CN103293682A - 一种宽光谱太阳光谱辐照度监测仪分光光路结构 - Google Patents
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Abstract
一种宽光谱太阳光谱辐照度监测仪分光光路结构，涉及光谱测量领域，具体涉及一种基于空间的对日观察的宽波段的太阳光谱辐照度监测仪，它解决现有太阳光谱辐照度监测仪在宽光谱范围、大相对孔径条件下，像差严重、光谱分辨率低的问题。结构包括入射狭缝1、双曲面反射镜8、离子束刻蚀平面光栅9、扁椭球面反射镜10、分束器5和第一线阵探测器6第二线阵探测器7。本结构无活动部件，具有结构简单、稳定性高、光谱分辨率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量领域，具体涉及一种基于空间的对日观察的宽波段的太阳光谱辐照度监测仪
背景技术
目前，基于空间的太阳光谱辐照度监测仪根据分光元件分为棱镜分光和光栅分光两种，其中以光栅作为分光元件的光路结构采用切尔尼特纳系统，其分光光路结构如图1所示，主要由入射狭缝1、球面准直反射镜2、平面光栅3、球面聚焦反射镜4、分束器5和第一线阵探测器6、第二线阵探测器7组成。入射狭缝1出射的光经球面准直反射镜2出射为平行光，经过平面光栅3一、二级衍射产生色散，再经过球面聚焦反射镜4将其会聚成像，分束器5根据波长将光束分为两部分，线阵探测器6线阵探测器7分别位于两部分光的像面位置。
在该系统中，由于像差的影响，宽光谱范围和高光谱分辨率难以在大相对孔径条件下同时获得。当该系统应用于太阳光谱辐照度监测时，由于太阳光谱范围宽，在确定线色散的条件下，增大相对孔径会增大以球差慧差为主的各项像差，导致光谱分辨率下降，并影响像面上的能量分布，进而影响测量太阳光谱辐照度的准确性。
因此如何在大相对孔径条件下协调宽光谱范围和高光谱分辨率是太阳光谱辐照度测量中需要解决的问题。
发明内容
为解决现有太阳光谱辐照度监测仪在宽光谱范围内大相对孔径条件下，像差严重、光谱分辨率低的问题，本发明提供一种宽光谱太阳光谱辐照度监测仪分光光路结构，包括；入射狭缝、双曲面反射镜、离子束刻蚀平面光栅、扁椭球面反射镜、分束器、第一线阵探测器和第二线阵探测器；入射狭缝出射的光经双曲面反射镜出射为准直平行光，其离轴角为2α，光束以入射角i经过离子束刻蚀平面光栅反射发生一、二级衍射，衍射光经过扁椭球面反射镜将其会聚成像，其离轴角为2β，扁椭球面反射镜反射的光经过分束器根据波长分为两部分，分别在第一线阵探测器和第二线阵探测器上成像。
本发明的工作原理：本发明采用离子束刻蚀平面光栅作为主要分光元件，采用双曲面反射镜作为准直反射镜，扁椭球面反射镜作为聚焦反射镜，通过系统要求的光谱分辨率可根据线色散公式计算得出线色散率，从而获得系统焦距与选用的光栅常数。通过光学软件计算并控制各元件之间的距离、离轴角、反射镜的曲率半径及表面的圆锥系数完成像差校正，最终实现宽波段高分辨率的全谱瞬态直读太阳光谱辐照度监测。
本发明的有益效果：本发明所述的分光光路能够实现宽波段、高分辨率、全谱瞬态直读的太阳光谱辐照度监测。采用离子束刻蚀平面光栅，提高衍射效率，减少像差，增大信噪比。准直反射镜采用双曲面反射镜，会聚反射镜采用扁椭球面反射镜，利用扁椭球面反射镜产生的像差补偿双曲面反射镜产生的像差，以减少像面上产生的像差，实现像面上在宽波段、较大相对孔径条件下合理控制像差。结构简单可靠，无活动部件。
附图说明
图1为现有切尔尼特纳系统分光光路结构示意图；
图2为本发明的分光光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本设计进行详细说明
如图2所示，入射狭缝1出射的光经过双曲面反射镜8反射为近似平行光，其离轴角为2α，并且主光线以入射角i射向离子束刻蚀平面光栅9，离子束刻蚀平面光栅9刻线方向与狭缝长度方向平行，经过离子束刻蚀平面光栅9发生一、二级衍射，变为不同衍射角的复色光集合。复色光经过扁椭球面反射镜10会聚成像，经过扁椭球面反射镜10的离轴角为2β，扁椭球面反射镜10反射的光经过分束器5分为两部分，第一线阵探测器6和第二线阵探测器7分别位于两部分光的像面位置。上述过程中，半离轴角α通常为5°～8°，入射角i通常为-8°～-12°，离轴角β通常为10°～18°。
入射狭缝1的作用是限制进入分光系统的光通量以及作为系统的物被成像于像面上，宽度尺寸选择为线阵探测器像元宽度尺寸的2倍。
双曲面反射镜8的作用是将通过入射狭缝1进入分光系统的光束准直成一束准直平行光并反射到离子束刻蚀平面光栅9上。
离子束刻蚀平面光栅9将入射的复色光根据波长分成具有不同衍射角的光束组。选定光栅的闪耀波长位于工作光谱范围的中心波长处，同时利用光的一级衍射和二级衍射，其中波长为λ0的二级衍射光束位置与波长为2λ0的一级衍射光束位置重合。
扁椭球面反射镜10作用是将经过离子束刻蚀平面光栅9分出的复色发散光束组聚焦到探测器的光敏面上。从平面光栅9出射的复色光照射到扁椭球面反射镜10，由于其不同波长的光离轴角不同，对应其产生的像差也不同，与传统球面镜只能针对单一波长进行消像差设计相比，扁椭球面具有额外的变量圆锥系数，使扁椭球面反射镜10不同位置曲率不完全相同，可以补偿非中心波长离轴角带来的像差。另外，将传统球面准直镜替换为双曲面反射镜8，增加双曲面的圆锥系数作为变量，针对二者圆锥系数进行优化，使扁椭球面反射镜10产生的像差与双曲面反射镜8产生的像差发生补偿，减少了光学系统像面的像差。
分束器5作用是将部分波长光束透射其余光束反射，本设计中分束器5目的是将一级衍射和二级衍射的光束分开。若一级衍射波长范围为2λ0～2λ1，则二级衍射波长范围为λ0～λ1。选择分束器透射波长范围包含2λ0～2λ1，反射波长范围包含λ0～λ1，且透射与反射光谱范围不存在重叠。
第一线阵探测器6和线阵探测器7作用是接收光谱图像，并实现全光谱直读，在200nm-1000nm波段选用CCD，在1000nm-2500nm波段选用InGaAs探测器。
实例一：
针对200-800nm波段设计太阳光谱辐照度监测仪，此时应用400nm-800nm的一级衍射和200nm-400nm的二级衍射。选用600线对/毫米的平面光栅，选定双曲凹面反射镜曲率为356.10mm，其圆锥系数为-5.52；选定变椭球凹面反射镜曲率为356.11mm，其圆锥系数为0.66。半离轴角α设定为7°，光栅入射角i设为-2°，半离轴角β设为10.43°。狭缝宽度设为50微米，线阵探测器选取为两块滨松的一款含有2048像元，像元尺寸为25μm×2.5mm线阵CCD。
对应上述太阳光谱辐照度监测仪，可以在400nm-800nm波段获得光谱分辨率为0.45nm，在200nm-400nm波段获得光谱分辨率为0.23nm，且光学系统的全波段截止频率处调制传递函数大于0.7，全波段最大弥散斑均方根半径小于像元宽度的1/4。
实例二：
改变实例一系统的光栅入射角i为-4°，双曲凹面反射镜曲率为358.76mm，其圆锥系数变为-5.69；变椭球凹面反射镜曲率为358.77mm，其圆锥系数变为0.69。此时，在400nm-800nm波段获得光谱分辨率为0.43nm，在200nm-400nm波段获得光谱分辨率为0.22nm，且光学系统的全波段截止频率处调制传递函数大于0.6，全波段最大弥散斑均方根半径小于像元宽度的1/3。
实例三：
针对600nm-1000nm及1200nm-2000nm波段设计太阳光谱辐照度监测仪，此时应用1200nm-2000nm的一级衍射和600nm-1000nm的二级衍射。选用300线对/毫米的平面光栅，通过优化设计选定双曲凹面反射镜曲率为322.87mm，其圆锥系数为-3.01；选定变椭球凹面反射镜曲率为322.87mm，其圆锥系数为0.66。半离轴角α设定为6°，光栅入射角i设为-3°，半离轴角β设为8°。狭缝宽度设为50微米，线阵探测器选取为古德里奇的一款含有1024像元，像元尺寸为50μm×2.5mm线阵CCD和滨松的一款含有2048像元，像元尺寸为25μm×2.5mm线阵CCD。
对应上述太阳光谱辐照度监测仪，可以在1200nm-2000nm波段获得光谱分辨率为0.87nm，在600nm-1000nm波段获得光谱分辨率为0.44nm，且光学系统的全波段截止频率处调制传递函数大于0.5，全波段最大弥散斑均方根半径小于像元宽度的1/3。
实例四：
改变实例三系统的半离轴角α为5°，半离轴角β为10°，双曲凹面反射镜曲率为290.10mm，其圆锥系数变为-1.48；变椭球凹面反射镜曲率为290.13mm，其圆锥系数变为0.31。此时，在1200nm-2000nm波段获得光谱分辨率为1nm，在600nm-1000nm波段获得光谱分辨率为0.5nm，且光学系统的全波段截止频率处调制传递函数大于0.4，全波段最大弥散斑均方根半径小于像元宽度的1/3。
Claims (2)
1.一种宽光谱太阳光谱辐照度监测仪分光光路结构，包括；入射狭缝（1）、双曲面反射镜（8）、离子束刻蚀平面光栅（9）、扁椭球面反射镜（10）、分束器（5）、第一线阵探测器（6）和第二线阵探测器（7）；入射狭缝（1）出射的光经双曲面反射镜（8）出射为准直平行光，其离轴角为2α，光束以入射角i经过离子束刻蚀平面光栅（9）反射发生一、二级衍射，衍射光经过扁椭球面反射镜（10）将其会聚成像，其离轴角为2β，扁椭球面反射镜（10）反射的光经过分束器（5）根据波长分为两部分，分别在第一线阵探测器（6）和第二线阵探测器（7）上成像。
2.根据权利要求1所述一种宽光谱太阳光谱辐照度监测仪分光光路结构其特征在于，半离轴角α通常为5°～8°，入射角i通常为-8°～-12°，离轴角β通常为10°～18°。
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