CN1338642A - 微透镜阵列型光漫透射器 - Google Patents

Abstract

一种微透镜阵列型光漫透射器,由均匀排列的石英微透镜阵列构成,衬底上均匀分布的微孔内安装微透镜,前、后荫罩上均匀分布与微透镜相对应的略小孔径的微孔,微透镜位于前后荫罩之间的衬底微孔中央。前、后荫罩分别作为透镜的孔径光阑和视场光阑。前荫罩的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝发射膜,并加镀SiOx保护膜,后荫罩的表面进行电镀染黑处理,可通过更换具有不同通光孔径的前荫罩来改变透射光亮度。本发明整体机械性能高,重量轻而经济性好,具有很强的抗太空垃圾或陨石等撞击的能力,可用于光学遥感器的辐射定标、空间光通信领域及照明领域,具有广阔的应用前景。

Description

微透镜阵列型光漫透射器

技术领域：

本发明涉及一种光漫透射器，尤其涉及一种微透镜阵列型光漫透射器，可用于光学遥感器的辐射定标、空间光通信系统中光的发送等，属于光学遥感技术和光通信技术领域。

背景技术：

现代遥感技术在资源普查、环境监测、军事侦察、统计预测等方面起着举足轻重的作用，其核心设备就是遥感器，尤其是光学遥感器。现代遥感要求光学遥感器能精确、定量地获取地物的光谱和辐射信息，而光学遥感器在其数年的太空(或天空)运行和工作期间，一些参数将不可避免地发生改变。因此，对遥感器发射前进行预定标和运行轨道上进行定期的机上定标是非常重要的。

在各种机上定标方法中，G.Zimmerman等人(“MOS/PRIRODA-AnimagingVIS/NIR spectrometer for ocean sensing，”SPIE Vol.1937，pp201-206，1993)在为俄罗斯空间站MIR上的空间舱ORURIDA设计成像光谱仪MOS(空间舱光电扫描仪)过程中提出一种绝对定标方案：因为轨道上直射阳光的照度恒定(波动＜0.1％)，利用漫透射器把这个辐照度标准转化为辐亮度标准，实现对光学遥感器进行定标。当进行机上定标时，将遥感器镜头对准太阳，将漫透射器移入光路，漫透射的阳光形成一个辐亮度标准，根据此亮度标准可以测量遥感器的输出，进而实现定标。这种方案的定标精度可达3.5％。

在其原始方案中，光漫透射器是由一块打磨了一个面的石英玻璃板制成。这种漫透射器透射亮度面均匀性好，制造容易，但是由于采用较脆的石英玻璃制成，机械性能较差，在航天发射过程中容易在超重和强震动下碎裂，这种碎裂还将伤及遥感器镜头等其它器件，另外较大块石英玻璃在太空的超低温下的热应力也会影响其光学和机械性能。这些技术缺欠限制了该技术的更广泛应用。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种新的微透镜阵列型光漫透射器，使之重量轻、经济性好，整体机械性能提高而且具有较强的抗撞击能力，应用领域更广。

在Zimmerman的定标方案中，利用打磨的石英板将阳光发散，其发散角近乎2ω＝π，其离轴亮度成cosθ分布，这样将太阳的辐照度标准转化为漫透射器发散光的辐亮度标准。其核心思想是利用石英漫透射板对光的发散能力。同样的道理，平行光经透镜折射后在透镜的焦点处会聚，然后发散。基于这种考虑，本发明利用短焦距微透镜对光的发散原理，使数十个同样结构参数的微透镜形成均匀的阵列，那么平行于光轴入射的阳光被发散(一定的发散角)，在远离透镜焦点的遥感器看来，这种微透镜阵列相当于漫透射板，并且其透射光亮度也是近乎余弦分布，这样也实现了将辐照度标准转化为辐亮度标准，因而可以用于光学遥感器的定标。

本发明的光漫透射器由均匀排列的石英微透镜阵列构成，数十个同样结构参数的微透镜排列成均匀的阵列，漫透射器的前、后荫罩上均匀分布着与微透镜相对应的微孔，微透镜位于前后荫罩之间的衬底微孔中央，前、后荫罩分别作为透镜的孔径光阑和视场光阑。微透镜的焦距很短，太阳光平行于透镜光轴入射后聚焦于焦点，然后扇状发散，在相对远离焦点的位置各透镜的光斑交融，形成均匀照明，这样就实现了将平行太阳光发散为漫透射光。

为了减少平行入射的阳光均匀透射，所有的微透镜的前后荫罩的加工精度必须很高，另外为了减少阳光对镍铬合金衬底的热作用，前荫罩的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝反射膜，并加镀SiOx保护膜。为了减少飞行器和飞行器上的仪器(尤其是遥感器)直接反射阳光和地球等散射的阳光对该漫射体透射光亮度的影响，后荫罩的表面必须进行电镀染黑处理。

本发明中的每个小透镜可以看成是对太阳成像，前面的荫罩是孔径光阑，后面的荫罩是视场光阑。为了消除阳光与光轴不平行时出现的渐晕而导致透射光场不均匀，视场光阑(即前荫罩)应较小，以保证较小的视场角(±2.5°左右)，并且应该处在透镜前f/2处，这样视场光阑通过透镜成虚像于同侧焦平面，可以消除渐晕。

本发明的漫透射器虽然结构相对比较复杂而增加了成本，但是对航天遥感应用来讲，这种成本的增加并不明显。由于采用铝合金或其他轻质合金作为衬底材料，使整体机械性能得到很大提高，可以做的很薄而减少重量，而单纯的打磨的石英漫透射板由于石英的易碎性，所以必须很厚。这样重量的下降至少可以抵消设计和制备的成本。而且这种漫透射器使用的熔石英玻璃(比合金材料贵)大大减少，所以经济性很好。

本发明的透射亮度可以在设计时根据光遥感器的容许辐亮度范围进行调节，便于使亮度在遥感器和辐射定标仪器可接受的范围，光谱特性比较好，在近轴区亮度均匀。

本发明有很强的抗太空垃圾或陨石等撞击的能力。一个物体至多撞坏一个微透镜(概率与太空受撞几率和占空比成正比，与透镜数成反比)，这样对整体的漫透射亮度影响不大。而传统漫透射器一旦受到撞击，整个漫透射器就会碎裂，将无法使用，而且其概率为在太空受撞的几率。

本发明的漫透射器还可以采用更换具有不同通光孔径的前荫罩，实现透射光亮度的改变，便于在不同的定标范围使用。

本发明可用于光学遥感器的辐射定标，上述优点使其具有极好的应用前景。

本发明可用于空间光通信领域实现光的发散和在大气中传输。空间光通信具有无线通信的优势(如可漫游、易于接入等)，还有通信速率高，系统容量大等优点，是目前研究的重点。这种漫透射器可以用于空间光通信系统中光的发送，可以覆盖较大的范围，适合无线光接入网络终端使用。

本发明在照明领域也有很强的应用价值，如建筑和特殊场地的泛光照明，照相时的柔光照明等。

附图说明和具体实施方式：

图1为本发明的平面结构示意图。

图2为本发明图1结构中的A-A向侧视图。

如图所示，本发明的光漫透射器由均匀排列的石英微透镜阵列构成，数十个同样结构参数的微透镜3排列成均匀的阵列，衬底2上均匀分布着一定数量的微孔，每个孔内安装一个微透镜3，并且每个孔的内壁都加工有螺纹，利用压圈6将微透镜3固定在衬底孔内中央位置。漫透射器的前表面为前荫罩4，后表面为后荫罩5，由螺钉1固定在衬底2上，前、后荫罩上均匀分布着位置与微透镜3相对应的微孔，其直径均略小于透镜孔径。微透镜3位于前后荫罩之间的衬底微孔中央，微透镜3之间纵横向间距分别为a和b，每个微透镜3所占的面积为ab。前、后荫罩分别作为透镜的孔径光阑和视场光阑。前荫罩4的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝发射膜，并加镀SiOx保护膜，后荫罩5的表面进行电镀染黑处理。衬底2选用轻质合金材料，微透镜3采用熔石英制造。

本发明可通过更换具有不同通光孔径的前荫罩4来改变透射光亮度。

假设通光孔径面积为A，半径为r，透镜焦距为f，阳光照度为E_s，石英透镜的透射率为τ，则发散角为：tgθ＝r/f，则空间角为Ω＝r²π/f²，其透镜透射光强度为： $I=\frac{E_s\mathrm{A\τ}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{E_s\mathrm{A\τ}}{A/f^2}=E_s\mathrm{\τ}{f}^2.$ 从中可以看出，发光强度与通光孔径无关，仅与阳光照度和透镜焦距的平方成正比。考虑具体的遥感器动态范围通过选取合适的焦距，可以获得满意的漫透射光强。我们定义透镜占空比为d_c＝r²π/ab(式中ab为每个微透镜所占的面积)，则漫透射器的透射光亮度为： $L=\frac{\mathrm{nI}}{\mathrm{nab}}=\frac{E_s\mathrm{\τ}{f}^2}{\mathrm{ab}}=\frac{E_s\mathrm{\τ}{f}^2{d}_c}{r^2\mathrm{\π}}=\frac{E_s\mathrm{\τ}{d}_c}{\mathrm{\Ω}}.$ 其中n表示透镜数量。从中可以看出，在给定的发散角下，该漫透射器的透射光亮度与占空比成正比。这样就可以将辐照度标准转化为辐亮度标准。设计时通过调整透镜的焦距和平均占空比可以设计出不同辐亮度的漫透射器。

比如，太阳在地球附近的照度是10⁵lax左右，微透镜的通光半径为5mm，a＝b＝20mm，漫透射板上透镜的占空比为d_c＝π/16。若透镜焦距为8mm，则Ω＝r²π/f²＝π/1.6²，取τ＝0.97，则漫透射板透射光亮度为L＝1.552×10⁴lm/(m²·rad)。这样的亮度一般在光探测器的容许范围内，而且也与实际对地观测时的地面反射亮度相差不远，所以可以实现光学遥感器的辐射定标。

Claims (4)

1、一种微透镜阵列型光漫透射器，其特征在于由均匀排列的石英微透镜阵列构成，衬底(2)上均匀分布着微孔，每个孔内安装的微透镜(3)用压圈(6)固定，前荫罩(4)和后荫罩(5)由螺钉(1)固定在衬底(2)上，前、后荫罩上均匀分布着位置与微透镜(3)相对应的略小孔径的微孔，微透镜(3)位于前后荫罩之间的衬底微孔中央。

2、如权利要求1所说的微透镜阵列型光漫透射器，其特征在于前荫罩(4)的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝发射膜，并加镀SiOx保护膜，后荫罩(5)的表面进行电镀染黑处理。

3、如权利要求1所说的微透镜阵列型光漫透射器，其特征在于衬底(2)选用轻质合金材料，微透镜(3)采用熔石英制造。

4、如权利要求1所说的微透镜阵列型光漫透射器，其特征在于所说的前荫罩(4)可以采用不同的通光孔径来改变透射光亮度。

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