光譜權重可調型光譜模擬系統的製作方法

2023-04-24 14:42:41

專利名稱：光譜權重可調型光譜模擬系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學領域，涉及一種光譜光源模擬器系統，尤其涉及一種可見、近紅外譜線的光譜權重可調型光譜模擬系統。
背景技術：
在天文觀測中，為了觀測各種天體的亮度變化情況，需要研製一種天體觀測相機，由於各種天體的組成元素不同，所以，不同天體對太陽光譜的反射曲線也不同。目前國內有
兩種方法對探測相機的探測能力進行標定一種是在遠離城區的深山中，對國際上公認的、已知星等的恆星進行野外拍照，並採集有關星等數據，通過圖像處理對觀測相機進行校準與標定。此種方法受到自然環境的影響，有時候連續等待幾十天也不一定能獲得理想的滿足試驗的天氣條件；另一種標定方法是在實驗室用星模擬器對天體觀測相機的探測能力進行標定，該方法簡單易行，不受自然環境的影響，但該方法不能模擬各種不同天體的輻射特性，導致對探測相機標定不夠準確。隨著我國航天技術和天基探測相機的發展，對探測相機的探測能力提出了更精確要求。由於各種天體的發光特性不同(包括星體自身發光或者反射太陽光譜)，所以，對探測相機的探測能力也上升為在不同譜線權重下相機的探測能力。由於實驗室的星模擬器使用氙燈光源或者滷鎢燈光源，模擬出來的星點譜線單一，當星點譜線的峰值波長與探測相機探測器響應峰值波長相對應時，標定出的探測相機的探測能力可能會很高，但當實際拍攝同一星等的天體時，由於天體的譜線峰值波長不同於探測相機探測器響應峰值波長相差較遠，將很有可能探測不到該星點；同樣，當模擬出來的星點譜線峰值波長位置與探測相機探測器響應峰值波長相差較遠時，標定出的探測相機的探測能力會偏低，比如，標定一臺探測相機只能探測到8等星，但在外場實驗時，該相機可能探測到比8等星更暗的9等星或者更高，原因就是因為該9等星的輻射光譜與探測器的響應光譜比較接近。所以，在實驗室乃至在地面對探測相機探測能力標定中必須考慮光譜匹配問題，傳統使用的兩種探測相機標定的方法均不能模擬不同光譜權重的光譜，此問題已經上升為探測相機探測能力標定的主要矛盾。所以，需要研製一種光譜權重可調諧型複合光源，以滿足對探測相機在各種譜線分布下對探測能力的聞精度標定。

實用新型內容為了解決背景技術中所存在的上述技術問題，本實用新型提出了一種可實時監測光譜模擬系統模擬出來的光譜輻亮度和光譜權重的光譜權重可調型光譜模擬系統。本實用新型的技術解決方案是本實用新型提供了一種光譜權重可調型光譜模擬系統，其特殊之處在於所述光譜權重可調型光譜模擬系統包括光源系統、分光系統、光強調節系統、光譜混合與監測系統以及控制系統；所述分光系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統依次設置於光源系統的出射光路上；所述控制系統分別與光源系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統相連。[0006]上述光源系統包括氙燈光源、拋物面聚光鏡、狹縫光闌以及準直透鏡；所述氙燈光源設置在由拋物面聚光鏡所形成的凹腔中；所述狹縫光闌以及準直透鏡依次設置在經拋物面聚光鏡反射後的出射光路上。上述分光系統包括閃耀光柵以及匯聚透鏡；所述閃耀光柵設置在經準直透鏡後的出射光路上；所述匯聚透鏡設置在閃耀光柵的出射光路上。上述光強調節系統包括入射光纖陣列、光強調節器以及出射光纖陣列；所述入射光纖陣列設置在經匯聚透鏡後的出射光路上，所述入射光纖陣列的入射端與匯聚透鏡的像方焦平面重合；所述光強調節器設置在入射光纖的出射光路上；所述出射光纖陣列設置在 光強調節器的出射光路上。上述光強調節器包括電動可變光闌以及中繼透鏡；所述電動可變光闌以及中繼透鏡依次設置在經入射光纖陣列後的出射光路上。上述光譜混合與監測系統包括積分球、光譜輻亮度計探頭以及手動可變光闌；所述積分球設置在出射光纖陣列的出射光路上；所述光譜輻亮度計探頭設置在積分球內壁上；所述手動可變光闌設置在積分球的出口處。上述控制系統包括氙燈控制器、光強調節器控制器和光譜輻亮度計控制器；所述氙燈控制器與氙燈光源相連；所述光強調節器控制器光強調節器相連；所述光譜輻亮度計控制器與積分球相連並用於監視積分球的輸出的光譜輻亮度值和光譜分布曲線。上述中繼鏡是口徑是φ 8mm、焦距是5mm的透鏡。上述狹縫光闌是矩形光闌，所述矩形光闌的尺寸是lmmX4mm ;所述準直透鏡是口徑為Φ50πιπι、焦距為150mm的透鏡；所述閃耀光柵的光柵常數為3· 33X 10_3臟，閃耀波長為O. 5 μ m,閃耀角為4. 3° ,有效刻畫面積為64mmX64mm ;所述匯聚透鏡是口徑為ΦΙΟΟι πι,焦距為300_的透鏡。上述入射光纖陣列包括168根光纖；所述入射光纖陣列的所有光纖按正六角形分4排排列；所述入射光纖陣列的單根光纖直徑是Φ1. 5mm,所述入射光纖陣列的纖芯直徑是Φ1. Omm ;所述出射光纖陣列包括168根光纖,所述出射光纖陣列的單根光纖直徑是Φ2ι πι,所述出射光纖陣列的纖芯直徑是Φ1. 5_。本實用新型的優點是I)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統使用閃耀光柵作為分光元件，再用匯聚透鏡將各種波長的單色光分別整合到不同的光纖中進行傳輸，減小了系統光能損失，縮小了系統的體積；2)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統使用粗纖芯、薄包覆層的光纖陣列，採用正六角形排列方式，具有很高的填充係數；3)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統在O. 35 μ m I. O μ m譜段上，使用了 84根光纖，平均光譜解析度為7. 86nm，具有較高的光譜模擬分辨能力；4)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統使用電動可變光闌，自動改變各種波長能量的權重，可以很方便的根據要求的光譜分布曲線模擬出合適的輻射光譜；5)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統使用積分球做光譜混合器，使模擬出來的光譜具有很高的光譜均勻性、角均勻性和面均勻性；6)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統在積分球內壁上安裝有光譜輻亮度計探頭，可以實時監測輸出光譜的輻亮度和光譜分布曲線；7)本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器系統在積分球出口處安裝有手動可變光闌，可以很方便的改變輻射面的大小。本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器，可根據要求提供不同光譜權重的均勻面光源，同時用光譜輻亮度計實時監測輸出光譜的輻亮度值和光譜分布曲線。國內目前只能用氙燈或者滷鎢燈做光源，模擬的光譜曲線單一，無法滿足天體探測相機在不同光譜能量分布情況下的標定工作。本實用新型的光譜可調型光譜模擬系統填補了國內無法模擬任意光譜譜線的分布光源的空白。

圖I是本實用新型所提供的光譜權重可調型光譜模擬系統的結構示意圖； 圖2是本實用新型所採用的入射光纖陣列結構放大示意圖；圖3是本實用新型所採用的光強調節器的放大示意圖；I-氙燈光源、2-拋物面聚光鏡、3-狹縫光闌、4-準直透鏡、5-閃耀光柵、6_匯聚透鏡、7-入射光纖陣列、8-光強調節器、81-電動可變光闌、82-中繼透鏡、9-出射光纖陣列、10-積分球、11-手動可變光闌、12-光譜輻亮度計探頭、13-光強調節器控制器、14-光譜輻亮度計、15-氙燈光源控制器。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器，包括氙燈光源I、拋物面聚光鏡2、狹縫光闌3、準直透鏡4、閃耀光柵5、匯聚透鏡6、入射光纖陣列7、光強調節器8、電動可變光闌81、中繼透鏡82、出射光纖陣列9、積分球10、手動可變光闌11、光譜輻亮度計探頭12、光強調節器控制器13、光譜輻亮度計14、氙燈光源控制器15 ;拋物面聚光鏡2設置在氙燈光源I的外邊，狹縫光闌3設置在拋物面聚光鏡2的出射光路上，準直透鏡4設置在狹縫光闌3的出射光路上，且其焦點位於狹縫光闌3上，閃耀光柵5設置在準直透鏡4的出射光路上，使入射光波發生衍射，匯聚透鏡6設置在閃耀光柵5的出射光路上，使不同波長的衍射波匯聚在其焦平面上發生幹涉，從而將不同波長的光譜分開，實現分光，入射光纖陣列7的入射端設置在匯聚透鏡6的焦面上，出射端分別設置在光強調節器8的入射口上，出射光纖陣列9的入射端設置在光強調節器8的出射口上，其出射端設置在積分球10上，手動可變光闌11設置在積分球10的出口上，光譜輻亮度計探頭12設置在積分球10的內壁上，光強調節器控制器13、光譜輻亮度計14和氙燈控制器15設置在系統的外邊，用於控制整個模擬系統輸出的輻亮度值和光譜分布。氙燈光源I發出的光譜經過拋物面聚光鏡2匯聚到狹縫光闌3上，經狹縫光闌3調製後，通過準直透鏡4形成準直光束入射到閃耀光柵5上，複色準直光束經過閃耀光柵5衍射後，不同波長光譜的出射角不同，再經過匯聚透鏡6匯聚後，在匯聚透鏡6的焦平面上發射幹涉，形成彩色的幹涉條紋，入射光纖陣列7將不同波長的光譜能量收集到不同的光纖中傳輸到光強調節器8，通過電動光闌81改變中繼鏡通光口徑的大小，參見圖3，實現光強的調整，調整後的光線經過中繼透鏡82匯聚到出射光纖陣列9中，再經出射光纖陣列9傳輸到積分球10，在積分球10內壁上發生漫反射，使各種波長的光波重新混合，從積分球口輸出。手動可變光闌11用來改變出射面光源有效面積的大小，光強調節器控制器12用來控制電動可變光闌81的有效通光口徑，從而調整對應波長的光譜能量，光譜輻亮度計14用來監視積分球10輸出的光譜輻亮度值和光譜分布曲線，氙燈光源控制器15是用來控制氙燈光源I的。本實用新型正是利用上述系統來模擬不同權重光譜分布的均勻面光源的，具體工作原理如下氙燈光源I輻射出的光譜能量被拋物面聚光鏡2匯聚到狹縫光闌3上，狹縫光闌3的通光面積為l_X4mm，狹縫光闌3同時位於準直透鏡4的物方焦平面上，準直透鏡4的有效通光孔徑為Φ 50mm,焦距為150mm,平面閃耀光柵5安裝在準直透鏡4之後約400mm處，經過準直透鏡4出射的準直光束在平面光柵5上的光斑大小為Φ60_，閃耀光柵5的刻劃面為矩形，有效面積為64_ X 64mm,所以,所有的光能量均被有效的反射和衍射,在衍射光出射的方向上，距離閃耀光柵500mm處安裝了一個焦距為300mm，口徑為IOOmm的匯聚透鏡6，根據閃耀光柵的特徵尺寸、閃耀角和匯聚透鏡6的焦距計算可知，350nm IOOOnm的光波 在匯聚透鏡焦平面上排列總寬度約為63mm，長度約為8mm。入射光纖陣列7的入射端安裝在匯聚透鏡6的焦平面上，這樣，在匯聚透鏡6焦平面上匯聚的單色光束將被分別整合到不同的光纖中，入射光纖陣列7總共包含168根光纖，參見圖2所示，按正六角形分4排排列，每排42根,單根光纖的外徑為Φ I. 5mm,纖芯直徑為Φ1. 2mm。所以,光纖陣列上下兩排光纖纖芯重合寬度為O. 45_，這樣可避免位於光纖包覆層處的光譜能量大量損失而導致最終光譜不連續。由於在350nm IOOOnm的譜段上共使用了 84根光纖收集光譜能量，所以該光譜模擬器的平均光譜解析度可以達到7. 8nm。單色光譜分別經過入射光纖陣列7輸入到光強調節器8內，光強調節器8總共包含了 168個小單元，每個小單元各自控制一根光纖光能的輸出功率，當光譜從光強調節器8的入射端入射，經過電動可變光闌81改變中繼透鏡82有效通光口徑的大小達到調整光譜輸出功率的目的，經過中繼透鏡82匯聚後，有效的光譜被整合的出射光纖中，168根出射光纖組成的出射光纖陣列9將調整後的光譜傳輸的積分球10內，積分球10的內壁為高漫反射的均與塗層，將168根光纖輸出的光譜重新混合，形成均勻的光譜從積分球口出射。光譜輻亮度計11可是實時監測積分球內部的光譜能量分布曲線和從積分球口出射的光譜輻亮度值，手動可變光闌10用來改變均勻面光源的大小。本實用新型使用色散型光學器件將複色光按波長分開排列並整合入光纖陣列中，經過光纖陣列將不同波長的光譜分別傳輸到光強調節器中，光強調節器按所需要的光譜能量權重調整各波長通光量，最後通過出射光纖將調整後的光譜輸出到積分球內混合，然後從積分球口均勻輸出所需要的光譜分布能量。本實用新型的光譜權重可調型光譜模擬器填補了國內無法模擬任意光譜譜線的分布的光源的空白。
權利要求1.ー種光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述光譜權重可調型光譜模擬系統包括光源系統、分光系統、光強調節系統、光譜混合與監測系統以及控制系統；所述分光系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統依次設置於光源系統的出射光路上；所述控制系統分別與光源系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統相連。
2.根據權利要求I所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述光源系統包括氙燈光源、拋物面聚光鏡、狹縫光闌以及準直透鏡；所述氙燈光源設置在由拋物面聚光鏡所形成的凹腔中；所述狹縫光闌以及準直透鏡依次設置在經拋物面聚光鏡反射後的出射光路上。
3.根據權利要求2所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述分光系統包括閃耀光柵以及匯聚透鏡；所述閃耀光柵設置在經準直透鏡後的出射光路上；所述匯聚透鏡設置在閃耀光柵的出射光路上。
4.根據權利要求3所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述光強調節系統包括入射光纖陣列、光強調節器以及出射光纖陣列；所述入射光纖陣列設置在經匯聚透鏡後的出射光路上，所述入射光纖陣列的入射端與匯聚透鏡的像方焦平面重合；所述光強調節器設置在入射光纖的出射光路上；所述出射光纖陣列設置在光強調節器的出射光路上。
5.根據權利要求4所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述光強調節器包括電動可變光闌以及中繼透鏡；所述電動可變光闌以及中繼透鏡依次設置在經入射光纖陣列後的出射光路上。
6.根據權利要求4或5所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述光譜混合與監測系統包括積分球、光譜輻亮度計探頭以及手動可變光闌；所述積分球設置在出射光纖陣列的出射光路上；所述光譜輻亮度計探頭設置在積分球內壁上；所述手動可變光闌設置在積分球的出口處。
7.根據權利要求4所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述控制系統包括氙燈控制器、光強調節器控制器和光譜輻亮度計控制器；所述氙燈控制器與氙燈光源相連；所述光強調節器控制器光強調節器相連；所述光譜輻亮度計控制器與積分球相連並用於監視積分球的輸出的光譜輻亮度值和光譜分布曲線。
8.根據權利要求7所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述中繼鏡是口徑是Φ8mm、焦距是5mm的透鏡。
9.根據權利要求8所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述狹縫光闌是矩形光闌，所述矩形光闌的尺寸是lmmX4mm ;所述準直透鏡是口徑為Φ50ι πι、焦距為150mm的透鏡；所述閃耀光柵的光柵常數為3. 33X10-3mm,閃耀波長為O. 5 μ m，閃耀角為4.3°，有效刻畫面積為64mmX64mm ;所述匯聚透鏡是口徑為ΦΙΟΟπιπι，焦距為300mm的透鏡。
10.根據權利要求9所述的光譜權重可調型光譜模擬系統，其特徵在於所述入射光纖陣列包括168根光纖；所述入射光纖陣列的所有光纖按正六角形分4排排列；所述入射光纖陣列的單根光纖直徑是φ1. 5mm,所述入射光纖陣列的纖芯直徑是Φ1. Omm ;所述出射光纖陣列包括168根光纖,所述出射光纖陣列的單根光纖直徑是Φ2mm,所述出射光纖陣列的纖芯直徑是Φ1. 5mm。
專利摘要本實用新型涉及一種光譜權重可調型光譜模擬系統，該系統包括光源系統、分光系統、光強調節系統、光譜混合與監測系統以及控制系統；分光系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統依次設置於光源系統的出射光路上；控制系統分別與光源系統、光強調節系統以及光譜混合與監測系統相連。本實用新型提出了一種可實時監測光譜模擬系統模擬出來的光譜輻亮度和光譜權重的光譜權重可調型光譜模擬系統。
文檔編號G02B27/09GK202471390SQ20122001849
公開日2012年10月3日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者劉峰, 周豔, 張周鋒, 徐亮, 胡丹丹, 薛勳, 賽建剛, 趙建科 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所