阱探测器组成示意图。
图5是图2中所示的积分球探测器组成示意图。
图6是图1中所示计算机的工作流程图。
图7是图6中所示的反射比测量操作流程图。
图8是图6中所示的透射比测量操作流程图。

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
正如图1所示，本发明优选实施例提供的光学测量系统由光源组件1、激光稳功率单元2、监视系统3、探测系统4及计算机5组成。
光源组件1含有He-Ne激光器及其电源、YAG激光器及其电源，分别用于632.8nm波长和1064nm波长反射比、透射比的测量。He-Ne激光器的输出功率为15mW，激光器的稳定性优于1.0％。YAG激光器的输出功率为100mW，发散角为1mrad，稳定性优于2.5％。
根据图3所示，激光稳功率单元2含有电光调制器、偏振片2-2、显微物镜2-3、针孔光阑2-4、准直透镜2-5、可变光阑2-6、第一楔形分束镜2-7、反馈探测器2-8和激光稳功率控制器2-9。电光调制器中的电光晶体2-1采用铌酸锂晶体，晶体尺寸为5cm×5cm，适用的波长范围为350nm～1100nm。偏振片2-2是Glan-Thompson偏振片，通光口径为20mm，外径40mm。测量波长为632.8nm时，显微物镜2-3选用放大倍率为10×的显微物镜，针孔光阑2-4选用孔径为25μm的针孔光阑；测量波长为1.064μm时，显微物镜2-3选用放大倍率为20×的显微物镜，针孔光阑2-4选用孔径为50μm的针孔光阑。准直透镜2-5的材料为石英玻璃，焦距为5cm。可变光阑2-6的光阑口径变化范围为3mm～5mm。第一楔形分束镜2-7为石英玻璃制作的楔形棱镜，其工作面上镀制有分光膜，该分光膜的反射率为10％，透过率为90％。测量波长为632.8nm时，反馈探测器2-8选用日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二极管，测量波长为1064nm时，反馈探测器2-8选用日本HAMAMATSU公司的1700型InGaAs光电二极管。激光稳功率控制器2-9选用英国CRI公司的LS-100型激光稳功率控制器，其功能是实现激光强度的稳定，最大透过率为85％，最大输入功率5W，适用的波长范围为350nm～1100nm。
根据图2和图3所示，由He-Ne激光器或YAG激光器出射的激光束经由电光调制器中的电光晶体2-1透射到偏振片2-2上；该透射光束经偏振片2-2转换成线偏振光后，由显微物镜2-3会聚在针孔光阑2-4上并形成多个明暗清晰的衍射圆环，这些衍射圆环再经过准直透镜2-5准直后，由可变光阑2-6在第一级暗环处滤掉中心圆斑外的所有衍射圆环；第一楔形分束镜2-7将可变光阑2-6透过的光滑高斯分布激光束的约10％反射到反馈探测器2-8中，约90％透射到监视系统3中；反馈探测器2-8将接收信号反馈给激光稳功率控制器2-9，后者以此控制电光调制器中电光晶体2-1的透过率，从而使本发明所用测试激光束的功率不稳定性小于0.01％。
根据图2和图4所示，监视系统3含有第二楔形分束镜3-1和陷阱探测器3-2，陷阱探测器3-2安装在第一五维精密可调支架上。第二楔形分束镜3-1为石英玻璃制作的楔形棱镜，其工作面上镀制有分光膜，该分光膜的反射率为10％，透过率为90％。陷阱探测器3-2由探测器套筒3-2-1、三片硅光电二极管3-2-2、3-2-3和3-2-4组成，第一片硅光电二极管3-2-2和第二片硅光电二极管3-2-3的入射面相互垂直，入射角相等且均为45°，第三片硅光电二极管3-2-4的入射角为0°，从而保证了探测器对入射光的偏振状态是非敏感的。与单片硅光电二极管相比，陷阱探测器3-2总反射率大为降低，光电转换效率和灵敏度有明显提高。。
根据图2和图5所示，探测系统4含有电动快门4-1、积分球探测器4-2、电动转台4-3，积分球探测器4-2通过第二五维精密可调支架安装在电动转台4-3上，电动转台4-3选用作立汉光仪器有限公司的RAK350型电动转台。电动快门4-1选用Newport公司的IES003型电动快门。积分球探测器4-2由积分球4-2-1、挡板4-2-2、硅光电二极管4-2-3和入射光栏4-2-4组成。积分球4-2-1为直径50mm的空心球体，积分球内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末，喷涂聚四氟乙烯粉末的厚度为2.5mm。挡板4-2-2的作用是防止入射激光直接照射到探测器上，挡板喷涂与积分球内表面相同的聚四氟乙烯粉末。挡板与水平方向的夹角为45.76°，长度为17mm，安装位置距积分球中心水平方向17.7mm。硅光电二极管4-2-3选用日本HAMAMATSU公司的S1337型硅光电二极管。入射光栏4-2-4直接在积分球上开孔获得，开口总面积小于球内部反射面积的10％。本实施例中，入射光栏4-2-4的直径取10mm。被测样品6独立地放置在样品支架上，样品位于电动快门4-1和积分球探测器4-2之间的光路中。
经激光稳功率单元2出射的稳定光束由第二楔形分束镜3-1分成两束光，一束光由陷阱探测器3-2接收，另一束光经被测样品6后由积分球探测器4-2接收，陷阱探测器3-2和积分球探测器4-2均将光信号转换成电信号后输出送入计算机5中。
计算机5装有数据采集卡和测量软件包。测量软件包含有硬件控制模块、页面模块、信号采集模块、计算模块、存储模块和输出模块。
硬件控制模块的功能：其一是控制电动快门打开和关闭以采集激光信号和背景信号；其二是控制电动转台转动以调节积分球探测器的位置，实现运动控制与其它操作的并行处理；其三是控制积分球探测器和陷阱探测器同步触发采集测量信号或背景信号。
页面模块的功能是在计算机屏幕上显示转台运动控制栏目、功能按钮组、信号采集显示栏目、测试结果显示栏目。
转台运动控制栏目的功能是调用硬件控制模块控制转台的运动。转台运动控制栏目包括转台归零按钮、目标位置编辑框、目标运动按钮，目标位置存储按钮，目标位置I定位按钮。其中，转台归零按钮使运动转台4-3回到零位，即不放置样品时积分球探测器4-2所处的位置。目标运动按钮可以使电动转台4-3定位到测试人员在目标位置编辑框中输入的转动角度(以转台的零位位置为基准，电动转台4-3转动的角度)。调整好电动转台4-3的位置后，按目标位置存储按钮就将电动转台4-3应转动的角度(相对于零位基准)保存在计算机5的注册表中。在今后的测试中，通过目标位置I键定位按钮，计算机5调用保存在计算机注册表中的目标角度，就可以将电动转台4-3定位到上次存储的目标位置上，实现电动转台4-3的自动定位。
功能按钮组中包括透射/反射测量模式选择按钮、快门开/关按钮、背景测试按钮、信号测试按钮、存储按钮和打印按钮。其中，透射/反射测量模式选择按钮可以选择透射测量模式或反射测量模式。快门开/关按钮可以打开或关闭电动快门4-1。背景测试按钮通过信号采集模块，采集电动快门4-1关闭后积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2探测的背景信号。信号测试按钮通过信号采集模块，采集电动快门4-1打开后放置样品前、后积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2探测的测量信号。存储按钮调用存储模块，完成测试数据的存储工作。打印按钮调用输出模块打印采集的数据和测量结果。
信号采集显示栏目包括三个图形窗口和三个采集信号值显示框。三个图形窗口分别显示透射/反射/监视信号的电压值、透射比和反射比。透射/反射/监视信号窗口实时显示通过信号采集模块采集的监视信号和透射/反射信号，类似于一种软示波器，便于测试人员对光路的调整。透射比、反射比窗口以曲线的方式显示计算模块计算的透射率或反射率。三个采集信号值显示框分别显示信号采集模块采集的透射、反射、监视信号电压值。
测试结果显示栏目包括一个透射比/反射比结果表格，表格显示测量的次数及每次测量的结果。完成十次测量后，显示最终的测量值。
信号采集模块采集积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2的输出数据并送入存储模块以excel表格形式保存。
计算模块的功能是根据以下两式计算被测样品的反射比ρ和透射比τ：
ρ＝(V1-V)(V0′-V’)/(V0-V)(V1′-V′)(1)
τ＝(V1-V)(V0′-V′)/(V0-V)(V1′-V′)(2)
其中，V、V′分别为积分球探测器和陷阱探测器采集的背景信号，V0、V′0分别为无样品时积分球探测器和陷阱探测器采集的背景信号，V1、V′1分别为有样品时积分球探测器和陷阱探测器采集的测量信号；计算10次测量结果的平均值作为最终结果并计算测量结果的不确定度。
存储模块利用存储器对原始数据和测量结果进行保存，原始数据和测量结果以文本文件形式保存，用户可以在Excel或Matlab软件中进行进一步处理。
输出模块的功能是调用存储模块中的数据，以数据形式打印测量数据和测量结果。
本发明的工作过程是：首先根据测量波长需要选择激光器，然后打开激光器电源并预热20分钟。打开激光稳功率控制器2-9、电动快门4-1和电动转台4-3步进电机的电源，调试光路使其工作在最佳状态，使激光功率的稳定性满足测量要求。启动计算机5，计算机5根据图6～图8所示的流程完成相应的测试功能，即首先进行初始化和自检，并根据测量参数要求选择所需测量模块。
如果选择反射比测量模块，测试人员点击计算机5屏幕上的快门关按钮以关闭电动快门4-1，然后在功能按钮组中点击背景测试按钮，计算机5通过信号采集模块同步触发积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2采集背景信号值V、V′，之后测试人员点击存储按钮存储测量数据。测试人员点击快门开按钮，计算机5控制电动快门4-1打开，先不放被测样品，调节积分球探测器4-2的位置，使激光束正入射在积分球探测器4-2的中心，点击目标位置存储按钮，计算机5将当前电动转台4-3的位置作为零位存储。测试人将被测样品6放置在样品支架上，点击目标位置编辑框按钮并输入转动角度，然后点击目标运动按钮，计算机5控制电动转台4-3转动到设定位置，该位置使得反射光束正入射在积分球探测器4-2的中心。测试人员点击目标位置存储按钮，计算机5记录电动转台4-3的位置I。测试人取下被测样品6，点击转台归零按钮，计算机5控制电动转台4-3移向零位，测试人员通过调节第二精密可调支架使得积分球探测器4-2的输出信号为最大。测试人员在功能按钮组中点击信号测试按钮，计算机5同步触发积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2采集信号值V0、V′0，测试人员点击存储按钮，计算机5存储测量数据。然后测试人员将被测样品6放置在样品支架上，点击目标位置I定位按钮，计算机5控制电动转台4-3移向位置I，通过第二调节精密可调支架使得积分球探测器4-2的输出信号为最大。然后在功能按钮组中点击信号测试按钮，计算机5同步触发积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2采集测量信号值V1、V′1，并根据(1)式计算被测样品6的反射比ρ。测试人员点击存储按钮，计算机5存储测量数据。将上述测量过程重复10次后，计算机5自动计算反射比测量结果平均值和测量结果的不确定度，测试人员点击打印按钮，计算机5控制输出设备打印采集的数据和测量结果。测量结束，关闭激光器、激光稳功率控制器2-9、电动快门4-1和电动转台4-3步进电机的电源。
如果选择透射比测量模块，其测量过程如下：测试人员点击计算机5屏幕上的快门关按钮以关闭电动快门4-1，然后在功能按钮组中点击背景测试按钮，计算机5通过信号采集模块同步触发积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2采集背景信号值V、V′，之后测试人员点击存储按钮，计算机5存储测量数据。测试人员点击快门开按钮，计算机5控制电动快门4-1打开，先不放被测样品，调节积分球探测器4-2的位置，使激光束正入射在积分球探测器4-2的中心。测试人员通过调节第二精密可调支架使得积分球探测器4-2的输出信号为最大，然后在功能按钮组中点击信号测试按钮，计算机5同步触发积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2采集背景信号值V0、V′0，测试人员点击存储按钮，计算机5存储测量数据。测试人员将被测样品6放置在样品支架上，通过调节第二精密可调支架使得积分球探测器4-2的输出信号为最大。然后测试人员在功能按钮组中点击信号测试按钮，计算机5控制积分球探测器4-2和陷阱探测器3-2同步采集测量信号值V1、V′1，并根据(2)式计算被测样品6的透射比τ，测试人员点击存储按钮，计算机5存储测量数据。将上述测量过程重复10次后，计算机5自动计算透射比测量结果平均值和测量结果的不确定度，测试人员点击打印按钮，计算机5控制输出设备打印采集的数据和测量结果。测量结束，关闭激光器、激光稳功率控制器2-9、电动快门4-1和电动转台4-3步进电机的电源。
本发明的高反射比、高透射比光学测量装置以单次反射测量法为基础，并结合激光稳功率技术、双光路测量技术以及精密探测技术，从而实现了光学元件范围为95.00％～99.99％的反射比、透射比测量，能够为高反射比、高透射比光学元件的研制提供可靠依据。