本發(fā)明涉及星光照度測量領(lǐng)域，尤其是一種信噪比低、測量精度高的超微弱星光照度測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著光電探測技術(shù)的發(fā)展，在空間目標(biāo)探測、星光導(dǎo)航和生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)ξ⑷豕庹斩鹊臏y量也提出了越來越高的測量要求，比如星光模擬器由當(dāng)前的4等星(大約10-3lx)擴(kuò)展到7等星(大約10-9lx)，lx為勒克斯，照度的國際單位；空間探測目標(biāo)的照度大約在10-11lx水平；生物醫(yī)療領(lǐng)域的熒光照度甚至更低，而當(dāng)前的微光照度計僅能達(dá)到10-3～10-5lx，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到當(dāng)前這些前沿領(lǐng)域的微光照度測量需求。
典型的照度計是由余弦校正器、濾光片、探測器、數(shù)據(jù)處理器組成，在強(qiáng)光照度測量中表現(xiàn)出較高的測量重復(fù)性和精度，但是在超微弱星光測量中信噪比極低，甚至無法捕獲光信號。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種超微弱星光照度測量裝置及方法，解決星光照度計精度差、不能實現(xiàn)超微弱星光測量的問題。
具體的，本發(fā)明提供了一種超微弱星光照度測量裝置，包括光學(xué)鏡頭(1)、分束器(2)、測量通道Ⅰ、測量通道Ⅱ和數(shù)據(jù)處理器(10)；
所述光學(xué)鏡頭(1)與分束器(2)相連，所述測量通道Ⅰ和測量通道Ⅱ分別連接于分束器(2)和數(shù)據(jù)處理器(10)之間；
所述測量通道Ⅰ包括光電探測器Ⅰ(3)、前置放大器Ⅰ(4)和光子計數(shù)器Ⅰ(5)；
所述光電探測器Ⅰ(3)與分束器(2)相連接，其后依次連接前置放大器Ⅰ(4)和光子計數(shù)器Ⅰ(5)，光子計數(shù)器Ⅰ(5)與數(shù)據(jù)處理器(10)相連接；
所述測量通道Ⅱ包括單色器(6)、光電探測器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)、光子計數(shù)器Ⅱ(9)；
所述單色器(6)與分束器(2)相連，單色器(6)后依次連接光電探測器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)和光子計數(shù)器Ⅱ(9)，光子計數(shù)器Ⅱ(9)與數(shù)據(jù)處理器(10)相連接。
進(jìn)一步地，所述光學(xué)鏡頭(1)包括一光闌，光闌的通光孔為直徑D的圓通孔，該光闌通光孔的直徑D是光學(xué)鏡頭(1)的有效口徑。
進(jìn)一步地，所述光學(xué)鏡頭(1)的有效口徑D小于星光模擬器出瞳尺寸D′，視場角2β大于入射光束的發(fā)散角2α，保證入射光全部進(jìn)入光學(xué)鏡頭的范圍內(nèi)，進(jìn)行能量聚集。
進(jìn)一步地，所述分束器(2)光學(xué)口徑為20mm×20mm×20mm，鍍有50％半反半透膜層，光線入射和出射端面鍍0.4μm～0.8μm光學(xué)減反膜，單個表面透射率不低于98％，分束器(2)將入射光束分為兩路，并且盡可能減少入射光束的損失，即減少反射光，增加透射光。
進(jìn)一步地，所述單色器(6)光譜范圍0.4μm～0.8μm，光譜分辨率2nm±1，波長位置重復(fù)精度±1nm，NA值為0.4，對單色器(6)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可獲得不同光譜范圍內(nèi)不同波長的單色光。
特別地，一種所述測量裝置的超微弱星光照度測量方法，包括以下步驟：
步驟一、入射光束經(jīng)過光學(xué)鏡頭(1)進(jìn)行光通量收集，經(jīng)過分束器(2)將入射光束分為兩路；
步驟二、入射光束一路匯聚在光電探測器Ⅰ(3)的光敏面上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號；另一路進(jìn)入單色器(6)上，進(jìn)行色散分光，得到波長為λ的單色光；
步驟三、光電探測器Ⅰ(3)將輸出的電信號經(jīng)過前置放大器Ⅰ(4)進(jìn)行放大；再經(jīng)過光子計數(shù)器Ⅰ(5)對光子進(jìn)行高精度計數(shù)，對入射光的光子數(shù)進(jìn)行計數(shù)，得到光子計數(shù)總量；
步驟四、色散分光后的單色光匯聚在光電探測器Ⅱ(7)的光敏面上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；光電探測器Ⅱ(7)將輸出的電信號經(jīng)過前置放大器Ⅱ(8)進(jìn)行放大；再經(jīng)過光子計數(shù)器Ⅱ(9)對光子進(jìn)行計數(shù)，得到波長為λ的光子數(shù)，對待測光束中的光能光譜分布進(jìn)行測量；
步驟五、對單色器(6)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可得到不同波長的單色光，重復(fù)步驟三和步驟四；
步驟六、光子計數(shù)器Ⅰ(5)和光子計數(shù)器Ⅱ(9)的測量數(shù)值作為輸入數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理器(10)，運(yùn)用超微弱星光照度數(shù)學(xué)模型得到光照度。
進(jìn)一步地，所述超微弱星光照度數(shù)學(xué)模型為：
其中，E—光照度；
A—暗視覺條件下單色光(波長為507nm)的絕對光譜效率值；
h—普朗克常數(shù)；
c—光在真空中的速度；
M—光子計數(shù)器Ⅰ(5)所計數(shù)得到的光子計數(shù)總量；
S—光學(xué)鏡頭入瞳面積，指光闌通光孔的面積，具體為S＝(ΠD2)/4；
ηλ—波長為λ單色光的視見函數(shù)；
λ—入射光的波長；
kλ—波長為λ的光子數(shù)量在光子計數(shù)總量中所占的比例系數(shù)。
進(jìn)一步地，所述kλ為光子計數(shù)器Ⅱ(9)所計數(shù)得到的波長為λ的光子數(shù)與光子計數(shù)器Ⅰ(5)所計數(shù)得到的光子計數(shù)總量之比。
特別地，本發(fā)明的測量裝置及測量方法使用時的限制條件為：
(1)光學(xué)鏡頭(1)的有效口徑D小于星光模擬器出瞳尺寸D′，視場角2β大于入射光束的發(fā)散角為2α，偏差控制在±20％β范圍內(nèi)；
(2)被測光在被測面積上照度均勻，并且該面積覆蓋超微弱星光照度測量裝置中的入瞳面積(S)；
(3)被測光照度測量為非瞬態(tài)測量，即光源可以持續(xù)穩(wěn)定長時間點亮。
本發(fā)明提供了一種超微弱星光照度測量裝置及方法，使用兩條測量通道對光子數(shù)進(jìn)行計數(shù)測量，得到光子計數(shù)總量的同時獲得單色光的光子數(shù)，可得到光子計數(shù)總量中不同波長光子的比例，同時計數(shù)準(zhǔn)確，且不必重復(fù)進(jìn)行測量，同時對光束中的光能光譜分布進(jìn)行測量，可提高光照度測量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)10-13lx超微弱星光照度的測量。
附圖說明
附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
圖1是本發(fā)明的超微弱星光照度測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1-光學(xué)鏡頭、2-分束器、3-光電探測器Ⅰ、4-前置放大器Ⅰ、5-光子計數(shù)器Ⅰ、6-單色器、7-光電探測器Ⅱ、8-前置放大器Ⅱ、9-光子計數(shù)器Ⅱ、10-數(shù)據(jù)處理器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明提供了一種超微弱星光照度測量裝置及方法，微弱星光指的是照度在10-8～10-9lx范圍內(nèi)的星光，超微弱星光指的是照度低于10-9lx的星光。
如圖1所示，該測量裝置包括光學(xué)鏡頭(1)、分束器(2)、測量通道Ⅰ、測量通道Ⅱ和數(shù)據(jù)處理器(10)。
光學(xué)鏡頭(1)與分束器(2)相連，測量通道Ⅰ和測量通道Ⅱ分別連接于分束器(2)和數(shù)據(jù)處理器(10)之間。
測量通道Ⅰ包括光電探測器Ⅰ(3)、前置放大器Ⅰ(4)和光子計數(shù)器Ⅰ(5)。
光電探測器Ⅰ(3)與分束器(2)相連接，其后依次連接前置放大器Ⅰ(4)和光子計數(shù)器Ⅰ(5)，光子計數(shù)器Ⅰ(5)與數(shù)據(jù)處理器(10)相連接。
測量通道Ⅱ包括單色器(6)、光電探測器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)、光子計數(shù)器Ⅱ(9)。
單色器(6)與分束器(2)相連，單色器(6)后依次連接光電探測器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)和光子計數(shù)器Ⅱ(9)，光子計數(shù)器Ⅱ(9)與數(shù)據(jù)處理器(10)相連接。
測量時，使用星光模擬器發(fā)射入射光束，星光模擬器的出瞳直徑D′，所發(fā)射入射光束的發(fā)散角為2α。光學(xué)鏡頭(1)對入射光的能量進(jìn)行聚合，由分束器(2)對入射光進(jìn)行分束，分束后一路入射光由測量通道Ⅰ對入射光的總光子數(shù)進(jìn)行技術(shù)，得到光子計數(shù)總量；另一路由單色器(6)對入射光進(jìn)行分離，得到波長為λ的單色光，由測量通道Ⅱ?qū)θ肷涔庵胁ㄩL為λ的單色光的光子數(shù)進(jìn)行計數(shù)，得到波長為λ的光子數(shù)。
光學(xué)鏡頭(1)的有效口徑20mm±0.02mm，有效焦距100mm±0.1mm，視場角2β為2°±0.1°，該視場角應(yīng)大于入射光束的發(fā)散角為2α。光學(xué)鏡頭(1)采用庫克式三片鏡頭，包括三片透鏡。第一片透鏡前表面曲率半徑49.43mm，厚度6.3±0.1mm，后表面曲率半徑-352.18mm，透鏡材料為SK16。第二片透鏡的前表面與第一片透鏡的后表面之間的間距為11.3±0.1mm，第二片透鏡前表面曲率半徑為-46.86mm，厚度7.2±0.1mm，后表面曲率半徑為44.35mm，透鏡材料為F2。第三片透鏡前表面與第二片透鏡后表面之間的間距為7.2±0.1mm，第三片透鏡前表面曲率半徑119.08mm，厚度7.5±0.1mm，后表面曲率半徑-40.7mm，后表面距離光學(xué)鏡頭的焦面83.7±0.1mm，光學(xué)材料為SK16。光闌位于第二片透鏡與第三片透鏡之間，光闌前表面距離第二片透鏡的后表面為7.2±0.1mm，光闌的通光孔為直徑D＝20mm的圓通孔，該光闌通光孔的直徑D是光學(xué)鏡頭(1)的有效口徑，該有效口徑應(yīng)小于星光模擬器的出瞳直徑D′。三片透鏡的光學(xué)表面均鍍0.4μm～0.8μm光學(xué)減反膜，單個光學(xué)鏡片透射率不低于95％。該鏡頭有利于超微弱星光輻射能量的收集，配合后續(xù)的光電探測器預(yù)估可以實現(xiàn)10-15lx光照度的測量。
分束器(2)為45°分束棱鏡，由兩塊45°直角三棱鏡拼合而成，中間為光學(xué)膠合層。光學(xué)口徑為20mm×20mm×20mm，中間光學(xué)膠合層與入射光線夾角為45°±0.1°，鍍50％半反半透膜層，光線入射和出射端面鍍0.4μm～0.8μm光學(xué)減反膜，透鏡的透射率不低于98％。分束器光學(xué)材料為熔融石英光學(xué)玻璃。
光電探測器Ⅰ(3)采用日本濱松公司的R2949型光電倍增管，配合電制冷器C9144，暗計數(shù)率小于15photons/s，側(cè)窗開口6mm×6mm，前端配有視見函數(shù)ηλ濾光片，可以去除0.4μm～0.8μm以外的光譜。
前置放大器Ⅰ(4)采用美國SRS公司的SR445A高速前置放大器，帶寬不小于350MHz，輸入噪聲不大于2.8nV/Hz。
光子計數(shù)器Ⅰ(5)采用美國SRS公司的SR400光子計數(shù)器，計數(shù)率可達(dá)200MHz，計數(shù)通道設(shè)置有門發(fā)生器，時間設(shè)置范圍5ns～1s。在一次掃描中，SR400可編程實現(xiàn)1～2000次計數(shù)周期的循環(huán)，內(nèi)置的RS-232接口和GPIB接口便于控制設(shè)備和取回數(shù)據(jù)。
單色器(6)的作用是將光束色散為單色光便于光譜分析，所選擇的單色器光譜范圍0.4μm～0.8μm，光譜分辨率2nm±1，波長位置重復(fù)精度±1nm，NA值為0.4。
光電探測器Ⅱ(7)采用日本濱松公司的R2949型光電倍增管，配合電制冷器C9144，暗計數(shù)率小于15photons/s，側(cè)窗開口6mm×6mm，前端配有視見函數(shù)ηλ濾光片，可以去除0.4μm～0.8μm以外的光譜。
前置放大器Ⅱ(8)采用美國SRS公司的SR445A高速前置放大器，帶寬不小于350MHz，輸入噪聲不大于2.8nV/Hz。
光子計數(shù)器Ⅱ(9)采用美國SRS公司的SR400光子計數(shù)器，計數(shù)率可達(dá)200MHz，計數(shù)通道設(shè)置有門發(fā)生器，時間設(shè)置范圍5ns～1s。在一次掃描中，SR400可編程實現(xiàn)1～2000次計數(shù)周期的循環(huán)，內(nèi)置的RS-232接口和GPIB接口便于控制設(shè)備和取回數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理器(10)將兩路輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即按照超微弱星光照度數(shù)學(xué)模型計算得到光照度：
其中，E—光照度，單位lx；
A—暗視覺條件下單色光(波長為507nm)的絕對光譜效率值，lm；
h—普朗克常數(shù)，J/s；
c—光在真空中的速度，m/s；
M—光子計數(shù)器Ⅰ(5)所計數(shù)得到的光子計數(shù)總量；
S—光學(xué)鏡頭入瞳面積，m2，指光闌通光孔的面積，具體為S＝(ΠD2)/4；
ηλ—波長為λ單色光的視見函數(shù)；
λ—入射光的波長，m，其取值范圍為0.4μm～0.8μm，因此λ1＝0.4μm，λn＝0.8μm；
kλ—波長為λ的光子數(shù)量在光子計數(shù)總量中所占的比例系數(shù)，具體為光子計數(shù)器Ⅱ(9)所計數(shù)得到的波長為λ的光子數(shù)與光子計數(shù)器Ⅰ(5)所計數(shù)得到的光子計數(shù)總量之比。
使用該裝置的測量方法具體包括以下步驟：
步驟一、入射光束經(jīng)過光學(xué)鏡頭(1)進(jìn)行光通量收集，經(jīng)過分束器(2)將入射光束分為兩路。
步驟二、入射光束一路匯聚在光電探測器Ⅰ(3)的光敏面上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，入射光束另一路進(jìn)入單色器(6)上，進(jìn)行色散分光，得到波長為λ的單色光。
步驟三、光電探測器Ⅰ(3)將輸出的電信號經(jīng)過前置放大器Ⅰ(4)進(jìn)行放大，提升信號的幅值；再經(jīng)過光子計數(shù)器Ⅰ(5)對光子進(jìn)行高精度計數(shù)，對入射光的光子數(shù)進(jìn)行計數(shù)，得到光子計數(shù)總量。
步驟四、色散分光后的單色光匯聚在光電探測器Ⅱ(7)的光敏面上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；光電探測器Ⅱ(7)將輸出的電信號經(jīng)過前置放大器Ⅱ(8)進(jìn)行放大，提升信號的幅值；再經(jīng)過光子計數(shù)器Ⅱ(9)對光子進(jìn)行高精度計數(shù)，得到波長為λ的光子數(shù)，與步驟四中得到的光子計數(shù)總量相比，得到光子計數(shù)總量中不同波長光子的比例，對待測光束中的光能光譜分布進(jìn)行測量，用于提高光照度測量精度。
步驟五、對單色器(6)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可得到不同波長的單色光，重復(fù)步驟三和步驟四。
步驟六、光子計數(shù)器Ⅰ(5)和光子計數(shù)器Ⅱ(9)的測量數(shù)值作為輸入數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理器(10)，運(yùn)用超微弱星光照度數(shù)學(xué)模型得到光照度。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種超微弱星光照度測量裝置及方法，該裝置使用兩條測量通道對光子數(shù)進(jìn)行計數(shù)測量，得到光子計數(shù)總量的同時獲得單色光的光子數(shù)，可得到光子計數(shù)總量中不同波長光子的比例，同時計數(shù)準(zhǔn)確，且不必重復(fù)進(jìn)行測量，同時對光束中的光能光譜分布進(jìn)行測量，可提高光照度測量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)10-13lx超微弱星光照度的測量。
盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是在不違背本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下，各種修正都是允許的，它們都落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。