孔径光阑的衍射效应的检测装置及其方法

摘要

本发明涉及一种孔径光阑的衍射效应的检测装置，包括太阳模拟光源，孔径光阑，透镜，若干个挡光盘和光强检测仪。本发明还涉及一种孔径光阑的衍射效应的检测方法。通过响应函数计算实际衍射光强，通过总光强与衍射光强之差得到几何光强，通过几何光强和总光强之比获得孔径光阑的衍射效应，提升太阳辐照度绝对辐射计的绝对测量精度。

权利要求

1.一种孔径光阑的衍射效应的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

太阳模拟光源，孔径光阑，透镜，若干个挡光盘和光强检测仪；所述太阳模拟光源照明所述孔径光阑形成散射角度为α的几何光和衍射角为θ衍射光；所述透镜的焦距为f，所述孔径光阑位于所述透镜的物方一侧相距所述透镜2f位置，所述光强检测仪位于所述透镜的像方一侧的大于相距所述透镜2f位置；所述挡光盘可选择的位于所述透镜的像方一侧相距所述透镜f位置，所述挡光盘的直径为θ1f，θ2f…θif，i表示挡光盘的个数，i至少等于2，所述挡光盘分别的用于将所述几何光通过所述透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1，θ2…θi的衍射光反射出主光路。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述θi小于所述θ。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述挡光盘的直径为大于αf。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光强检测仪为相机。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述太阳模拟光源和所述孔径光阑之间还设置有限制光阑，所述限制光阑和所述孔径光阑限定了所述几何光的散射角度为α。

6.一种孔径光阑的衍射效应的检测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的检测装置，所述检测方法包括以下步骤：S1：通过所述光强检测仪测量获取通过所述孔径光阑的包含所述几何光和所述衍射光的总光强IT；

S2：借由若干个所述挡光盘将所述几何光通过所述透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1、θ2、…、θi的衍射光反射出主光路，通过所述光强检测仪测量分别获取通过所述孔径光阑的所述衍射光的光强(I1，I2，…，Ii)，i表示挡光盘的个数，i至少等于2；

S3：通过θ1、θ2、…、θi和I1，I2，…，Ii拟合出衍射角与衍射光强的响应函数I＝f(θ)；

S4：将α带入响应函数I＝f(θ)计算衍射角为α的衍射光强ID＝f(α)；

S5：计算几何光强IG＝IT‑ID，计算孔径光阑的衍射效应D＝IG/IT。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述几何光和所述衍射光通过所述透镜在所述透镜的像方一侧的2f处汇聚成成像光斑，所述成像光斑位于所述光强检测仪的视场范围内。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述衍射光通过所述透镜在所述透镜的像方一侧的2f处形成所述衍射光的等大倒像。

说明书

孔径光阑的衍射效应的检测装置及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种衍射效应的检测装置及其方法，更具体的，涉及一种孔径光阑的衍射效应的检测装置及其方法。

背景技术

[0002] 太阳是地球能量之源，太阳辐射输入能量超过地球系统第二大输入能量近一万倍，地球能量平衡直接取决于输入和输出的电磁辐射。即使太阳辐射仅仅发生微小变化，也将不可避免地在区域和全球范畴内对地球气候系统产生自然驱动效应，甚至改变人类历史的发展走向。利用卫星平台从空间长期观测太阳总辐照度，建立太阳辐射观测序列，可以为气候变化研究提供关键数据支撑。自1978年，美国、瑞士、比利时、中国等国家成功发射多种太阳绝对辐射计，积累了40年的空间太阳总辐照度数据。长期观测结果不仅获得了太阳常数，也揭示了TSI在不同的时间尺度上变化，从几分钟到数百万年，最为显著的是十一年的太阳周期。太阳辐射在一个太阳周期变化约0.1％，而在以周计的尺度上变化约0.2％。

[0003] 太阳绝对辐射计的测量目标是辐照度(单位W/m2)，即通过孔径光阑的光功率与面积的比值。然而，由于太阳辐射经过孔径光阑时将产生衍射效应，导致通过孔径光阑的光功率的几何期望值(IG)与实际接收到的总功率(IT)不一致，其比值称为衍射修正系数(D＝IG/IT)，是太阳辐照度绝对辐射计主要修正因子之一。为提升绝对测量精度，需要建立孔径光阑的衍射效应检测装置。目前，国内外大多数采用的是采用理论建模计算获得孔径光阑的衍射效应修正系数，难以实验检测，验证计算结果有效性。

[0004] 目前，在辐射计量领域，衍射效应一直难以实验测量。国内外研究机构已开展相关理论模型建立工作，在近似条件下建立了孔径光阑的衍射效应理论计算方法。根据孔径光阑设计参数，通过理论模型计算获得的衍射修正因子通常为0.1％‑0.3％，有些甚至到达0.5％。由于缺乏孔径光阑衍射效应实验测量手段，无法评估光阑衍射理论修正结果的不确定度，检验理论计算方法可信度。本发明提出一种孔径光阑的衍射效应测量装置，可以用于衍射效应的实验检验，并验证理论计算结果的有效性。

[0005] 因此，现有技术需要进一步改进。

发明内容

[0006] 本发明解决的技术问题是：通过响应函数计算实际衍射光强，通过总光强与衍射光强之差得到几何光强，通过几何光强和总光强之比获得孔径光阑的衍射效应，提升太阳辐照度绝对辐射计的绝对测量精度。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种孔径光阑的衍射效应的检测装置，所述检测装置包括：

[0009] 太阳模拟光源，孔径光阑，透镜，若干个挡光盘和光强检测仪；所述太阳模拟光源照明所述孔径光阑形成散射角度为α的几何光和衍射角为θ衍射光；所述透镜的焦距为f，所述孔径光阑位于所述透镜的物方一侧相距所述透镜2f位置，所述光强检测仪位于所述透镜的像方一侧的大于相距所述透镜2f位置；所述挡光盘可选择的位于所述透镜的像方一侧相距所述透镜f位置，所述挡光盘的直径为θ1f，θ2f…θif，i表示挡光盘的个数，i至少等于2，所述挡光盘分别的用于将所述几何光通过所述透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1，θ2…θi的衍射光反射出主光路。

[0010] 优选的，所述θi小于所述θ。

[0011] 优选的，所述挡光盘的直径为大于αf。

[0012] 优选的，所述光强检测仪为相机。

[0013] 优选的，所述太阳模拟光源和所述孔径光阑之间还设置有限制光阑，所述限制光阑和所述孔径光阑限定了所述几何光的散射角度为α。

[0014] 本发明还提供了一种孔径光阑的衍射效应的检测方法，采用如上所述的检测装置，所述检测方法包括以下步骤：

[0015] S1：通过所述光强检测仪测量获取通过所述孔径光阑的包含所述几何光和所述衍射光的总光强IT；

[0016] S2：借由若干个所述挡光盘将所述几何光通过所述透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1、θ2、…、θi的衍射光反射出主光路，通过所述光强检测仪测量分别获取通过所述孔径光阑的所述衍射光的光强(I1， I2，…，Ii)，i表示挡光盘的个数，i至少等于2；

[0017] S3：通过θ1、θ2、…、θi和I1，I2，…，Ii拟合出衍射角与衍射光强的响应函数I＝f(θ)；

[0018] S4：将α带入响应函数I＝f(θ)计算衍射角为α的衍射光强ID＝f(α)；

[0019] S5：计算几何光强IG＝IT‑ID，计算孔径光阑的衍射效应D＝IG/IT。

[0020] 优选的，在步骤S1中，所述几何光和所述衍射光通过所述透镜在所述透镜的像方一侧的2f处汇聚成成像光斑，所述成像光斑位于所述光强检测仪的视场范围内。

[0021] 优选的，在步骤S2中，所述衍射光通过所述透镜在所述透镜的像方一侧的2f处形成所述衍射光的等大倒像。

[0022] 本发明通过透镜汇聚通过孔径光阑的衍射光和几何光，并通过一系列遮挡块实现几何光与衍射光的分离及检测，拟合衍射角和衍射光强的响应函数，根据响应函数计算实际衍射光强，通过总光强与衍射光强之差得到几何光强，通过几何光强和总光强之比获得孔径光阑的衍射效应，验证理论模型准确性，提升太阳辐照度绝对辐射计的绝对测量精度。

附图说明

[0023] 图1是本发明的一种孔径光阑的衍射效应的检测装置；

[0024] 图2是在图1所示的检测装置中示孔径光阑衍射效应测量装置的物像关系；

[0025] 图3是在图1所示的检测装置中示出使用相机测量衍射光和几何光的总光强；

[0026] 图4是在图1所示的检测装置中示出使用相机测量一系列衍射光强度。

[0027] 其中，附图标记包括：

[0028] 太阳模拟光源1、孔径光阑2、衍射光3、几何光4、透镜5、光强测试仪6、挡光盘7、限制光阑8、检测装置10。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

[0030] 请参阅图1所示，本发明提供了一种孔径光阑的衍射效应的检测装置10，检测装置包括：太阳模拟光源1，孔径光阑2，透镜5，若干个挡光盘7和光强检测仪6。

[0031] 在一个具体的实施方式中，太阳模拟光源1照明孔径光阑2，从而从孔径光阑2形成散射角度为α的几何光4和衍射角为θ衍射光3。透镜5的焦距为f，孔径光阑2位于透镜5的物方一侧相距透镜2f位置，光强检测仪6位于透镜5的像方一侧的大于相距透镜5两倍焦距(2f)的位置；挡光盘7可选择的位于透镜5的像方一侧相距透镜5一倍焦距(f) 的位置，挡光盘的直径为θ1f，θ2f…θif，i表示挡光盘的个数，i至少等于2，挡光盘分别的用于将几何光通过所述透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1，θ2…θi的衍射光反射出主光路。

[0032] 在一个具体的实施方式中，太阳模拟光源1和孔径光阑2之间还设置有限制光阑8，限制光阑8和孔径光阑2一起限定了几何光4的散射角度为α。

[0033] 在一个具体的实施方式中，在透镜5的像方1f处，通过孔径光阑2 按照直线传播的几何光4成像为直径αf的第一圆形光斑，孔径光阑2的衍射光3成像为直径为θf的第二圆形光斑。在透镜5的像方2f处，几何光4和衍射光3汇聚后成像为与孔径光阑2等大的倒像，其中具体的物像关系如图1所示。

[0034] 在一个优选的实施方式中，挡光盘7为挡光圆盘，挡光盘的直径为θ1f，θ2f…θif，i表示挡光盘的个数，i至少等于2，θi小于θ。

[0035] 在另一个优选的实施方式中，挡光盘7为挡光圆盘，挡光圆盘的直径为大于αf。

[0036] 由于几何光汇聚的圆形光斑直径αf很小，无法恰好只遮挡几何光并让衍射光全部通过，因此在透镜5像方1f位置分别放置直径为θ1f、θ2f、…、θif的圆形遮光块，分别将衍射角小于θ1、θ2、…、θi的衍射光和几何光反射出主光路。

[0037] 在一个具体的实施方式中，光强检测仪为相机。

[0038] 通过本发明提供的检测装置，通过设置若干个挡光板实现几何光与衍射光的分离及检测，拟合衍射角和衍射光强的响应函数，根据响应函数计算实际衍射光强，通过总光强与衍射光强之差得到几何光强，通过几何光强和总光强之比获得孔径光阑的衍射效应。

[0039] 本发明还提出了一种孔径光阑的衍射效应的检测方法，检测方法包括以下步骤：

[0040] S1：通过光强检测仪测量获取通过孔径光阑的包含几何光和所述衍射光的总光强(IT)；

[0041] S2：借由若干个挡光盘将几何光通过透镜形成几何期望光和衍射角小于θ1、θ2、…、θi的衍射光反射出主光路，通过光强检测仪测量分别获取通过孔径光阑的衍射光的光强(I1，I2，…，Ii)，i表示挡光盘的个数，i至少等于2；

[0042] S3：通过θ1、θ2、…、θi和I1，I2，…，Ii拟合出衍射角与衍射光强的响应函数I＝f(θ)；

[0043] S4：将α带入响应函数I＝f(θ)计算衍射角为α的衍射光强ID＝f(α)；

[0044] S5：计算几何光强IG＝IT‑ID，计算孔径光阑的衍射效应D＝IG/IT。

[0045] 请一并参阅图2至图4所示，孔径光阑2放置在透镜5(焦距f) 的物方两倍焦距(2f)位置。

[0046] 下面，将进一步描述步骤S1。

[0047] 用太阳模拟光源1(散射角度α)通过限制光阑8和孔径光阑2。在透镜5的像方1f处，通过孔径光阑2按照直线传播的几何光4成像为直径αf的圆形光斑，孔径光阑2的衍射光3汇聚成直径θf的圆形光斑。在透镜5的像方2f处，几何光4和衍射光3汇聚成像为与孔径光阑2等大的倒像。物像关系请参阅图2所示。

[0048] 具体的，将相机6固定在像方大于2f的位置，并确保成像光斑在相机6视场范围内。使用相机6测量通过孔径光阑2的包含几何光4 和衍射光3的总光强(IT)。

[0049] 下面，将进一步描述步骤S2。

[0050] 请参阅图3，具体的，由于几何光4汇聚的圆形光斑直径αf很小，无法恰好遮挡几何光4并让衍射光3全部通过，在透镜5像方1f位置分别放置直径为θ1f、θ2f、…、θif的挡光板7，分别将衍射角小于θ1、θ2、……、θi的衍射光和几何光反射出主光路，用相机测量此时的衍射光强(I1、I2、…、Ii)，i表示挡光盘的个数，i至少等于2。

[0051] 在一个具体的实施方式中，i等于4，即采用4个挡光板。具体的的，使用θ1、θ2、θ3、θ4和i1、i2、i3、i4数据拟合出衍射角与衍射光强的响应函数(I＝f(θ))，将α带入该函数计算衍射角为α的衍射光强(ID＝f(α))。计算几何光强IG＝IT‑ID，从而计算孔径光阑的衍射效应(D＝IG/IT)。

[0052] 由此，通过本发明提供的检测装置和方法，可以计算出孔径光阑的衍射效应D。

[0053] 本发明提供的一种孔径光阑的衍射效应的检测装置和方法，解决无法实验检测孔径光阑衍射效应的问题。本发明通过透镜汇聚通过孔径光阑的衍射光和几何光，并通过一系列遮挡块实现几何光与衍射光的分离及检测，拟合衍射角和衍射光强的响应函数，根据响应函数计算实际衍射光强，通过总光强与衍射光强之差得到几何光强，通过几何光强和总光强之比获得孔径光阑的衍射效应，验证理论模型准确性，提升太阳辐照度绝对辐射计的绝对测量精度。而通过仿真，也进一步表明本发明提供的检测装置和方法具有实际应用前景。

[0054] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0055] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

[0056] 以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。