CN117109735A - 一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法，属于微光辐射光谱测量装置技术领域。光学系统包括前置广角聚光镜组、楔板分束镜、成像镜组、匀光镜组、光纤、狭缝、光栅、CCD靶面、可见光探测器、近红外探测器。光学系统的光路包括广角成像光路与匀光光路；广角成像光路用于对全天空进行拍摄，根据天气情况反馈仪器是否工作；匀光光路用于半球空间月球微光光谱辐照度信号收集与探测。本发明克服了传统直接采用积分球进行半球空间微光光信号收集、测试，导致信号弱的难题；并且增加全天空成像功能辅助仪器工作。本发明具有很高的通用性与实用性，扩大了微光辐照度仪的使用功能，提高了微光辐照度仪的信噪比及光谱定标精度。

Description

一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法

技术领域

本发明属于微光辐射光谱测量装置技术领域，尤其涉及到微光辐照度仪光学系统研制相关领域，具体涉及一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法。

背景技术

月球作为定标光源是当前国内外辐射定标领域研究的热点，月球反射率的高稳定性、以及半球空间辐照度的重复性，使其非常适合作为卫星定标的参考辐射源，并且对于遥感仪器在轨辐射定标精度与稳定性监测也具有重要的研究价值。然而利用月球作为辐射光源需要高精度的月球辐射模型，这就需要研制高精度的月球光谱辐照度仪作为数据来源的支持。

地基月球直射辐照度仪可以在地面对月球进行全月相、高频次的定标，来保证月球辐射观测数据的准确度和长期一致性；通过在地面上测量出月球经过地球大气层的直射光谱辐照度信号，为建立高精度的月球辐照度模型提供大量的地基观测数据。但是目前对半球空间月球光谱辐照度仪的研制较少，相关资料较少；采用较多的是积分球收集月球半球空间信号进行测试，由于积分球反射率以及输出光束夹角的限制，导致探测器探测到的光谱信号较小；并且也没有对测试当天天气状况的实时检测，使得月球微光辐照度仪器的使用受到限制。因此，需要所设计的地基半球空间月球微光辐照度仪具有全天空天气检测、信号放大、信号测量与数据传输的高精度一体化功能，以实现对月球进行全月相、高精度、长周期的完备测量。这将对空间遥感微光定标具有重要的意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法，可以通过同一镜头实现全天空天气成像监测及整晚半球空间月球光谱辐照度信号测量，以便扩大月球微光光谱辐照度仪的使用功能和定标精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，包括前置广角聚光光路、广角成像光路和匀光光路；

所述前置广角聚光光路中，前置广角镜组的镜头采用视场180°、口径为78mm超广角，收集180°半球视场范围的光束，将其传播至楔板分束镜第一面处；

所述广角成像光路中，半球视场范围的光束经过前置广角聚光光路中的前置广角镜组传播至楔板分束镜第一面，然后传播至楔板分束镜第一面的光束经过反射到达成像镜组，最终在CCD靶面处成像；

所述匀光光路中，所述楔板分束镜后设置匀光镜组，使得180°半球视场范围的光束经前置广角镜组、楔板分束镜传播后汇聚在第一出光面，汇聚在第一出光面的各个视场的光束经过匀光镜组后，以不同角度的平行光到达第二出光面，每个视场在第二出光面的光斑大小相同且重合，最后在第二出光面处形成半径为8.2mm的光斑；

前置广角镜组的广角镜的入光口径为78mm，对应的广角镜入光口的面积为，在广角镜的入光口处每点的能量为/>；进入到光学系统的总能量/>与/>和广角镜的入光口处每点的能量/>之积成正比；具有总能量/>的光束，经楔板分束镜将有一半能量汇聚在第二出光面，即广角镜的入光口处的总能量的一半与第二出光面处的总能量相等；根据第二出光面的光斑半径8.2mm，对应第二出光面的面积为/>，第二出光面处每点的能量为，根据面积与光束能量成正比的关系，计算得到第二出光面处每点的能量/>与广角镜的入光口处每点的能量/>的关系如下：

（1）

本发明还提供一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统的设计方法，包括如下步骤：

第一步：设计前置广角镜组，让镜头前180°的光线进入前置广角镜组；

第二步：采用楔板分束镜进行分光，设计两路光路，分别为广角成像光路与匀光光路；所述广角成像光路为传播至楔板分束镜的楔板的反射光路，匀光光路为传播至楔板分束镜的楔板的透射光路；所述楔板分束镜的第二面与第一面存在楔角θ；

第三步：设计广角成像光路：经楔板分束镜反射的光束，在未加入消像差的成像镜组之前在第一成像像面进行成像，此时查看第一成像像面的像差，并根据光学镜头消像差原理，进行成像镜组设计；在广角成像光路中加入成像镜组之后，反射的光束将在第二成像像面进行成像，并在第二成像像面放置CCD靶面进行全天空成像探测；

第四步：设计匀光光路：在楔板分束镜后设置匀光镜组，使得第一出光面处各个视场光线经过匀光镜组后，以不同角度的平行光到达第二出光面，即每个视场在第二出光面的光斑大小相同且重合。

有益效果：

本发明克服了传统直接采用积分球进行半球空间微光光信号收集、测试，导致信号弱的难题；并且增加全天空成像功能辅助本仪器进行工作。本发明具有很高的通用性与实用性，扩大了微光辐照度仪的使用功能，提高了微光辐照度仪的信噪比及光谱辐射定标精度，对地基半球空间月球光谱辐照度仪的研制提供了思路。

附图说明

图1为本发明的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统的总光路示意图；

图2为楔板分束镜示意图；

图3为未加入成像镜组的光路示意图；

图4为加入成像镜组的广角成像光路示意图；

图5为加入匀光镜组的匀光光路示意图；

图6为未加入匀光镜组的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

本实施例提供一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统及设计方法，具有全天空成像、整晚半球空间月球光谱辐照度信号测试的特点。

如图1所示，本发明的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统包括前置广角镜组1、楔板分束镜2、成像镜组3、CCD靶面4、匀光镜组5、光纤6、可见光模块7、近红外模块8、第一出光面9、第二出光面10、楔板分束镜第一面11、楔板分束镜第二面12、第一成像像面13、第二成像像面14、月球15、反射光路16、透射光路17、计算机18、半球空间月球微光辐照度仪19；通过镀膜技术和光路设计，即可广角成像光路、匀光光路。图1中，虚线框代表整个镜组。

如图2所示，所述镀膜技术是指对楔板分束镜第一面11镀半反半透膜，对楔板分束镜第二面12镀增透膜。其中楔板分束镜第一面11与主光线的夹角为45°，楔板分束镜第二面12与楔板分束镜第一面11存在一定的楔角θ；若该楔角θ为零，即楔板分束镜第一面11与楔板分束镜第二面12平行，则为平行平板分束镜。之所以设计为楔角θ，目的是消除平行平板分束镜引入的鬼像对透射光路17带来的影响，同时减小平行平板分束镜对透射光路17引入的像差。

所述半球空间月球微光辐照度仪光学系统的光路包括前置广角聚光光路、广角成像光路和匀光光路。

所述前置广角聚光光路中，前置广角镜组1采用视场180°、入光口径为78mm的超广角设计方式，可以收集180°半球视场范围内的光束，将其传播至楔板分束镜第一面11处。

采用楔板分束镜2进行分光，设计两路光路：广角成像光路与匀光光路。所述广角成像光路为传播至楔板分束镜2的反射光路16，匀光光路为传播至楔板分束镜2的透射光路17；之所以这么设计，是由于分束镜的引入会导致透射光路17引入像差，若将透射光路17作为广角成像光路，则该像差会导致成像质量下降；但将透射光路17作为匀光光路，像差对辐照度光谱信号探测没有影响。因此将透射光路17作为匀光光路，将广角成像光路作为反射光路16；因为楔板分束镜第一面11只起到改变光束传播方向的作用，不引入额外像差。

所述广角成像光路中，经楔板分束镜2反射的光束，在未加入消像差的成像镜组3之前将在第一成像像面13进行成像，如图3所示，此时查看第一成像像面13的系统像差（包括基本像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差），并根据光学镜头消像差原理，进行成像镜组3设计；在广角成像光路中加入成像镜组3之后，反射光束将在第二成像像面14进行成像，并在第二成像像面14放置CCD靶面4进行全天空成像探测，如图4所示。

所述匀光光路如图5所示，后置的匀光镜组5设计为三片镜子；经楔板分束镜2透射的光束传播至匀光镜组5，各个视场的光线经过匀光镜组5输出平行光，最后在第二出光面10处形成半径8.2mm的光斑；前置广角镜组1的广角镜的入光口径为78mm，对应的广角镜入光口的面积为，在广角镜入光口处每点的能量为/>；进入到光学系统的总能量/>与和/>之积成正比。具有总能量/>的光束，经镀有半透半反膜的楔板分束镜2将有一半能量汇聚在第二出光面，即入光口处总能量的一半与第二出光面处10的总能量相等。根据第二出光面10光斑半径8.2mm，对应第二出光面10的面积为/>，将第二出光面10处每点的能量记为/>，根据面积与光束能量成正比的关系，计算得到第二出光面10处每点的能量与广角镜入光口处每点的能量/>的关系如下：

（1）

在经过匀光后的第二出光面10的后端放置光纤探头进行信号采集，光纤6的一端收集信号，两端出射信号，分别连接可见光模块7和近红外模块8。其中，可见光模块7包括狭缝、可见光波段光栅、可见光探测器；近红外模块8包括狭缝、近红外波段光栅、近红外探测器。

由于月球15转动，在晚上不同时刻月球15的位置不同，导致月球15在广角镜头的180°视场范围内移动；即在未加入匀光镜组5前，月球15为半球空间某一视场最亮的光束，携带月球15所在某一视场最亮光束的整个半球空间光束，经过前置广角镜组1、楔板分束镜2所成的像在该系统第一出光面9处是移动的，如图6所示；若在第一出光面9处直接接光纤6，将导致只能在整个夜晚特定时刻才能探测到月球信号。本发明提出在楔板分束镜2后接匀光镜组5，使得第一出光面9处各个视场光线经过匀光镜组5后，以不同角度的平行光到达第二出光面10，即每个视场在第二出光面10的光斑大小相同且重合。

进一步的，结合所学光学知识，目前常用光纤的NA值为0.22，这将要求到达第二出光面10的光线与主光轴的夹角小于13°。由于前置广角镜组1本身视场较大，导致从前置广角镜组1出射光线的物方角较大，进而导致从前置广角镜组1出射光线与系统第二出光面10光线之间的夹角较大，即物像光线偏转角度相差较大，偏转角度越大后置匀光镜组5结构越复杂。所以采用增加匀光镜组5中镜子的个数，控制光线到达每个镜面最大入射角，来减小由于入射角过大造成系统球差增大，导致第二出光面10光照度不均匀，以及光线在匀光镜组5中每个镜子表面的入射角过大，导致光线在匀光镜组5中每个镜子表面的反射损失增加，使第二出光面10的光照度下降；对于偏转角度在35°-50°之间的光学系统，对后置匀光镜组5采用三片镜子进行设计。

所述广角成像光路用于对全天空进行拍摄，通过同一前置广角聚光镜组1经过楔板分束镜2对光路进行分光，通过成像镜组3实现了全天空成像，辅助探测功能；并且通过匀光镜组5实现了整晚对月球15进行半球空间辐照度光谱信号的探测功能；根据天气情况反馈本仪器即半球空间月球微光辐照度仪19是否进行工作，若月球15的月相较小或者有云雾遮挡，则计算机18反馈给半球空间月球微光辐照度仪19，停止信号采集。所述匀光光路用于半球空间月球微光光谱辐照度仪19信号的收集与探测，半球空间的光线经过前置广角镜组1传播至楔板分束镜第一面11进行反射，成像镜组3对光束进行消像差，最终在CCD靶面4处成像。本发明的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统具有很高的通用性与实用性，扩大了微光辐照度仪的使用功能，提高了微光辐照度仪的信噪比及光谱定标精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：包括前置广角聚光光路、广角成像光路和匀光光路；

所述前置广角聚光光路中，前置广角镜组的镜头采用视场180°、口径为78mm超广角，收集180°半球视场范围的光束，将其传播至楔板分束镜第一面处；

所述广角成像光路中，半球视场范围的光束经过前置广角聚光光路中的前置广角镜组传播至楔板分束镜第一面，然后传播至楔板分束镜第一面的光束经过反射到达成像镜组，最终在CCD靶面处成像；

所述匀光光路中，所述楔板分束镜后设置匀光镜组，使得180°半球视场范围的光束经前置广角镜组、楔板分束镜传播后汇聚在第一出光面，汇聚在第一出光面的各个视场的光束经过匀光镜组后，以不同角度的平行光到达第二出光面，每个视场在第二出光面的光斑大小相同且重合，最后在第二出光面处形成半径为8.2mm的光斑；

前置广角镜组的广角镜的入光口径为78mm，对应的广角镜入光口的面积为，在广角镜的入光口处每点的能量为/>；进入到光学系统的总能量/>与/>和广角镜的入光口处每点的能量/>之积成正比；具有总能量/>的光束，经楔板分束镜将有一半能量汇聚在第二出光面，即广角镜的入光口处的总能量的一半与第二出光面处的总能量相等；根据第二出光面的光斑半径8.2mm，对应第二出光面的面积为/>，第二出光面处每点的能量为/>，根据面积与光束能量成正比的关系，计算得到第二出光面处每点的能量/>与广角镜的入光口处每点的能量/>的关系如下：

（1）。

2.根据权利要求1所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：楔板分束镜第一面镀半透半反膜，第二面镀增透膜；其中楔板分束镜第一面与主光线的夹角为45°，楔板分束镜第二面与楔板分束镜第一面存在楔角。

3.根据权利要求1所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：在经过匀光后的第二出光面的后端放置光纤探头进行信号采集，光纤的一端收集信号，两端出射信号，分别连接可见光模块和近红外模块。

4.根据权利要求3所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：可见光模块包括狭缝、可见光波段光栅、可见光探测器；近红外模块包括狭缝、近红外波段光栅、近红外探测器。

5.根据权利要求3所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：光纤的NA值为0.22，使得到达第二出光面的光线与主光轴的夹角小于13°；后置的匀光镜组采用三片镜子。

6.根据权利要求1所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：所述广角成像光路用于对半球空间的天气情况进行拍摄，若月相角较小或者有云雾遮挡，则反馈给半球空间月球微光辐照度仪，停止信号采集。

7.根据权利要求1所述的一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统，其特征在于：通过同一广角聚光镜组经过楔板分束镜对光路进行分光，通过成像镜组实现全天空成像，辅助探测功能；并且通过匀光镜组实现整晚对月球进行半球空间辐照度光谱信号探测功能。

8.一种半球空间月球微光辐照度仪光学系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：设计前置广角镜组，让镜头前180°的光线进入前置广角镜组；

第二步：采用楔板分束镜进行分光，设计两路光路，分别为广角成像光路与匀光光路；所述广角成像光路为传播至楔板分束镜的楔板的反射光路，匀光光路为传播至楔板分束镜的楔板的透射光路；所述楔板分束镜的第二面与第一面存在楔角；

第三步：设计广角成像光路：经楔板分束镜反射的光束，在未加入消像差的成像镜组之前在第一成像像面进行成像，此时查看第一成像像面的像差，并根据光学镜头消像差原理，进行成像镜组设计；在广角成像光路中加入成像镜组之后，反射的光束将在第二成像像面进行成像，并在第二成像像面放置CCD靶面进行全天空成像探测；

第四步：设计匀光光路：在楔板分束镜后设置匀光镜组，使得第一出光面处各个视场光线经过匀光镜组后，以不同角度的平行光到达第二出光面，即每个视场在第二出光面的光斑大小相同且重合。