CN103207063B - 光谱权重可调型光谱模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱权重可调型光谱模拟系统，该系统包括光源系统、分光系统、光强调节系统、光谱混合与监测系统以及控制系统；分光系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统依次设置于光源系统的出射光路上；控制系统分别与光源系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统相连。本发明提出了一种可实时监测光谱模拟系统模拟出来的光谱辐亮度和光谱权重的光谱权重可调型光谱模拟系统。

Description

光谱权重可调型光谱模拟系统

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种光谱光源模拟器系统，尤其涉及一种可见、近红外谱线的光谱权重可调型光谱模拟系统。

背景技术

在天文观测中，为了观测各种天体的亮度变化情况，需要研制一种天体观测相机，由于各种天体的组成元素不同，所以，不同天体对太阳光谱的反射曲线也不同。目前国内有两种方法对探测相机的探测能力进行标定：一种是在远离城区的深山中，对国际上公认的、已知星等的恒星进行野外拍照，并采集有关星等数据，通过图像处理对观测相机进行校准与标定。此种方法受到自然环境的影响，有时候连续等待几十天也不一定能获得理想的满足试验的天气条件；另一种标定方法是在实验室用星模拟器对天体观测相机的探测能力进行标定，该方法简单易行，不受自然环境的影响，但该方法不能模拟各种不同天体的辐射特性，导致对探测相机标定不够准确。

随着我国航天技术和天基探测相机的发展，对探测相机的探测能力提出了更精确要求。由于各种天体的发光特性不同(包括星体自身发光或者反射太阳光谱)，所以，对探测相机的探测能力也上升为在不同谱线权重下相机的探测能力。由于实验室的星模拟器使用氙灯光源或者卤钨灯光源，模拟出来的星点谱线单一，当星点谱线的峰值波长与探测相机探测器响应峰值波长相对应时，标定出的探测相机的探测能力可能会很高，但当实际拍摄同一星等的天体时，由于天体的谱线峰值波长不同于探测相机探测器响应峰值波长相差较远，将很有可能探测不到该星点；同样，当模拟出来的星点谱线峰值波长位置与探测相机探测器响应峰值波长相差较远时，标定出的探测相机的探测能力会偏低，比如，标定一台探测相机只能探测到8等星，但在外场实验时，该相机可能探测到比8等星更暗的9等星或者更高，原因就是因为该9等星的辐射光谱与探测器的响应光谱比较接近。所以，在实验室乃至在地面对探测相机探测能力标定中必须考虑光谱匹配问题，传统使用的两种探测相机标定的方法均不能模拟不同光谱权重的光谱，此问题已经上升为探测相机探测能力标定的主要矛盾。所以，需要研制一种光谱权重可调谐型复合光源，以满足对探测相机在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种可实时监测光谱模拟系统模拟出来的光谱辐亮度和光谱权重的光谱权重可调型光谱模拟系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种光谱权重可调型光谱模拟系统，其特殊之处在于：所述光谱权重可调型光谱模拟系统包括光源系统、分光系统、光强调节系统、光谱混合与监测系统以及控制系统；所述分光系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统依次设置于光源系统的出射光路上；所述控制系统分别与光源系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统相连。

上述光源系统包括氙灯光源、抛物面聚光镜、狭缝光阑以及准直透镜；所述氙灯光源设置在由抛物面聚光镜所形成的凹腔中；所述狭缝光阑以及准直透镜依次设置在经抛物面聚光镜反射后的出射光路上。

上述分光系统包括闪耀光栅以及汇聚透镜；所述闪耀光栅设置在经准直透镜后的出射光路上；所述汇聚透镜设置在闪耀光栅的出射光路上。

上述光强调节系统包括入射光纤阵列、光强调节器以及出射光纤阵列；所述入射光纤阵列设置在经汇聚透镜后的出射光路上，所述入射光纤阵列的入射端与汇聚透镜的像方焦平面重合；所述光强调节器设置在入射光纤的出射光路上；所述出射光纤阵列设置在光强调节器的出射光路上。

上述光强调节器包括电动可变光阑以及中继透镜；所述电动可变光阑以及中继透镜依次设置在经入射光纤阵列后的出射光路上。

上述光谱混合与监测系统包括积分球、光谱辐亮度计探头以及手动可变光阑；所述积分球设置在出射光纤阵列的出射光路上；所述光谱辐亮度计探头设置在积分球内壁上；所述手动可变光阑设置在积分球的出口处。

上述控制系统包括氙灯控制器、光强调节器控制器和光谱辐亮度计控制器；所述氙灯控制器与氙灯光源相连；所述光强调节器控制器光强调节器相连；所述光谱辐亮度计控制器与积分球相连并用于监视积分球的输出的光谱辐亮度值和光谱分布曲线。

上述中继镜是口径是Φ8mm、焦距是5mm的透镜。

上述狭缝光阑是矩形光阑，所述矩形光阑的尺寸是1mm×4mm；所述准直透镜是口径为Φ50mm、焦距为150mm的透镜；所述闪耀光栅的光栅常数为3.33×10^-3mm，闪耀波长为0.5μm，闪耀角为4.3°，有效刻画面积为64mm×64mm；所述汇聚透镜是口径为Φ100mm，焦距为300mm的透镜。

上述入射光纤阵列包括168根光纤；所述入射光纤阵列的所有光纤按正六角形分4排排列；所述入射光纤阵列的单根光纤直径是Φ1.5mm，所述入射光纤阵列的纤芯直径是Φ1.0mm；所述出射光纤阵列包括168根光纤，所述出射光纤阵列的单根光纤直径是Φ2mm，所述出射光纤阵列的纤芯直径是Φ1.5mm。

本发明的优点是：

1)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：使用闪耀光栅作为分光元件，再用汇聚透镜将各种波长的单色光分别整合到不同的光纤中进行传输，减小了系统光能损失，缩小了系统的体积；

2)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：使用粗纤芯、薄包覆层的光纤阵列，采用正六角形排列方式，具有很高的填充系数；

3)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：在0.35μm～1.0μm谱段上，使用了84根光纤，平均光谱分辨率为7.86nm，具有较高的光谱模拟分辨能力；

4)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：使用电动可变光阑，自动改变各种波长能量的权重，可以很方便的根据要求的光谱分布曲线模拟出合适的辐射光谱；

5)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：使用积分球做光谱混合器，使模拟出来的光谱具有很高的光谱均匀性、角均匀性和面均匀性；

6)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：在积分球内壁上安装有光谱辐亮度计探头，可以实时监测输出光谱的辐亮度和光谱分布曲线；

7)本发明的光谱权重可调型光谱模拟器系统：在积分球出口处安装有手动可变光阑，可以很方便的改变辐射面的大小。

本发明的光谱权重可调型光谱模拟器，可根据要求提供不同光谱权重的均匀面光源，同时用光谱辐亮度计实时监测输出光谱的辐亮度值和光谱分布曲线。国内目前只能用氙灯或者卤钨灯做光源，模拟的光谱曲线单一，无法满足天体探测相机在不同光谱能量分布情况下的标定工作。本发明的光谱可调型光谱模拟系统填补了国内无法模拟任意光谱谱线的分布光源的空白。

附图说明

图1是本发明所提供的光谱权重可调型光谱模拟系统的结构示意图；

图2是本发明所采用的入射光纤阵列结构放大示意图；

图3是本发明所采用的光强调节器的放大示意图；

1-氙灯光源、2-抛物面聚光镜、3-狭缝光阑、4-准直透镜、5-闪耀光栅、6-汇聚透镜、7-入射光纤阵列、8-光强调节器、81-电动可变光阑、82-中继透镜、9-出射光纤阵列、10-积分球、11-手动可变光阑、12-光谱辐亮度计探头、13-光强调节器控制器、14-光谱辐亮度计、15-氙灯光源控制器。

具体实施方式

参见图1，本发明的光谱权重可调型光谱模拟器，包括氙灯光源1、抛物面聚光镜2、狭缝光阑3、准直透镜4、闪耀光栅5、汇聚透镜6、入射光纤阵列7、光强调节器8、电动可变光阑81、中继透镜82、出射光纤阵列9、积分球10、手动可变光阑11、光谱辐亮度计探头12、光强调节器控制器13、光谱辐亮度计14、氙灯光源控制器15；抛物面聚光镜2设置在氙灯光源1的外边，狭缝光阑3设置在抛物面聚光镜2的出射光路上，准直透镜4设置在狭缝光阑3的出射光路上，且其焦点位于狭缝光阑3上，闪耀光栅5设置在准直透镜4的出射光路上，使入射光波发生衍射，汇聚透镜6设置在闪耀光栅5的出射光路上，使不同波长的衍射波汇聚在其焦平面上发生干涉，从而将不同波长的光谱分开，实现分光，入射光纤阵列7的入射端设置在汇聚透镜6的焦面上，出射端分别设置在光强调节器8的入射口上，出射光纤阵列9的入射端设置在光强调节器8的出射口上，其出射端设置在积分球10上，手动可变光阑11设置在积分球10的出口上，光谱辐亮度计探头12设置在积分球10的内壁上，光强调节器控制器13、光谱辐亮度计14和氙灯控制器15设置在系统的外边，用于控制整个模拟系统输出的辐亮度值和光谱分布。

氙灯光源1发出的光谱经过抛物面聚光镜2汇聚到狭缝光阑3上，经狭缝光阑3调制后，通过准直透镜4形成准直光束入射到闪耀光栅5上，复色准直光束经过闪耀光栅5衍射后，不同波长光谱的出射角不同，再经过汇聚透镜6汇聚后，在汇聚透镜6的焦平面上发射干涉，形成彩色的干涉条纹，入射光纤阵列7将不同波长的光谱能量收集到不同的光纤中传输到光强调节器8，通过电动光阑81改变中继镜通光口径的大小，参见图3，实现光强的调整，调整后的光线经过中继透镜82汇聚到出射光纤阵列9中，再经出射光纤阵列9传输到积分球10，在积分球10内壁上发生漫反射，使各种波长的光波重新混合，从积分球口输出。手动可变光阑11用来改变出射面光源有效面积的大小，光强调节器控制器12用来控制电动可变光阑81的有效通光口径，从而调整对应波长的光谱能量，光谱辐亮度计14用来监视积分球10输出的光谱辐亮度值和光谱分布曲线，氙灯光源控制器15是用来控制氙灯光源1的。本发明正是利用上述系统来模拟不同权重光谱分布的均匀面光源的，具体工作原理如下：

氙灯光源1辐射出的光谱能量被抛物面聚光镜2汇聚到狭缝光阑3上，狭缝光阑3的通光面积为1mm×4mm，狭缝光阑3同时位于准直透镜4的物方焦平面上，准直透镜4的有效通光孔径为Φ50mm，焦距为150mm，平面闪耀光栅5安装在准直透镜4之后约400mm处，经过准直透镜4出射的准直光束在平面光栅5上的光斑大小为Φ60mm，闪耀光栅5的刻划面为矩形，有效面积为64mm×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，距离闪耀光栅500mm处安装了一个焦距为300mm，口径为100mm的汇聚透镜6，根据闪耀光栅的特征尺寸、闪耀角和汇聚透镜6的焦距计算可知，350nm～1000nm的光波在汇聚透镜焦平面上排列总宽度约为63mm，长度约为8mm。入射光纤阵列7的入射端安装在汇聚透镜6的焦平面上，这样，在汇聚透镜6焦平面上汇聚的单色光束将被分别整合到不同的光纤中，入射光纤阵列7总共包含168根光纤，参见图2所示，按正六角形分4排排列，每排42根，单根光纤的外径为Φ1.5mm，纤芯直径为Φ1.2mm。所以，光纤阵列上下两排光纤纤芯重合宽度为0.45mm，这样可避免位于光纤包覆层处的光谱能量大量损失而导致最终光谱不连续。由于在350nm～1000nm的谱段上共使用了84根光纤收集光谱能量，所以该光谱模拟器的平均光谱分辨率可以达到7.8nm。单色光谱分别经过入射光纤阵列7输入到光强调节器8内，光强调节器8总共包含了168个小单元，每个小单元各自控制一根光纤光能的输出功率，当光谱从光强调节器8的入射端入射，经过电动可变光阑81改变中继透镜82有效通光口径的大小达到调整光谱输出功率的目的，经过中继透镜82汇聚后，有效的光谱被整合的出射光纤中，168根出射光纤组成的出射光纤阵列9将调整后的光谱传输的积分球10内，积分球10的内壁为高漫反射的均与涂层，将168根光纤输出的光谱重新混合，形成均匀的光谱从积分球口出射。光谱辐亮度计11可是实时监测积分球内部的光谱能量分布曲线和从积分球口出射的光谱辐亮度值，手动可变光阑10用来改变均匀面光源的大小。

本发明使用色散型光学器件将复色光按波长分开排列并整合入光纤阵列中，经过光纤阵列将不同波长的光谱分别传输到光强调节器中，光强调节器按所需要的光谱能量权重调整各波长通光量，最后通过出射光纤将调整后的光谱输出到积分球内混合，然后从积分球口均匀输出所需要的光谱分布能量。本发明的光谱权重可调型光谱模拟器填补了国内无法模拟任意光谱谱线的分布的光源的空白。

Claims (6)

1.一种光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述光谱权重可调型光谱模拟系统包括光源系统、分光系统、光强调节系统、光谱混合与监测系统以及控制系统；所述分光系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统依次设置于光源系统的出射光路上；所述控制系统分别与光源系统、光强调节系统以及光谱混合与监测系统相连；

所述光源系统包括氙灯光源、抛物面聚光镜、狭缝光阑以及准直透镜；所述氙灯光源设置在由抛物面聚光镜所形成的凹腔中；所述狭缝光阑以及准直透镜依次设置在经抛物面聚光镜反射后的出射光路上；

所述分光系统包括闪耀光栅以及汇聚透镜；所述闪耀光栅设置在经准直透镜后的出射光路上；所述汇聚透镜设置在闪耀光栅的出射光路上；

所述光强调节系统包括入射光纤阵列、光强调节器以及出射光纤阵列；所述入射光纤阵列设置在经汇聚透镜后的出射光路上，所述入射光纤阵列的入射端与汇聚透镜的像方焦平面重合；所述光强调节器设置在入射光纤的出射光路上；所述出射光纤阵列设置在光强调节器的出射光路上；

所述入射光纤阵列包括168根光纤；所述入射光纤阵列的所有光纤按正六角形分4排排列；所述入射光纤阵列的单根光纤直径是Φ1.5mm，所述入射光纤阵列的纤芯直径是Φ1.0mm；所述出射光纤阵列包括168根光纤，所述出射光纤阵列的单根光纤直径是Φ2mm，所述出射光纤阵列的纤芯直径是Φ1.5mm。

2.根据权利要求1所述的光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述光强调节器包括电动可变光阑以及中继透镜；所述电动可变光阑以及中继透镜依次设置在经入射光纤阵列后的出射光路上。

3.根据权利要求1或2所述的光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述光谱混合与监测系统包括积分球、光谱辐亮度计探头以及手动可变光阑；所述积分球设置在出射光纤阵列的出射光路上；所述光谱辐亮度计探头设置在积分球内壁上；所述手动可变光阑设置在积分球的出口处。

4.根据权利要求3所述的光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述控制系统包括氙灯控制器、光强调节器控制器和光谱辐亮度计控制器；所述氙灯控制器与氙灯光源相连；所述光强调节器控制器与光强调节器相连；所述光谱辐亮度计控制器与积分球相连并用于监视积分球的输出的光谱辐亮度值和光谱分布曲线。

5.根据权利要求2所述的光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述中继透镜是口径是Φ8mm、焦距是5mm的透镜。

6.根据权利要求5所述的光谱权重可调型光谱模拟系统，其特征在于：所述狭缝光阑是矩形光阑，所述矩形光阑的尺寸是1mm×4mm；所述准直透镜是口径为Φ50mm、焦距为150mm的透镜；所述闪耀光栅的光栅常数为3.33×10^-3mm，闪耀波长为0.5μm，闪耀角为4.3°，有效刻画面积为64mm×64mm；所述汇聚透镜是口径为Φ100mm，焦距为300mm的透镜。