CN104359554A - 一种紫外光谱可调谐光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外光谱可调谐光源，包括依次串联的光源系统、准直系统、色散系统、光谱调制系统、投影系统和均匀混光系统；所述准直系统以及所述投影系统均由球面反射镜组成，所述色散系统由平面衍射光栅和一个球面反射镜组成，所述光谱调制系统包括变形镜，所述紫外光谱可调谐光源能够实现光谱范围从300nm到400nm光谱组成成分可调以及光斑亮度可调。本发明可产生光谱成分任意分布及辐射亮度任意调节的复色光，使得有足够准确的光谱分布以进行成像光谱仪及星光敏感器的标定，可以有效减少标定误差，提升校准精度。

Description

一种紫外光谱可调谐光源

技术领域

本发明涉及光学测试技术领域，尤其涉及一种紫外光谱可调谐光源。

背景技术

紫外波段的辐射特性不同于可见光和红外波段，它在空间探测领域具有不可替代的优势，随着探月工程、深空探测计划、以及火星探测等计划的相继发展，受到越来越多的关注。在对紫外载荷进行标定时，紫外模拟器、紫外光源和紫外载荷需要提前进行标定。在标定时常规光源的光谱分布固定，而且与被测地物目标光谱分布差别较大，难以复现被测地物目标光谱信息，校准精度较低，因此建立紫外光谱可调谐光源以提高校准精度十分必要。

标准光源是光学测试类仪器重要的组成部分，现有校准技术中光源多选择卤钨灯或者氙灯，此类光源稳定，但是光谱分布不会变化，无法精确模拟地物表的光谱信息，对后期数据反演精度造成影响。而且通常卤钨灯等光源不能调整亮度，所以无法准确模拟不同星等的星光。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明的目的在于解决现有光谱辐射校准和探测器校准技术不足，提供了一种紫外光谱可调谐光源，它不仅能够提供紫外范围内光谱分布任意可调的均匀光斑，而且能够在一定范围内改变输出均匀光斑的亮度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种紫外光谱可调谐光源，包括依次串联的光源系统、准直系统、色散系统、光谱调制系统、投影系统和均匀混光系统；所述准直系统以及所述投影系统均由球面反射镜组成，所述色散系统由平面衍射光栅和一个球面反射镜组成，所述光谱调制系统包括变形镜，所述紫外光谱可调谐光源能够实现光谱范围从300nm到400nm光谱组成成分可调以及光斑亮度可调。

优选的，可以采取以下设计：

(1)所述平面衍射光栅是平面刻画光栅，所述平面刻画光栅刻线密度范围为300线/mm到3600线/mm。

(2)所述三个球面反射镜的参数均为：口径范围为10mm～500mm，R1面半径范围为30mm～1000mm。

(3)所述三个球面反射镜的反射面反射膜均为高反膜。

(4)所述平面衍射光栅固定在准直系统后方。

(5)所述均匀混光系统采用全反射方式进行混光。

(6)所述均匀混光系统包括导光棒。

本发明涉及的紫外光谱可调谐光源，主要由光源系统、准直系统、色散系统、光谱调制系统、投影系统以及均匀混光系统组成，通过高稳定电源控制光源发出的发散光经过准直系统转化为平行光，照明光源发出具有一定发散角复色光经过准直系统变成发散角很小的平行光，平行光经过色散系统后不同波长的光会以不同方向出射并成像在光谱调制系统上，形成不同频率光谱相互分离的一系列平直谱带，这些平直谱带x方向代表光的频率，y方向代表光的亮度。光谱调制系统相当于空间调制器，空间调制器可以在二维平面每一个位置上任意调制，在x方向进行调制可以选择进入投影系统内的光谱频率，同时对于选定的所有频率光谱，在平直谱带面上y方向的长度越长则代表能量越多，从而亮度越大，通过改变光谱调制系统中的空间调制器可以选择y方向上任意长度的光进入到投影系统从而改变进入到投影系统内光的亮度，目标光谱通过投影系统进入均匀混光系统中，在出口处得到几十个入口处光斑叠加结果，最后在均匀混光系统出口可以输出光谱任意可调的均匀光斑。

本发明有益效果如下：

(1)本发明可实现300nm-400nm任意光谱分布的光的调制，光斑强度可调。

(2)本发明可实现对成像光谱类载荷光谱参数校准精度的有效提升，为后续光学系统提供了可变的光亮度以模拟可变的星等，减少测量误差，提升测量精度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明光谱可调谐光源结构示意图。

图2为本发明光谱可调谐光源的准直系统示意图。

图3为本发明光谱可调谐光源的色散系统示意图。

图4为本发明光谱可调谐光源的空间投影系统示意图。

图5为本发明光谱可调谐光源的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，本发明涉及的紫外光谱可调谐光源，主要由光源系统、准直系统、色散系统、光谱调制系统、投影系统以及均匀混光系统组成，通过高稳定电源控制光源发出的发散光经过准直系统转化为平行光，平行光经过色散系统后不同波长的光会以不同方向出射并成像在光谱调制系统上，形成不同频率光谱相互分离的一系列平直谱带，这些平直谱带x方向代表光的频率，y方向代表光的亮度。光谱调制系统相当于空间调制器，空间调制器可以在二维平面每一个位置上任意调制，在x方向进行调制可以选择目标光谱，同时对于选定的所有频率光谱，在平直谱带面上y方向的长度越长则代表能量越多，从而亮度越大，通过改变光谱调制系统中的空间调制器可以选择y方向上任意长度的光进入到投影系统从而改变进入到投影系统内光的亮度，目标光谱通过投影系统进入均匀混光系统中，在出口处得到几十个入口处光斑叠加结果，最后在均匀混光系统出口可以输出光谱任意可调的均匀光斑。准直系统中的准直镜和色散系统中的成像镜以及投影系统的反射镜均镀有300nm-400nm高反膜。

光源系统通过高稳定电源控制大功率氙灯光源，氙灯光源功率范围从1w～1000W，氙灯通过变压器在瞬间内使十几伏的电压升至两万伏以上的高压脉冲电压，激活氙气灯泡中的氙气在电弧中产生6000K～10000K色温度的强劲光芒，氙灯彻底抛弃了传统的燃烧钨丝发光原理，亮度为传统的钨灯的3-5倍，在紫外波段光谱能量较低，且光谱曲线比较陡峭，氙灯在紫外300nm-400nm波段光谱分布曲线较平滑，而且在300nm-400nm光能组成比例较高，所以该系统可以达到的最大光亮度较高，通过光谱调制系统可以调节输出光的亮度，从而使输出光的光亮度动态范围增加。

如图2所示，准直系统的结构图，准直系统包括一个球面反射镜，入射光的物方F数较大，传统的离轴抛物面镜不易加工，而且后续色散系统产生的像差不易矫正。传统的透射式准直系统采用镜片数量较多，矫正色差需要使用色散系数相差较大的光学玻璃，成本较高。球面反射镜镀有高反射膜，比传统的透射式准直系统光能利用率高。控制光源系统在准直系统焦面前方，使得光源系统发出的光经过准直镜之后产生有较小发散角的近似平行光，再通过色散系统后矫正由色散系统产生的像散，使得像质有很大提高，而且结构紧凑，成本低廉。

球面反射镜基底材料最好选用K9，该反射镜对狭缝发出的光由准直作用，反射镜口径D1范围应控制在10mm～500mm范围内，当反射镜口径D1取26mm时，在满足照明利用率的条件下，系统体积能够达到最小。反射镜中心厚度d1为3mm，反射镜第一面的半径R1为7.75mm，且均镀有在波长0.3μm-0.4μm内反射率大于95％的高反膜。

色散系统的结构图如图3所示，色散系统包括一个平面衍射光栅和一个球面反射镜。更优的，平面衍射光栅可以选用平面刻画光栅，平面刻画光栅刻线密度范围为300线/mm到3600/mm，当光栅刻线1200线/mm效果最优，此时光谱分辨率较高并且系统体积较小。球面反射镜，反射镜口径D2范围应控制在10mm～500mm范围内，当反射镜口径D2为56mm时效果更佳，此时系统光谱分辨率较高并且系统体积较小，曲率半径R2为172mm，反射镜中心厚度d2为7mm，前表面均镀有在波长0.3μm-0.4μm内反射率大于95％的反射膜。色散系统可以将白光分成各个波长相互分离的多束准单色光，并在光谱调制系统上形成一系列平直谱带。

光谱调制系统由变形镜组成，变形镜相当于一个空间调制器，可以在二维方向上每一个坐标点进行调制，色散系统在变形镜上形成一系列的平直谱带，沿谱带的x轴方向光谱频率不断增加，谱带y轴的长度代表该光谱的能量，通过计算机精确控制变形镜上各个坐标点的形变，从而选择目标光谱成分进入投影系统，再通过改变各个频率谱线上进入投影系统内谱带的长度，从而改变进入投影系统内的能量，即可改变整体光源输出端的辐射亮度。

如图4所示，投影系统包括一个球面反射镜，球面反射镜基底材料选择K9玻璃效果较优，反射镜口径D3范围应控制在10mm～500mm范围内，当反射镜口径D3为42mm效果更佳，此时系统光谱分辨率较高且体积较小，曲率半径R3为70mm，反射镜中心厚度d3为4mm，前表面均镀有在波长0.3μm-0.4μm内反射率大于95％的反射膜。投影系统将光谱调制系统发出的光投射到均匀混光系统内。

均匀混光系统：均匀混光系统可以采用现有的混光系统，优选采用导光棒。导光棒采是利用光能在光学玻璃中进行全反射原理工作，在导光棒输入端进入的光在导光棒内进行传输，每次遇到导光棒外壁则发生全反射，可以理解为在导光棒中成了一次像，光线在导光棒内多次进行全反射，得到许叠加在一起的均匀像面，从而在导光棒输出端以近似朗伯辐射体的形式辐射，各个方向上的光亮度相同，而均匀性较好。导光棒体积很小且输出端辐射亮度均匀性很高，特别是导光棒采用全反射原理，输出端能量和输入端能量基本上相等，光能利用率很高。

本发明提供的紫外光谱可调谐光源工作原理：

如图5所示：在成像光谱类载荷光谱校准中，光谱可调谐光源稳定后输出与目标光谱分布向类似的均匀光斑，在光谱可调谐光源输出端连接待测载荷，通过载荷的光谱响应与光源光谱进行对比完成载荷光谱校准。

综上所述，本发明实施例提供了一种紫外光谱可调谐光源，

(1)本发明可实现300nm-400nm任意光谱分布的光的调制，光斑强度可调。

(2)本发明可实现对成像光谱类载荷光谱参数校准精度的有效提升，为后续光学系统提供了可变的光亮度以模拟可变的星等，减少测量误差，提升测量精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种紫外光谱可调谐光源，包括依次串联的光源系统、准直系统、色散系统、光谱调制系统、投影系统和均匀混光系统；所述准直系统以及所述投影系统均由球面反射镜组成，所述色散系统由平面衍射光栅和一个球面反射镜组成，所述光谱调制系统包括变形镜，所述紫外光谱可调谐光源能够实现光谱范围从300nm到400nm光谱组成成分可调以及光斑亮度可调。

2.根据权利要求1所述的紫外光谱可调谐光源，其特征在于所述平面衍射光栅是平面刻画光栅，所述平面刻画光栅刻线密度范围为300线/mm到3600线/mm。

3.根据权利要求1或2所述的紫外光谱可调谐光源，其特征在于所述三个球面反射镜的参数均为：口径范围为10mm～500mm，反射镜曲率半径R1范围为30mm～1000mm。

4.根据权利要求1至3任一所述的紫外光谱可调谐光源，其特征在于所述三个球面反射镜的反射面反射膜均为高反膜。

5.根据权利要求1至3任一所述的紫外光谱可调谐光源，其特征在于所述平面衍射光栅固定在准直系统后方。

6.根据权利要求1至3任一所述的紫外光谱可调谐光源，其特征在于所述均匀混光系统采用全反射方式进行混光。

7.根据权利要求6所述的紫外光谱可调谐光源，所述均匀混光系统包括导光棒。