太阳光谱辐照度仪光机系统设计

黄雄豪,王洋,李新,张艳娜,刘恩超,张权,郑小兵*

(1中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征重点实验室,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学,安徽 合肥 230026)

0 引言

太阳是地球的主要能源,地球内部的热流对其能量的共享只占约0.03%,其余能量全靠太阳提供。然而太阳是个变化的星球,其在时间尺度上的变化从几分钟到几十年不等[1]。目前研究太阳对地球的影响主要集中在太阳总辐照度(TSI)与光谱辐照度(SSI),并且太阳总辐照度和光谱辐照度是人类研究地球长期气候演变、大气和海洋变化的两个关键参数[2]。研究太阳总辐照度的仪器比较多,但不能提供对应的光谱信息,而光谱辐照度对太阳和地球大气物理学的研究都很重要[2-4]。早期研究太阳光谱辐照度的仪器大多集中在紫外波段,因为太阳在紫外波段辐照度变化大,并且研究紫外波段太阳光谱辐照度变化对研究地球平流层臭氧趋势和中纬度平流层环流很重要[5,6]。然而对于更宽波段的太阳光谱辐照度研究很少。近年来,对于宽波段太阳辐照度的研究处于积极探索中。其中比较有代表性的星上仪器有欧空局2008年发射的新一代SOLAR上携带的SOLSPEC,其光谱范围为165～3080 nm,选用的分光元件为光栅[7]。NASA于2017年发射的TSIS-1光谱范围为200～2400 nm,采用棱镜分光[8]。用于地面观测太阳光谱辐照度的仪器有日本Prede公司研制的PGS-100等,该仪器波长观测范围为400～1100 nm,不能用于观测1100～2500 nm近红外波段太阳光谱辐照度。目前,在地面对380～2500 nm光谱范围内太阳光谱辐照度的研究比较少,故需研制此光谱范围内用于地面监测太阳光谱辐照度变化的仪器,从而获得高精度太阳光谱辐照度数据。

太阳光谱辐照度仪主光路主要用于获得380～2500 nm的光谱辐照度,是仪器最核心的光路。本文重点介绍了太阳光谱辐照度仪主光路光学系统的设计,通过理论计算设计了色散元件F´ery棱镜的关键结构参数,并采用软件优化。主光路使用一个棱镜即可覆盖整个光谱范围[9]。在棱镜成像焦平面设计和采用两个单元探测器探测两个不同波长的太阳光谱辐照度,并通过旋转棱镜,获得380～2500 nm整个光谱范围内的光谱辐照度。

1 光机设计

1.1 仪器总体设计

由于该仪器用于地面观测太阳光谱辐照度,参考国内外同款仪器以及使用要求,提出仪器的性能指标[10]。太阳在紫外波段变化比较剧烈,波长在400 nm以下时,光谱仪分辨率要求比较高(≤1 nm)。在可见和近红外波段(400～2500 nm),较低的光谱分辨率是可以接受的,原因是太阳Fraunhofer谱线的密度比较低,并且在该波段对光谱进行平滑处理的要求不像在紫外线中那么重要。Harder等[11]证明,如果仪器具有足够高的辐射准确性,则1～40 nm的光谱分辨率足以研究该光谱区域的太阳变化特性。根据仪器应用需求,其波长精度需要优于0.5 nm,否则不足以研究太阳变化特性。

光谱类仪器常用的分光元件有光栅和棱镜。考虑光栅在380～2500 nm光谱范围内有高次重叠现象,光栅的效率相对于棱镜而言要低,并且在该光谱范围内只要一块棱镜即可实现整个光谱的分光。故综合比较,仪器采用色散与汇聚于一体的后表面镀铝膜的F´ery棱镜,该棱镜成像示意图如图1所示。该棱镜结构由F´ery[12]于1911年提出。R是棱镜前表面S1的半径,A是前表面S1的圆心,假定以R为直径,通过A点并与S1面相切构建一个罗兰圆。B点为后表面S2的圆心,S2表面镀反射膜,C点为物点,P、Q为S1上两点。当A、B、C点都在圆上时,∠APC与∠AQC(i1)为物C在表面S1上两条光线的入射角,两个角度值相等。当物点C发出的光为单色光并且折射角i2光线的反向延长线通过后表面S2的圆心时,经过S2面反射和S1面折射后成像在原物点C处。通过几何关系可以得到

图1 F´ery棱镜成像原理图Fig.1 Schematic diagram of the F´ery prism imaging

当物点C发出的光为复合光时,经表面S1后折射复合光的角度范围为i2～i2+di2,经过S2表面反射后在到达S1面的光线的角度范围为i2～i2-di2,故经过S1面折射后光线角度范围为i1～i1-di1。在C点投影到探测器面上的成像长度为

可得成像后的光谱长度为一恒定值。该棱镜集色散与汇聚为一体,使得结构紧凑。但该结构主要缺点是在弧矢方向像散比较严重,用于小视场结构。

棱镜材料选择Suprasil300[13],实验证明在特定温度(大约20°C)范围内,该材料波长λ和折射率nλ之间的关系可近似表示为

方便后期辐照度仪的光谱定标。

根据仪器设计指标,为保证仪器高精度辐射测量,仪器设计时具体考虑了三方面的内容,分别为光谱辐射量的准确性、波长指示的准确性和室外太阳跟踪的准确性。对应三方面的内容分别设计了三条光路,其作用分别为棱镜主光路测量光谱辐射量,参考光路采用“CCD+凹面反射镜”用于波长标定,太阳跟踪光路采用四象限探测器+光阑实现仪器在室外精密跟踪太阳[14,15]。三条光路对应的总体原理示意图如图2所示。图2中消杂散光阑筒用于消杂散光,保护窗采用与棱镜材料相同的Suprasil 300材料,从而吸收波长小于160 nm的辐射,保护棱镜[16]。棱镜和凹面反射镜共轴,采用同一个电机旋转,从而精确测量380～2500 nm波段光谱辐照度。主光路电子快门有两个作用,分别为当电子快门关闭时测量暗电流和在仪器不工作时关闭快门以保护仪器内部元器件。其三维排布如图3所示,凹面镜参考光路平行排布在棱镜主光路上方,两条光路成像互不干涉。

图2 太阳光谱辐照度仪总体原理图Fig.2 Schematic diagram of the solar spectral irradiance monitor

图3 光谱仪CAD模型图Fig.3 CAD model of the solar spectral irradiance monitor

1.2 主光路设计

主光路主要用于光谱辐照度的测量。根据前面的设计指标,为使设计简单并且具有高准确性,仅采用单一棱镜完成仪器的主光路设计。根据前面所述的F´ery棱镜成像原理,首先确定棱镜和狭缝的具体参数。棱镜初始结构选择为Littrow结构,将图1所示棱镜以镀铝的表面S2为中心面对称展开。可获得展开后的棱镜光路示意图,如图4所示。

图4 光进入展开的棱镜示意图Fig.4 Schematic diagram of expanded prism that light passes through

由于太阳光谱辐照度仪光谱范围为380～2500 nm,根据(3)式,其对应的折射率大致范围为1.47～1.43。分析时取平均折射率1.45,并代入(3)式可得波长约为1000 nm,故在分析和设计时将1000 nm设置为主波长。为避免偏振对仪器光谱辐照度测量的影响,进入棱镜的光的入射角选择在布儒斯特角附近[17],并将主波长在棱镜材料中的折射率代入

式中:n1为光在空气中的折射率,n2为光在F´ery棱镜中的折射率,可获得入射角大约为55.4°。棱镜在最小偏向角下具有优越的性能。根据最小偏向角下光线的角度关系,可以得出棱镜前后表面夹角α约为69.2°。F´ery棱镜后表面镀膜,光线在后表面折反,所以主光路F´ery棱镜前后表面夹角为34.6°左右。

根据棱镜光谱仪的半高宽,可大致确定图1所示棱镜前后表面半径以及棱镜焦距。由图3可知,棱镜光谱仪的理论光谱半高全宽可表示为

式中:RFWHM为半高全宽,W为狭缝宽度,Rd为色散倒数,n为折射率,f为棱镜焦距,γ1为光线出射角。将实际参数代入并化简可得棱镜带宽

对于固定狭缝宽度,由理论计算可以得出在1275 nm左右带宽有极大值。根据光学设计指标带宽最大值≤40 nm,将带宽40 nm和波长为1275 nm处的折射率代入(6)式,可获得棱镜焦距与狭缝宽度的关系为

代入已知数值,由此可以得出

综合考虑目前的狭缝制造技术和尺寸测量精度,以及仪器的信噪比、光谱分辨率等因素,仪器狭缝尺寸选择为宽0.3 mm、长7 mm。在满足仪器带宽的要求下,将狭缝宽度值代入(7)式从而得出棱镜前表面与像面距离的初始值为426.4 mm,设计取450 mm。棱镜前后表面截面尺寸通过考虑太阳光发散角和入射狭缝的衍射确定。经过理论计算,棱镜前表面截面尺寸大约为宽28 mm、高19 mm。

将F´ery棱镜计算值输入Zemax软件中[18],根据像差条件获得优化后的F´ery棱镜尺寸。优化过程中,选择1 μm作为主波长,优化函数选择Y方向的均方根半径(RMS Spot Y),优化变量选择棱镜前后表面半径,获得最佳情况下棱镜前后表面半径。因辐照度仪视场较小,畸变对该光学系统的影响很小,如图5所示,约为0.5%,优化时可不考虑畸变的影响。优化后的主光路在Zemax中的排布图、光学畸变图和相应Y方向的点列图结果如图5所示。

由图5可知,在380～2500 nm光谱范围内,RMS Spot Y小于8 μm且大部分值在5 μm左右。主光路中重要光学参数如表1所示。

图5 (a)在Zemax中模拟的主光路示意图;(b)主光路光学系统的畸变;(c)Y方向点列图尺寸Fig.5(a)Simulated diagram of the main light path in Zemax;(b)Distortion of the optical system;(c)Size of Y-direction spots

表1 仪器主光路光学特性参数Table 1 Optical characteristic parameters of main light path for the instrument

对于主光路,最核心的元件为F´ery棱镜,棱镜在加工过程中存在公差,从而对成像造成影响。根据硬件设计的公差即棱镜前后表面半径公差为0.2 mm,棱镜前后表面夹角公差为30′′,采用Zemax模拟其对Y像斑点列图带来的影响。如图6所示,分析波长设置为1 μm,上述公差给Y像斑点列图带来的偏差为0.3 μm,相对300 μm狭缝宽度而言比较小。

图6 主光路的公差分析结果Fig.6 Tolerance results for the main light path

根据Zemax模拟结果,380～2500 nm光谱范围内的太阳光经棱镜色散后,在焦平面上长度为34 mm。由于设计的光谱范围比较宽(380～2500 nm),很难采用一个探测器覆盖此宽光谱,故在主光路焦平面分别采用Si和InGaAs两种类型的探测器采集光谱辐照度。由于光谱色散长度以及波长精度的要求,采用单元探测器而未选用线阵探测器。因为单元探测器为单个像元,每个探测器的有效光敏面直径为5 mm左右,主光路每次探测时,每个探测器只能获得一个波长情况下的光谱辐照度,故需要精密电机带动棱镜旋转,从而获得整个光谱范围内的光谱辐照度。

2 仪器光谱范围与光谱分辨率实验测试

2.1 仪器光谱范围测试

为验证仪器能否在380～2500 nm光谱范围内具有响应信号,将完成后的仪器放于光学平台上测试标准灯,其实验装置如图7所示。将标准灯放置在仪器主光路入射狭缝正前方,距离入射狭缝大约2000 mm,该距离为将标准灯光线模拟为太阳光线而具有0.5°发散角时所计算的值。将消杂光光阑放置在仪器与标准灯之间进行部分消杂光。

图7 仪器光谱响应范围测试装置Fig.7 The experimental apparatus for detecting spectral response range of the spectrometer

标准灯稳定约20 min后运行仪器,获得在参考光路不同像元情况下主光路探测器的电压值。主光路探测器电压值减去自身存在的噪声即为响应电压值,参考光路的像元序号经过光谱定标后对应不同的波长值。通过不同波长下主光路探测器的响应电压值判断仪器的光谱响应范围,实验结果如图8所示,由图可知仪器的光谱响应范围满足380～2500 nm的要求。

图8 仪器的光谱响应结果Fig.8 Results of the spectral response for the spectrometer

2.2 仪器分辨率测试

为验证理论计算获得的整个光谱范围内光谱带宽的准确性,在实验室内搭建光学系统。在可见与红外波段分别取三个波段进行测试,由于红外波段肉眼不可见,故两个光学系统装置有所区别,实物及示意图如图9所示。

由图9可见,可见波段检测装置包含单波长激光器、激光功率稳定器、分束器、波长计、扩束镜。激光器发出的单色光经过功率稳定器后稳定功率,采用波长计实时监测波长变化。由于激光光斑比较小,采用扩束镜扩束后,使得光斑均匀且覆盖仪器入射狭缝区域。红外波段光谱带宽检测装置与可见波段检测装置主要区别在于采用积分球来进行匀光与扩束,并且增加一条可见光路,采用632.8 nm激光器移入光路以检测OPO激光器发出的激光经过小积分球后是否对准仪器。实验分别在可见与红外选择3个波长进行检测,并采用(6)式进行理论计算。实验结果与理论计算结果如图10所示,图中横坐标是经过光谱定标后将像元转化为波长后的结果,实验结果进行峰值归一化处理。分辨率(半高全宽)[17]的具体数值如表2所示。从实验结果可知,两种方式获得的结果比较接近。两者出现偏差的原因有实际光路存在像差、光学元件在加工时存在公差且装调存在一定偏差等。通过理论与实验验证可知仪器的半高宽比较合理,仪器在光谱带宽方面满足设计要求。

表2 仪器半高宽的实验与理论计算结果Table 2 Results of FWHM from the dispersion model and the experiment

图9 (a)可见波段测试示意图;(b)可见波段测试装置;(c)红外波段测试示意图;(d)红外波段测试装置Fig.9(a)Schematic diagram of visible bands;(b)Test equipment chart of visible bands;(c)Schematic diagram of infrared bands;(d)Test equipment chart of infrared bands

图10 (a)理论计算辐照度仪半高全宽;(b)辐照度仪半高全宽实验结果Fig.10(a)Theoretical calculation of the full width at half maximum(FWHM)for the spectrometer;(b)Experimental results of the full width at half maximum

3 结论

详细介绍了太阳光谱辐照度仪(380～2500 nm)的主光路设计。主光路核心色散元件F´ery棱镜的最终参数采用Zemax软件进行优化,通过点列图判断棱镜在该结构下处于较佳状态。在仪器主光路焦平面上通过两个单元探测器并结合棱镜旋转扫描的方式进行整个光谱范围内光谱辐照度探测,并采用实验室检测的方式验证光谱响应范围和仪器的分辨率,验证结果符合设计要求,从而说明仪器的主光路设计在光谱响应范围和分辨率方面的合理性。