CN101187705B - 一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源 - Google Patents

一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，包括一光源部件、升降支架、准直部件和灯室；其中灯室的前端开有一用于输出氙灯辐射的窗口，氙灯电源与氙灯电连接；一圆筒遮光罩的一端口与灯室上的窗口连通、且同心安装，透镜和光栏顺序设置在遮光罩内的氙灯辐射光路上，氙灯处于透镜的焦点位置，光栏位于透镜的另一侧；该准直部件和灯室共同安装在升降支架上。本发明选用的超静氙灯具备短弧氙灯在紫外波段有较强的辐射强度，同时采用高耐用阴极，使得灯的弧点在整个寿命期间几乎没有漂移和波动；该光源可使用在200-2000nm的紫外、可见和近红外波段，特别是对波长小于400nm的紫外波段，由于其辐照度高，可有效提高定标的信噪比。

Description

一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源 
技术领域
本发明涉及一种对地观测遥感仪器的地面辐射定标仪器，特别是涉及一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源。 
背景技术
在光学遥感时，为精确获得被测对象的物理参数信息，对仪器进行辐射定标是光学遥感的重要方面。特别对星上光学遥感仪器，为了保证仪器的长期稳定性和测量精度，通常要求星上光学遥感仪器对太阳辐照度进行测量，以监测仪器在空间环境下的长期变化。为此，在星上光学遥感仪器研制过程中，对仪器进行辐射定标是一个重要方面，即在卫星发射前必须对星上光学遥感仪器进行辐亮度和辐照度定标，采用同一光源进行辐亮度和辐照度定标将有助于减小定标不确定性对测量结果的影响。 
进行辐亮度和辐照度定标通常是直接利用1000W光谱辐照度标准卤钨灯作为光源(见参考文献1：Proc.SPIE，3870，354-364，1999的Fig 2b和Fig 4)，这一方法的优点是能较好地保证辐亮度的绝对定标误差，但在用于紫外波段仪器的辐照度定标时存在以下缺陷： 
对仪器辐照度定标而言，一是1000W光谱辐照度标准卤钨灯在紫外波段辐射强度低，减小了仪器在紫外波段辐照度定标的信噪比。若将1000W光谱辐照度标准卤钨灯与被定标仪器距离拉近，光源能量可保证；但它不仅引入了发散光束对仪器定标精度的影响，也加大了杂散光的影响，使辐照度定标精度难以保证。二是定标光源的发散角远大于太阳光的张角，由此引起的杂散光将会带来额外的测量误差；三是1000W光谱辐照度标准卤钨灯到仪器的距离难以精确测量。 
对仪器的辐亮度定标而言的主要缺陷是1000W光谱辐照度标准卤钨灯在紫外波段辐射强度低，减小了仪器在紫外波段辐照度定标的信噪比；另外1000W光谱辐照度标准卤钨灯与标准漫反射板的距离测量误差仍是其测量误差的重要来源。 
进行辐照度定标的另一方法是利用反射镜将1000W光谱辐照度标准卤钨灯的辐射准直后使用(见参考文献1：Proc.SPIE，3870，354-364，1999的Fig 2a)，这样准直后光源到仪器的距离不需精确测量。但由于1000W光谱辐照度标准卤钨灯的灯丝尺寸较大，准直反射镜的焦距长，仅能部分解决上述杂散光问题，而在紫外波段辐射强度低的问题仍然存在。 
短弧氙灯虽然在紫外波段具有较强的辐射强度，可有效提高在紫外波段辐射定标的信噪比，并作为紫外、可见和近红外波段的光源被广泛用于光谱仪中，但由于其弧点的漂移和波动大，导致光源不够稳定，因此短弧氙灯不能作为标准光源使用(见参考文献2：HAMAMATSU SUPER-QUITE XENON LAMPS)。 
发明内容
本发明的目的在于：为了解决已有技术的标定光源进行辐射定标时，发散角大或信噪比低所带来的误差，为了提高辐照度定标精度，从而提供一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源。 
本发明的目的是这样实现的： 
本发明的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，包括一光源部件，其特征在于，还包括： 
一用于调节光谱辐照度标准光源的高低和支撑固定整个光谱辐照度标准光源成为一体的升降支架7； 
和一将氙灯1发出的紫外辐射变为平行光束，供辐射定标用的准直部件； 
其中所述的光源部件由氙灯1、氙灯电源2和灯室3组成；所述的灯室3用于安装所述的氙灯1和防止紫外辐射随意外泄，所述的灯室3为一箱体，该箱体的前面板上开有一用于输出氙灯1辐射的窗口，该窗口上安装一块石英玻璃；所述的氙灯电源2与所述的氙灯1电连接； 
所述的准直部件由透镜4、遮光罩5和光栏6组成；所述遮光罩5为圆筒，该遮光罩5的一端口与所述的灯室3上的窗口连通、且同心安装，所述的透镜4和光栏6顺序设置在遮光罩5内的氙灯1辐射光路上，所述氙灯1处于透镜4的焦点位置，所述光栏6位于所述透镜4的另一侧；该准直部件和灯室3共同安装在所述升降支架7上。 
其中所述的氙灯1由氙灯电源2激发和点燃；由氙灯1发出的紫外辐射经灯室3窗口到达准直部件，准直部件将氙灯1发出的紫外辐射变为平行光束，供辐射定标用。氙灯1具有小的发光面积和高色温的特点，可有效提高紫外波段的发光强度。遮光罩5用于消除外部杂散光的影响，光栏6用于选取平行光束的中间均匀部分。升降支架7用于调节光谱辐照度标准光源的高低和支撑固定整个光谱辐照度标准光源成为一体，便于使用。 
在上述的技术方案中，还包括一可调节支架(8)，所述的可调节支架(8)安装在升降支架(7)与遮光罩(5)之间。 
在上述的技术方案中，所述氙灯1为SQ型的、功率300W，发光面积约2mm，辐射强度的漂移和波动＜0.5％，弧点最大漂移＜0.1mm。 
在上述的技术方案中，所述氙灯电源2是SQ型300W氙灯的配套电源。 
在上述的技术方案中，所述透镜4采用JGS1石英材料制成. 
在上述的技术方案中，所述遮光罩5为长300mm、直径106mm的圆筒。 
在上述的技术方案中，所述光栏6的通光口径为φ80mm。 
在上述的技术方案中，所述的灯室3上的窗口为圆形。 
在上述的技术方案中，所述石英玻璃为JGS1石英材料 
本发明的积极效果： 
本发明由于选用的超静氙灯具备短弧氙灯在紫外波段有较强的辐射强度的优点，同时采用了高耐用阴极，使得灯的弧点在整个寿命期间几乎没有漂移和波动；辐照度波动小，随时间的漂移小，辐射源面积小等特点；经准直部件准直后，而且发出的光束为模拟太阳张角的平行光和辐射光谱近于太阳光谱的特点。本光谱辐照度标准光源可使用在200-2000nm的紫外、可见和近红外波段，特别是对波长小于400nm的紫外波段，它不仅具有辐照度高，可有效提高定标的信噪比，当本光谱辐照度标准光源用于辐亮度定标时，不仅可提高紫外波段的信号强度；而且对光谱辐照度标准光源到仪器的距离不需精确测量，减小了辐亮度定标误差。当它用于辐照度定标时，可消除发散光束引入的杂散光影响，提高紫外波段的信号强度和定标精度。 
本发明选用光栏6用于选取平行光束的中间均匀部分，以保证平行光束的均匀性在允许的误差范围内，提高辐射定标精度。 
本发明采用透镜4与采用反射镜相比，其优点是不易被污染、易清洁。它与氙灯1配合可利用较小的体积，解决辐照度定标时杂散光影响的问题。 
本发明采用透镜作为准直镜，减小了光谱辐照度标准光源的体积，并进行了一体化设计，便于使用和校准。 
附图说明
图1本发明光谱辐照度标准光源的结构示意图 
1-----氙灯        2-----氙灯电源    3-----灯室 
4-----透镜        5-----遮光罩      6-----光栏 
7-----升降支架    8--可调节支架 
具体实施方式
以下，结合附图和实施例来详细说明本发明。 
实施例1 
参考图1，制作一用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，它由光源部件、准直部件和升降支架7组成。光源部件包括氙灯1、氙灯电源2和灯室3，准直部件包括透镜4、遮光罩5和光栏6。氙灯1的选取需考虑适当的光强、高的稳定性、发光面积小和适当的体积大小。超静氙灯是满足这一要求的理想光源，本发明选取日本浜松公司生产的SQ型长寿命300W氙灯，其在紫外波段辐射强度远大于1000W的光谱辐照度标准灯，发光面积约2mm，辐射强度的漂移和波动＜0.5％，弧点最大漂移＜0.1mm，使用寿命可达2000小时以上。氙灯电源2用于激发和点燃氙灯1，氙灯电源2采用浜松公司SQ型长寿命300W氙灯的配套电源。灯室3为长方形的箱体，该箱体竖直安装在升降支架7上，防止紫外随意外泄，氙灯1也是竖直安装在灯室3内；灯室3的侧壁上开有圆形孔作为窗口，该窗口上安装一块JGS1石英玻璃，该圆形窗口位于氙灯1发光弧点高度处，其圆形窗口直径为φ30mm，因为窗口材料为JGS1石英玻璃，所以该圆形窗口用于输出氙灯1的辐射和阻隔氙灯1的热量；氙灯上部备有排风扇，用于排放氙灯发出的热量。 
所述的准直部件的遮光罩5为圆筒，该遮光罩5的一端口与所述的灯室3上的圆形窗口联通、且同心安装，所述的透镜4和光栏6顺序设置在遮光罩5内的氙灯1辐射光路上，所述氙灯1处于透镜4的焦点位置，所述光栏6位于所述透镜4的另一侧；该准直部件安装在所述升降支架7上，遮光罩5通过一个安装在升降支架7上的可调节支架8，实现与灯室3共同安装在所述升降支架7上。透镜4用于将氙灯1发出的光束转换成满足被测仪器要 求的平行光，因此需按照氙灯的基本特性及对平行光准直度的要求进行设计。SQ型长寿命300W氙灯的光源面积约为2nm，且在俯仰方向的±30°内具有相当均匀的辐射强度分布，这对于设计强聚光能力、体积小的准直光源系统是十分有利。当要求辐照度标准光源发射光束的平行度近于太阳光的张角而言，透镜4的焦距仅需约250mm，这有利于系统的小型化。为提高系统的聚光能力，准直部件的通光口径取为φ80mm。此光学系统在SQ氙灯光源处的张角最大仅为±9°，满足SQ氙灯光源发光强度均匀性的要求。透镜4采用JGS1石英材料制成，保证在紫外波段具有良好的透过率。准直部件由透镜4、遮光罩5和光栏6组成。与反射镜相比，采用透镜具有光路稳定、易清洁和体积小等优点。遮光罩5为长300mm、直径106mm的圆筒，用于消除外部杂散光的影响；它一端与灯室3连接、且与灯室3前端的圆形窗口同心。透镜4和光栏6顺序设置在遮光罩5内的氙灯1辐射光路上，氙灯1处于透镜4的焦点位置，光栏6位于透镜4的另一侧。光栏6到透镜4的距离为50mm，通光口径为φ80mm，用于选取平行光束的中间均匀部分。准直部件与灯室3共同安装于升降支架7上，它用于调节辐照度标准光源的高低；并将整个辐照度标准光源固定为一体，便于使用。 
辐照度标准光源加工、装配完成后，首先进行光源均匀性的测试，以决定设计和装配的正确性和可使用的口径范围。辐照度标准光源测试使用前应先老练50小时以上。对辐照度标准光源的测试结果表明其均匀性优于1％、可使用口径为φ80mm，满足设计要求。当辐照度标准光源预热15分钟后，1小时的漂移小于0.15％，2小时的漂移小于0.3％；多次开机重复性偏差小于0.3％。与采用1000W光谱辐照度标准灯相比，在360nm波长其辐照度约增大8倍，而在300nm波长辐照度增大约30倍。 
在辐照度标准光源均匀性测试完成后，经用美国国家标准局的光谱辐照度标准灯校准后，在300-360nm波段范围内，本光谱辐照度标准光源的不确定度小于3％。 

Claims (8)

1.一种用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，包括一光源部件，其特征在于，还包括：
一用于调节光谱辐照度标准光源的高低和支撑固定整个光谱辐照度标准光源成为一体的升降支架(7)；
和一将氙灯(1)发出的紫外辐射变为平行光束，供辐射定标用的准直部件；
其中所述的光源部件由氙灯(1)、氙灯电源(2)和灯室(3)组成；所述的灯室(3)用于安装所述的氙灯(1)和防止紫外辐射随意外泄，所述的灯室(3)为一箱体，该箱体的前面板上开有一用于输出氙灯(1)辐射的窗口，该窗口上安装一块石英玻璃，该圆形窗口位于氙灯(1)发光弧点高度处；所述的氙灯电源(2)与所述的氙灯(1)电连接；
所述的准直部件由透镜(4)、遮光罩(5)和光栏(6)组成；所述遮光罩(5)为圆筒，该遮光罩(5)的一端口与所述的灯室(3)上的窗口连通、且同心安装，所述的透镜(4)和光栏(6)顺序设置在遮光罩(5)内的氙灯(1)辐射光路上，所述氙灯(1)处于透镜(4)的焦点位置，所述光栏(6)位于所述透镜(4)的另一侧；该准直部件和灯室(3)共同安装在所述升降支架(7)上。
2.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，还包括一可调节支架(8)，所述的可调节支架(8)安装在升降支架(7)与遮光罩(5)之间。
3.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述氙灯(1)为SQ型的，其功率300W，发光面积约2mm，辐射强度的漂移和波动＜0.5％，弧点最大漂移＜0.1mm。
4.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述氙灯电源(2)是SQ型300W氙灯的配套电源。
5.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述透镜(4)采用JGS1石英材料制成。
6.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述遮光罩(5)为长300mm、直径106mm的圆筒。 
7.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述光栏(6)的通光口径为φ80mm。 
8.按权利要求1所述的用于紫外光学仪器辐射定标的光谱辐照度标准光源，其特征在于，所述石英玻璃为JGS1石英材料。 
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汤昊昊;王勇;李孟超;顾玲娟.精确紫外辐射定标中的稳功率光源系统.《现代电子技术》.2005,(第20期),61-62. *
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