一种滤光辐射计的制作方法

本发明涉及单元探测器技术领域，具体涉及一种滤光辐射计。

背景技术：

光电成像系统目前已经形成了丰富的探测器接口及标准镜头库，不同的探测面尺寸有不同的适配接口，例如小尺寸的相机镜头有标准的m12接口，工业相机通常采用标准的c口或cs口，更大尺寸的则有m42、m58接口等。每种接口都有参数丰富的镜头库，并且各种接口之间可以通过转接环进行适配。

而对于单元探测器的光学系统来说，发展相对落后，单元探测器最典型的应用就是滤光辐射计，是通过滤光片与探测器适配，对光学辐射的波长进行选择性探测。早期的滤光辐射计的设计方面，由于光学探测单元比成像系统简单，光学元件不多，所以长期以来一直都是采用一体化设计，这导致了各厂家独自设计的仪器之间无论是设计参数，还是测量误差特性上均存在显著的差别，并且难以形成规范而统一的评估结果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种滤光辐射计，以解决现有的滤光辐射计的一体化设计造成了评估不统一的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例提供一种滤光辐射计，包括：探测单元和镜头单元，所述探测单元包括内部封装单元探测器的探测外壳，所述镜头单元包括多个光学模块，每个光学模块中封装有光学元件，所述多个光学模块之间适配连接，所述探测外壳和所述多个光学模块适配连接。

可选地，所述滤光辐射计包括：六通道阵列辐射计、十二通道阵列辐射计或十八通道阵列辐射计，每通道辐射计中包括适配连接的所述探测单元和所述镜头单元。

可选地，所述多个光学模块中接收入射光的光学元件与所述单元探测器的探测平面的距离小于等于100mm。

可选地，所述探测外壳中还包括：接收光阑，所述接收光阑设置在所述单元探测器靠近所述镜头单元的一侧。

可选地，所述多个光学模块包括：由入射方向至出射方向依次设置的接收透镜模块、滤光模块以及耦合模块，所述接收透镜模块中封装接收透镜，所述滤光模块中封装滤光片，所述耦合模块中封装耦合透镜，所述耦合透镜根据所述单元探测器的型号进行位置调整。

可选地，所述接收透镜模块还包括入射光阑，所述滤光模块还包括消光光阑，所述耦合模块还包括视场光阑。

可选地，所述视场光阑的尺寸根据所述滤光辐射计的探测视场计算，所述视场光阑的尺寸通过以下公式计算得到：

其中，fov表示探测视场，r表示视场光阑的半径，d表示接收透镜至视场光阑的距离。

可选地，所述接收透镜模块和所述滤光模块之间包括：多个光阑模块，每个光阑模块中均封装光阑。

可选地，所述多个光学模块包括：由入射方向至出射方向依次设置的入射光阑模块和滤光模块，所述入射光阑模块中封装入射光阑，所述滤光模块中封装滤光片。

可选地，光学模块中封装的光学元件包括：偏振片，当所述滤光辐射计为十二通道阵列辐射计时，所述滤光辐射计的三个通道中设置偏振片，三个通道中的偏振片的相角相差120度。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的滤光辐射计，通过对镜头部分进行了光学元件的模块化设计，并且接口采用标准化设计，方便不同需求应用的系统具有可扩展性和兼容性，即可以方便的通过更换具有独立功能的光学模块，实现波长、视场、偏振角度等参数的配置，且光学元件的模块化设计可以提高光学模块的有效复用，还可以形成镜头的功能模块库，在后续的应用时方便用户在参数配置上形成积木化/模块化的调整配置。同时，通过对单元探测器的封装，实现了探测单元和镜头单元的分体式设计，由此可以在基于参数可配置的模块化镜头库的基础上，能够快速实现滤光辐射计的标准化设计。

本发明实施例提供的滤光辐射计，当镜头单元采用透镜结构时，由于视场角取决于视场光阑，所以入射光阑的口径可以相对扩展，由此可以使得收光效率提高一个数量级，对于天空散射光和夜间的月光等弱信号测量有着极大的性能提升。同时设置的耦合透镜可以适配光束在探测器上的光斑尺寸，当辐射计的长度统一不变的情况下，微调耦合透镜的位置适配于不同的探测器，能够实现最佳适配效率。并且耦合透镜与探测器之间采取离焦耦合，探测器并不位于透镜结构的焦点，所以用于测量直接太阳辐射时，不会由于太阳辐射汇聚的功率过高而损伤探测器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中滤光辐射计的结构示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)以及图2(d)为本发明另一实施例中滤光辐射计的结构示意图；

图3为本发明实施例中滤光辐射计采用双光阑结构时的光线传播图；

图4为本发明另一实施例中滤光辐射计的结构示意图；

图5为本发明另一实施例中滤光辐射计的结构示意图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)为本发明实施例中滤光辐射计采用双光阑结构时探测的光斑仿真结果示意图；

图7(a)、图7(b)、图7(c)为本发明实施例中滤光辐射计采用透镜结构时探测的光斑仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种滤光辐射计，如图1所示，该滤光辐射计包括：探测单元1和镜头单元2，探测单元1包括内部封装单元探测器的探测外壳，镜头单元2包括多个光学模块，每个光学模块中封装有光学元件，多个光学模块之间适配连接，探测外壳和多个光学模块适配连接。

本发明实施例提供的滤光辐射计，通过对镜头部分进行了光学元件的模块化设计，并且接口采用标准化设计，方便不同需求应用的系统具有可扩展性和兼容性，即可以方便的通过更换具有独立功能的光学模块，实现波长、视场、偏振角度等参数的配置，且光学元件的模块化设计可以提高光学模块的有效复用，还可以形成镜头的功能模块库，在后续的应用时方便用户在参数配置上形成积木化/模块化的调整配置。同时，通过对单元探测器的封装，实现了探测单元和镜头单元的分体式设计，由此可以在基于参数可配置的模块化镜头库的基础上，能够快速实现滤光辐射计的标准化设计。

在一实施例中，如图2(a)所示，该滤光辐射计可以是单通道，如图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，也可以在单通道的基础上构建多通道阵列辐射计。其中多通道滤光辐射计包括六通道阵列辐射计、十二通道阵列辐射计或十八通道阵列辐射计，每通道辐射计中包括适配连接的探测单元和镜头单元。

如图2(b)所示，六通道阵列辐射计能够实现六个波长的探测，包括340nm、380nm、500nm、675nm、870nm、936nm，其中前2个波长用于臭氧含量观测，最后1个波长用于水汽含量观测，中间3个波长用于气溶胶光学厚度观测。具体通过在不同通道内设置不同的滤光片实现不同波长的探测。六通道阵列辐射计的单视场为1.3度。

如图2(c)所示，十二通道阵列辐射计能够实现九个波长的探测以及三个偏振通道的构建，九个波长包括340nm、380nm、440nm、500nm、675nm、870nm、936nm、1020nm、1640nm。三个偏振通道中选择波长为870nm相差120度相角的3个偏振片，用于测量大气的偏振特性。

由于偏振片的要求是3个通道之间的相角互为120度，所以需要修改对应光学模块的外径，使其具有角度结构以便方便配装。因此，加装偏振片的光学模块应具有正六边形外形轮廓，即光学模块中采用的法兰为15mm内切圆的六边形，并由16mm圆形切边。六边形会形成6个角度的定位面，标示序号为1～6号面，偏振片装配时只需要将安装角度与1号定位面中心对准即可。偏振片装配时可以装配在封装滤光片的光学模块中，在封装滤光片时需要采用辅助测量装置进行验证，验证无误后对滤光片边缘进行胶封固定，然后将光学模块外壳与偏振片封装为一个带有角度定位面的模组单元。最后，在前后面板的阵列安装孔上对应与六边形法兰进行配准。

如图2(d)所示，十八通道阵列辐射计为9个波长的双视场，波长分别选择340nm、380nm、440nm、500nm、675nm、870nm、936nm、1020nm、1640nm，视场包括1.3度和2.5度，

在一实施例中，对于探测单元，其内部封装有单元探测器，单元探测器的前端设置有接收光阑，探测单元和镜头单元采用螺纹连接。在将单元探测器进行封装时，可以选用和探测器结构相同的外壳，将探测器放入，再将压圈通过螺纹旋紧。对于探测单元的外壳材质可以根据实际环境需要进行选择，例如在类似海洋环境的高盐雾腐蚀环境条件下应用，选用压铸铝结合增强抗腐蚀表面处理工艺或者考虑采用不锈钢或者抗腐蚀性较好的高强度工程塑料。在对环境没有要求时，选用铝或铝合金类的金属材质。

在一实施例中，镜头单元采用双光阑结构，此时，镜头单元的入射方向至出射方向依次设置入射光阑模块和滤光模块，入射光阑模块中封装入射光阑，滤光模块中封装滤光片。该入射光阑和探测单元中的接收光阑共同构成了双光阑结构中的两个光阑，这两个光阑起到了光束孔径的限制作用。如图3所示，双光阑结构中包含斜角αs、视场半角αh以及极限角αl三个视场角参数。其中，接收光阑起到约束斜角和极限角的作用。三个视场角的计算可以用公式(1)、公式(2)以及公式(3)表示。

其中，r表示入射光阑的半径，l表示入射光阑到探测平面的距离，r表示探测平面的半径。根据设计尺寸小型化的要求，双光阑结构中入射光阑和探测平面之间的距离小于等于100mm。

在双光阑结构中，探测视场fov和入射光阑的尺寸之间的关系通过公式(4)表示。

在本发明实施例中，滤光辐射计的视场角为1.3度，则此时视场半角为0.65度，设计入射光阑和探测平面之间的距离为90mm，则入射光阑的尺寸选择2mm左右，具体通过d＝2×tan(0.65π/180)×90≈2mm计算得到。

在一实施例中，对于双光阑结构，除了设置入射光阑模块和滤光模块，还可以设置消光模块，消光模块中设置消光光阑，同时，消光模块的设计还能够起到组合适配从而得到合适的光筒长度。如图4所示，该滤光辐射计包括五个光学模块以及一个探测单元，五个模块从入射到出射方向分别为入射光阑模块21、第一消光模块22、第二消光模块23、滤光模块24、第三消光模块25，其中第一消光模块22、第二消光模块23及第三消光模块25中均设置有消光光阑，用于消除视场内的杂散光。入射光阑模块21中的入射光阑用于确定视场角，滤光模块24中的滤光片用于选择通过该滤光辐射计的谱段波长，同时，滤光模块24中除滤光片外，还设置有消光光阑。而探测单元1中的接收光阑可以用于约束减小探测器的有效尺寸。

在一实施例中，镜头单元采用透镜结构，此时，镜头单元的入射方向至出射方向依次设置有接收透镜模块、滤光模块以及耦合模块，接收透镜模块中封装接收透镜，滤光模块中封装滤光片，耦合模块中封装耦合透镜，耦合透镜根据单元探测器的型号进行位置调整。可选地，耦合模块还包括视场光阑。在该透镜结构中，当耦合模块中设置视场光阑时，视场角由接收透镜至视场光阑的距离与视场光阑半径决定，具体地，该滤光辐射计的探测视场fov和视场光阑的尺寸之间的关系通过公式(5)进行表示：

其中，r表示视场光阑的半径，d表示接收透镜至视场光阑的距离。

根据设计尺寸小型化的要求，透镜结构中接收透镜和探测平面之间的距离小于等于100mm。在本发明实施例中，设置该距离为90mm，由于耦合模块中封装有耦合透镜和视场光阑，设置两者之间耦合间距为25mm，则接收透镜和视场光阑之间的距离为65mm。当探测视场fov为1.3度时，视场半角为0.65度，视场光阑的尺寸可以选择1.5mm左右，具体可以通过d＝2×tan(0.65π/180)×65≈1.5mm计算得到。

在一实施例中，如图5所示，采用透镜结构的镜头单元包括五个光学模块以及一个探测单元1，五个模块从入射到出射方向分别为接收透镜模块31、第四消光模块32、第五消光模块33、滤光模块34、耦合模块35，其中第四消光模块32、第五消光模块33中均设置有消光光阑，用于消除视场内的杂散光。接收透镜对光线起到汇聚作用，滤光模块34中的滤光片用于选择通过该滤光辐射计的谱段波长，同时，滤光模块34中除滤光片外，还设置有消光光阑。耦合透镜起到了将视场光阑处收集到的光线进一步适配耦合，调整光斑尺寸与探测器匹配的作用。

本发明实施例提供的滤光辐射计，当镜头单元采用透镜结构时，由于视场角取决于视场光阑，所以入射光阑的口径可以相对扩展，由此可以使得收光效率提高一个数量级，对于天空散射光和夜间的月光等弱信号测量有着极大的性能提升。同时设置的耦合透镜可以适配光束在探测器上的光斑尺寸，当辐射计的长度统一不变的情况下，微调耦合透镜的位置适配于不同的探测器，能够实现最佳适配效率。并且耦合透镜与探测器之间采取离焦耦合，探测器并不位于透镜结构的焦点，所以用于测量直接太阳辐射时，不会由于太阳辐射汇聚的功率过高而损伤探测器。

在一实施例中，对于镜头单元的多个光学模块，均可以配装光学元件，也可以不装光学元件，当不装配光学元件时，仅具有光阑和尺寸连接作用。当装入光学元件后即承担了该光学元件的功能。所有的组件均适配安装1/2英寸直径的标准光学元件，当配装1/2英寸以下的光学元件时，需要通过适配的压环结构件(例如耦合透镜的尺寸是小于1/2英寸的，所以适配压环能够完全包括该元件进行适配安装)进行装配。同时，未配装光学元件的组件除了具有消光光阑的作用，更是具有尺寸适配的作用，确保入射光阑到视场光阑或到探测器的距离复合设计要求。此外，除上述光学元件外，光学模块中还可以增加偏振片，使得系统具有偏振接收特性。

在一实施例中，对于采用双光阑结构的滤光辐射计，在探测面上的角度响应函数是入射光线经过入射光阑后形成的光斑随角度改变而发生的位置偏移过程。角度响应曲线的形成过程是入射光阑孔径与有效探测孔径之间形成的半影过程。此时，探测平面上接收的光斑仿真结果如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示。对于采用透镜结构的滤光辐射计，经过接收透镜后光束汇聚形成光斑随角度变化的过程也是相似的半影过程，后级的耦合透镜会把视场光阑中发生的半影交集结果再耦合映射在探测器平面上，并同时具有汇聚作用。此时，探测面上接收的光斑仿真结果如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。

从仿真结果来看，带有耦合透镜的系统，光斑能量始终都被限制在有效的圆形区域内。这也正是透镜光线偏折作用的结果，将视场光阑处的半影过程转映射至圆形探测区域内。采用透镜结构时由于透镜的汇聚作用，可以在同样视场角情况下，提高入射光阑直径，使得入射系统中的光通量显著增加，同时适当减小探测器接收面直径。在仿真的结果中，透镜结构的0度对应的探测面上的光功率为0.034w，而双光阑结构的0度所对应的探测面上的光功率为0.0044w。采用透镜结构相对双光阑结构在光通量上提升了一个数量级。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。