CN106908144A - 一种超微弱星光照度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超微弱星光照度测量装置及方法，装置包括光学镜头、分束器、测量通道Ⅰ、测量通道Ⅱ和数据处理器；光学镜头与分束器相连，测量通道Ⅰ和测量通道Ⅱ分别连接于分束器和数据处理器之间；测量通道Ⅰ包括光电探测器Ⅰ、前置放大器Ⅰ和光子计数器Ⅰ；测量通道Ⅱ包括单色器、光电探测器Ⅱ、前置放大器Ⅱ、光子计数器Ⅱ。本装置使用两条测量通道对光子数进行计数测量，得到光子计数总量的同时获得单色光的光子数，可得到光子计数总量中不同波长光子的比例，同时计数准确，且不必重复进行测量，同时对光束中的光能光谱分布进行测量，可提高光照度测量精度，能够实现10^‑13lx超微弱星光照度的测量。

Description

一种超微弱星光照度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及星光照度测量领域，尤其是一种信噪比低、测量精度高的超微弱星光照度测量装置及方法。

背景技术

目前，随着光电探测技术的发展，在空间目标探测、星光导航和生物医疗等领域对对微弱光照度的测量也提出了越来越高的测量要求，比如星光模拟器由当前的4等星(大约10^-3lx)扩展到7等星(大约10^-9lx)，lx为勒克斯，照度的国际单位；空间探测目标的照度大约在10^-11lx水平；生物医疗领域的荧光照度甚至更低，而当前的微光照度计仅能达到10^-3～10^-5lx，远远达不到当前这些前沿领域的微光照度测量需求。

典型的照度计是由余弦校正器、滤光片、探测器、数据处理器组成，在强光照度测量中表现出较高的测量重复性和精度，但是在超微弱星光测量中信噪比极低，甚至无法捕获光信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种超微弱星光照度测量装置及方法，解决星光照度计精度差、不能实现超微弱星光测量的问题。

具体的，本发明提供了一种超微弱星光照度测量装置，包括光学镜头(1)、分束器(2)、测量通道Ⅰ、测量通道Ⅱ和数据处理器(10)；

所述光学镜头(1)与分束器(2)相连，所述测量通道Ⅰ和测量通道Ⅱ分别连接于分束器(2)和数据处理器(10)之间；

所述测量通道Ⅰ包括光电探测器Ⅰ(3)、前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)；

所述光电探测器Ⅰ(3)与分束器(2)相连接，其后依次连接前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)，光子计数器Ⅰ(5)与数据处理器(10)相连接；

所述测量通道Ⅱ包括单色器(6)、光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)、光子计数器Ⅱ(9)；

所述单色器(6)与分束器(2)相连，单色器(6)后依次连接光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)和光子计数器Ⅱ(9)，光子计数器Ⅱ(9)与数据处理器(10)相连接。

进一步地，所述光学镜头(1)包括一光阑，光阑的通光孔为直径D的圆通孔，该光阑通光孔的直径D是光学镜头(1)的有效口径。

进一步地，所述光学镜头(1)的有效口径D小于星光模拟器出瞳尺寸D′，视场角2β大于入射光束的发散角2α，保证入射光全部进入光学镜头的范围内，进行能量聚集。

进一步地，所述分束器(2)光学口径为20mm×20mm×20mm，镀有50％半反半透膜层，光线入射和出射端面镀0.4μm～0.8μm光学减反膜，单个表面透射率不低于98％，分束器(2)将入射光束分为两路，并且尽可能减少入射光束的损失，即减少反射光，增加透射光。

进一步地，所述单色器(6)光谱范围0.4μm～0.8μm，光谱分辨率2nm±1，波长位置重复精度±1nm，NA值为0.4，对单色器(6)进行调节，可获得不同光谱范围内不同波长的单色光。

特别地，一种所述测量装置的超微弱星光照度测量方法，包括以下步骤：

步骤一、入射光束经过光学镜头(1)进行光通量收集，经过分束器(2)将入射光束分为两路；

步骤二、入射光束一路汇聚在光电探测器Ⅰ(3)的光敏面上，进行光电转换，输出电信号；另一路进入单色器(6)上，进行色散分光，得到波长为λ的单色光；

步骤三、光电探测器Ⅰ(3)将输出的电信号经过前置放大器Ⅰ(4)进行放大；再经过光子计数器Ⅰ(5)对光子进行高精度计数，对入射光的光子数进行计数，得到光子计数总量；

步骤四、色散分光后的单色光汇聚在光电探测器Ⅱ(7)的光敏面上，进行光电转换，将光信号转换为电信号；光电探测器Ⅱ(7)将输出的电信号经过前置放大器Ⅱ(8)进行放大；再经过光子计数器Ⅱ(9)对光子进行计数，得到波长为λ的光子数，对待测光束中的光能光谱分布进行测量；

步骤五、对单色器(6)进行调节，则可得到不同波长的单色光，重复步骤三和步骤四；

步骤六、光子计数器Ⅰ(5)和光子计数器Ⅱ(9)的测量数值作为输入数据传输给数据处理器(10)，运用超微弱星光照度数学模型得到光照度。

进一步地，所述超微弱星光照度数学模型为：

其中，E—光照度；

A—暗视觉条件下单色光(波长为507nm)的绝对光谱效率值；

h—普朗克常数；

c—光在真空中的速度；

M—光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量；

S—光学镜头入瞳面积，指光阑通光孔的面积，具体为S＝(ΠD²)/4；

η_λ—波长为λ单色光的视见函数；

λ—入射光的波长；

k_λ—波长为λ的光子数量在光子计数总量中所占的比例系数。

进一步地，所述k_λ为光子计数器Ⅱ(9)所计数得到的波长为λ的光子数与光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量之比。

特别地，本发明的测量装置及测量方法使用时的限制条件为：

(1)光学镜头(1)的有效口径D小于星光模拟器出瞳尺寸D′，视场角2β大于入射光束的发散角为2α，偏差控制在±20％β范围内；

(2)被测光在被测面积上照度均匀，并且该面积覆盖超微弱星光照度测量装置中的入瞳面积(S)；

(3)被测光照度测量为非瞬态测量，即光源可以持续稳定长时间点亮。

本发明提供了一种超微弱星光照度测量装置及方法，使用两条测量通道对光子数进行计数测量，得到光子计数总量的同时获得单色光的光子数，可得到光子计数总量中不同波长光子的比例，同时计数准确，且不必重复进行测量，同时对光束中的光能光谱分布进行测量，可提高光照度测量精度，能够实现10^-13lx超微弱星光照度的测量。

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是本发明的超微弱星光照度测量装置整体结构示意图。

图中：1-光学镜头、2-分束器、3-光电探测器Ⅰ、4-前置放大器Ⅰ、5-光子计数器Ⅰ、6-单色器、7-光电探测器Ⅱ、8-前置放大器Ⅱ、9-光子计数器Ⅱ、10-数据处理器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种超微弱星光照度测量装置及方法，微弱星光指的是照度在10^-8～10^-9lx范围内的星光，超微弱星光指的是照度低于10^-9lx的星光。

如图1所示，该测量装置包括光学镜头(1)、分束器(2)、测量通道Ⅰ、测量通道Ⅱ和数据处理器(10)。

光学镜头(1)与分束器(2)相连，测量通道Ⅰ和测量通道Ⅱ分别连接于分束器(2)和数据处理器(10)之间。

测量通道Ⅰ包括光电探测器Ⅰ(3)、前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)。

光电探测器Ⅰ(3)与分束器(2)相连接，其后依次连接前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)，光子计数器Ⅰ(5)与数据处理器(10)相连接。

测量通道Ⅱ包括单色器(6)、光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)、光子计数器Ⅱ(9)。

单色器(6)与分束器(2)相连，单色器(6)后依次连接光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)和光子计数器Ⅱ(9)，光子计数器Ⅱ(9)与数据处理器(10)相连接。

测量时，使用星光模拟器发射入射光束，星光模拟器的出瞳直径D′，所发射入射光束的发散角为2α。光学镜头(1)对入射光的能量进行聚合，由分束器(2)对入射光进行分束，分束后一路入射光由测量通道Ⅰ对入射光的总光子数进行技术，得到光子计数总量；另一路由单色器(6)对入射光进行分离，得到波长为λ的单色光，由测量通道Ⅱ对入射光中波长为λ的单色光的光子数进行计数，得到波长为λ的光子数。

光学镜头(1)的有效口径20mm±0.02mm，有效焦距100mm±0.1mm，视场角2β为2°±0.1°，该视场角应大于入射光束的发散角为2α。光学镜头(1)采用库克式三片镜头，包括三片透镜。第一片透镜前表面曲率半径49.43mm，厚度6.3±0.1mm，后表面曲率半径-352.18mm，透镜材料为SK16。第二片透镜的前表面与第一片透镜的后表面之间的间距为11.3±0.1mm，第二片透镜前表面曲率半径为-46.86mm，厚度7.2±0.1mm，后表面曲率半径为44.35mm，透镜材料为F2。第三片透镜前表面与第二片透镜后表面之间的间距为7.2±0.1mm，第三片透镜前表面曲率半径119.08mm，厚度7.5±0.1mm，后表面曲率半径-40.7mm，后表面距离光学镜头的焦面83.7±0.1mm，光学材料为SK16。光阑位于第二片透镜与第三片透镜之间，光阑前表面距离第二片透镜的后表面为7.2±0.1mm，光阑的通光孔为直径D＝20mm的圆通孔，该光阑通光孔的直径D是光学镜头(1)的有效口径，该有效口径应小于星光模拟器的出瞳直径D′。三片透镜的光学表面均镀0.4μm～0.8μm光学减反膜，单个光学镜片透射率不低于95％。该镜头有利于超微弱星光辐射能量的收集，配合后续的光电探测器预估可以实现10^-15lx光照度的测量。

分束器(2)为45°分束棱镜，由两块45°直角三棱镜拼合而成，中间为光学胶合层。光学口径为20mm×20mm×20mm，中间光学胶合层与入射光线夹角为45°±0.1°，镀50％半反半透膜层，光线入射和出射端面镀0.4μm～0.8μm光学减反膜，透镜的透射率不低于98％。分束器光学材料为熔融石英光学玻璃。

光电探测器Ⅰ(3)采用日本滨松公司的R2949型光电倍增管，配合电制冷器C9144，暗计数率小于15photons/s，侧窗开口6mm×6mm，前端配有视见函数η_λ滤光片，可以去除0.4μm～0.8μm以外的光谱。

前置放大器Ⅰ(4)采用美国SRS公司的SR445A高速前置放大器，带宽不小于350MHz，输入噪声不大于2.8nV/Hz。

光子计数器Ⅰ(5)采用美国SRS公司的SR400光子计数器，计数率可达200MHz，计数通道设置有门发生器，时间设置范围5ns～1s。在一次扫描中，SR400可编程实现1～2000次计数周期的循环，内置的RS-232接口和GPIB接口便于控制设备和取回数据。

单色器(6)的作用是将光束色散为单色光便于光谱分析，所选择的单色器光谱范围0.4μm～0.8μm，光谱分辨率2nm±1，波长位置重复精度±1nm，NA值为0.4。

光电探测器Ⅱ(7)采用日本滨松公司的R2949型光电倍增管，配合电制冷器C9144，暗计数率小于15photons/s，侧窗开口6mm×6mm，前端配有视见函数η_λ滤光片，可以去除0.4μm～0.8μm以外的光谱。

前置放大器Ⅱ(8)采用美国SRS公司的SR445A高速前置放大器，带宽不小于350MHz，输入噪声不大于2.8nV/Hz。

光子计数器Ⅱ(9)采用美国SRS公司的SR400光子计数器，计数率可达200MHz，计数通道设置有门发生器，时间设置范围5ns～1s。在一次扫描中，SR400可编程实现1～2000次计数周期的循环，内置的RS-232接口和GPIB接口便于控制设备和取回数据。

数据处理器(10)将两路输出数据进行处理，即按照超微弱星光照度数学模型计算得到光照度：

其中，E—光照度，单位lx；

A—暗视觉条件下单色光(波长为507nm)的绝对光谱效率值，lm；

h—普朗克常数，J/s；

c—光在真空中的速度，m/s；

M—光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量；

S—光学镜头入瞳面积，m²，指光阑通光孔的面积，具体为S＝(ΠD²)/4；

η_λ—波长为λ单色光的视见函数；

λ—入射光的波长，m，其取值范围为0.4μm～0.8μm，因此λ₁＝0.4μm，λ_n＝0.8μm；

k_λ—波长为λ的光子数量在光子计数总量中所占的比例系数，具体为光子计数器Ⅱ(9)所计数得到的波长为λ的光子数与光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量之比。

使用该装置的测量方法具体包括以下步骤：

步骤一、入射光束经过光学镜头(1)进行光通量收集，经过分束器(2)将入射光束分为两路。

步骤二、入射光束一路汇聚在光电探测器Ⅰ(3)的光敏面上，进行光电转换，入射光束另一路进入单色器(6)上，进行色散分光，得到波长为λ的单色光。

步骤三、光电探测器Ⅰ(3)将输出的电信号经过前置放大器Ⅰ(4)进行放大，提升信号的幅值；再经过光子计数器Ⅰ(5)对光子进行高精度计数，对入射光的光子数进行计数，得到光子计数总量。

步骤四、色散分光后的单色光汇聚在光电探测器Ⅱ(7)的光敏面上，进行光电转换，将光信号转换为电信号；光电探测器Ⅱ(7)将输出的电信号经过前置放大器Ⅱ(8)进行放大，提升信号的幅值；再经过光子计数器Ⅱ(9)对光子进行高精度计数，得到波长为λ的光子数，与步骤四中得到的光子计数总量相比，得到光子计数总量中不同波长光子的比例，对待测光束中的光能光谱分布进行测量，用于提高光照度测量精度。

步骤五、对单色器(6)进行调节，则可得到不同波长的单色光，重复步骤三和步骤四。

步骤六、光子计数器Ⅰ(5)和光子计数器Ⅱ(9)的测量数值作为输入数据传输给数据处理器(10)，运用超微弱星光照度数学模型得到光照度。

综上所述，本发明提供了一种超微弱星光照度测量装置及方法，该装置使用两条测量通道对光子数进行计数测量，得到光子计数总量的同时获得单色光的光子数，可得到光子计数总量中不同波长光子的比例，同时计数准确，且不必重复进行测量，同时对光束中的光能光谱分布进行测量，可提高光照度测量精度，能够实现10^-13lx超微弱星光照度的测量。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种超微弱星光照度测量装置，其特征在于，包括光学镜头(1)、分束器(2)、测量通道Ⅰ、测量通道Ⅱ和数据处理器(10)；

所述光学镜头(1)与分束器(2)相连，所述测量通道Ⅰ和测量通道Ⅱ分别连接于分束器(2)和数据处理器(10)之间；

所述测量通道Ⅰ包括光电探测器Ⅰ(3)、前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)；

所述光电探测器Ⅰ(3)与分束器(2)相连接，其后依次连接前置放大器Ⅰ(4)和光子计数器Ⅰ(5)，光子计数器Ⅰ(5)与数据处理器(10)相连接；

所述测量通道Ⅱ包括单色器(6)、光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)、光子计数器Ⅱ(9)；

所述单色器(6)与分束器(2)相连，单色器(6)后依次连接光电探测器Ⅱ(7)、前置放大器Ⅱ(8)和光子计数器Ⅱ(9)，光子计数器Ⅱ(9)与数据处理器(10)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种超微弱星光照度测量装置，其特征在于，所述光学镜头(1)包括一光阑，光阑的通光孔为直径D的圆通孔，该光阑通光孔的直径D是光学镜头(1)的有效口径。

3.根据权利要求2所述的一种超微弱星光照度测量装置，其特征在于，所述光学镜头(1)的有效口径D小于星光模拟器出瞳尺寸D′，视场角2β大于入射光束的发散角2α。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种超微弱星光照度测量装置，其特征在于，所述分束器(2)光学口径为20mm×20mm×20mm，镀有半反半透膜层，光线入射和出射端面镀0.4μm～0.8μm光学减反膜，单个表面透射率不低于98％。

5.根据权利要求4任一所述的一种超微弱星光照度测量装置及方法，其特征在于，所述单色器(6)光谱范围0.4μm～0.8μm，光谱分辨率2nm±1，波长位置重复精度±1nm，NA值为0.4。

6.一种使用权利要求1-5所述测量装置的超微弱星光照度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、入射光束经过光学镜头(1)进行光通量收集，经过分束器(2)将入射光束分为两路；

步骤二、入射光束一路汇聚在光电探测器Ⅰ(3)的光敏面上，进行光电转换，输出电信号；另一路进入单色器(6)上，进行色散分光，得到波长为λ的单色光；

步骤三、光电探测器Ⅰ(3)将输出的电信号经过前置放大器Ⅰ(4)进行放大；再经过光子计数器Ⅰ(5)对光子进行高精度计数，对入射光的光子数进行计数，得到光子计数总量；

步骤四、色散分光后的单色光汇聚在光电探测器Ⅱ(7)的光敏面上，进行光电转换，将光信号转换为电信号；光电探测器Ⅱ(7)将输出的电信号经过前置放大器Ⅱ(8)进行放大；再经过光子计数器Ⅱ(9)对光子进行计数，得到波长为λ的光子数，对待测光束中的光能光谱分布进行测量；

步骤五、对单色器(6)进行调节，则可得到不同波长的单色光，重复步骤三和步骤四；

步骤六、光子计数器Ⅰ(5)和光子计数器Ⅱ(9)的测量数值作为输入数据传输给数据处理器(10)，运用超微弱星光照度数学模型得到光照度。

7.根据权利要求6所述的超微弱星光照度测量方法，其特征在于，所述超微弱星光照度数学模型为：

$E=\frac{AhcM}{S}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_n}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\λ}\·k_{\mathrm{\λ}}\·d\mathrm{\λ}$

其中，E—光照度；

A—暗视觉条件下单色光(波长为507nm)的绝对光谱效率值；

h—普朗克常数；

c—光在真空中的速度；

M—光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量；

S—光学镜头入瞳面积，指光阑通光孔的面积，具体为S＝(ΠD²)/4；

η_λ—波长为λ单色光的视见函数；

λ—入射光的波长；

k_λ—波长为λ的光子数量在光子计数总量中所占的比例系数。

8.根据权利要求7所述的超微弱星光照度测量方法，其特征在于，所述k_λ为光子计数器Ⅱ(9)所计数得到的波长为λ的光子数与光子计数器Ⅰ(5)所计数得到的光子计数总量之比。