应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统

摘要

本发明公开了一种应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，包括光源，光源的前方光路上依次摆放有滤光片、准直系统、柱透镜耦合系统、狭缝、准直物镜、色散元件，色散元件的前方光路上依次设有成像系统、数字微镜器件，数字微镜器件调制后的有用光的光路上依次设有光收集透镜、光纤耦合器，光纤耦合器连接积分球，积分球上安装有分光辐射计，通过光谱模拟程序和监视分光辐射计，进行反馈控制，模拟出目标光谱；数字微镜器件调制后的垃圾光的光路上依次设有聚焦系统、垃圾光收集器，垃圾光被消除。本发明可以精确模拟目标光谱，减少定标光源光谱和目标光谱非匹配对定标结果的影响；本发明对辐射量进行精确度量，有利于提高传感器的光辐射定标精度。

说明书

技术领域

本发明属于光辐射定标领域定标仪器，具体是用作超光谱遥感类、生物医学类光电探测系统的定标光源。

背景技术

在光辐射定标领域，定标各类光电探测设备常使用的光源是积分球光源，积分球光源一般使用溴钨灯、氙灯等作为发光介质，这类光源工作在宽谱段的模式下，光源的光谱精细结构与被定标仪器所观测目标的光谱精细结构不匹配，影响定标的精度。使用基于LED等发光介质的积分球光源，可以实现目标光谱的模拟，但在超光谱应用中，受限于LED种类及光谱带宽的限制，在模拟目标光谱的精细结构方面有待提高。

传统的积分球光源，工作在宽谱段的模式下，积分球光源的辐射度量，需要使用灯板系统进行标准传递，其初级标准是溯源于标准黑体，该标准传递方法不确定度大约在1%~5%的量级。精度较高的标准传递方法是溯源于低温绝对辐射计，基于标准探测器的传递方法，可以有效降低定标不确定度，但要求光源在单色光模式下进行辐射度量。

发明内容

本发明目的就是为了克服已有技术的缺陷，提供一种能够精确、快速模拟目标光谱，光源的辐射量可以精确度量，适用于超光谱应用的超光谱光谱可编程定标光源系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：包括光源，光源的前方光路上依次摆放有准直系统、准直物镜、色散元件，准直物镜的光入射端和光出射端分别设有滤光片、柱透镜耦合系统，柱透镜耦合系统后方设有狭缝，狭缝设在准直物镜的物方焦点处，色散元件的前方光路上依次设有成像系统、数字微镜器件(DMD)，数字微镜器件调制后的有用光的光路上依次设有光收集透镜、光纤耦合器，光纤耦合器连接积分球，积分球上安装有分光辐射计，数字微镜器件调制后的垃圾光的光路上依次设有聚焦系统、垃圾光收集器；光源发出的光经过滤光片，选择用户所需的工作波段，经过准直系统和柱透镜耦合系统后照明狭缝，从狭缝出射的光经准直物镜准直后再经过其后的色散元件、成像系统，分光谱地成像在数字微镜器件上，经过数字微镜器件的空间光调制，选择所需的波长及强度信息，经过有用光收集系统和光纤耦合器，导入到积分球中，积分球上安装监视分光辐射计，通过光谱模拟程序和监视分光辐射计，进行反馈控制，模拟出目标光谱；垃圾光经过垃圾光收集器消除。被测仪器对准积分球出口进行定标。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的光源采用溴钨灯、氙灯、白光激光器等宽波段光源。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的狭缝可更换，狭缝最大宽度0.5mm，兼顾不同应用中，高光谱模拟准确度或高光通量要求。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的准直物镜为透射式系统，光阑外置，共6个透镜，共使用三种光学玻璃材料，镜头在400~1000nm范围内复消色差。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的色散元件采用棱镜，棱镜工作在最小偏转角。 

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的成像系统的成像镜头为透射式系统，共5个透镜，三种光学材料，光阑位置和权利要求4所述外置光阑重合。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的积分球有三个开口，一个开口用于收集调制后的有用光，作为输入口；一个开口安装监视用分光辐射计；上述两个开口位置不影响定标设备观测出光口，第三个开口用作出光口，提供均匀面光源。

所述的应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统，其特征在于：所述的垃圾光收集器为腔形结构，内置倒椎，表面进行黑色阳极化处理。

所述的数字微镜器件，使用TI公司生产的商品化数字微镜器件（DMD），DMD可工作在三种状态下：“开”、“关”和“平”状态，用于空间光反射式调制。

本发明的优点是：

按照光谱仪的原理，利用色散元件，实现光谱细分，借助于DMD灵活的调制功能和光谱模拟算法，实现目标光谱的模拟。系统光谱分辨率越高，光谱模拟准确度越高，光谱精细结构模拟越精确，有利于降低定标过程中，光谱非匹配引入的不确定度。另一方面，所述的光源系统，可以工作在（准）单色模式下，可以借助于溯源于低温绝对辐射计，基于标准探测器的标准传递方法，准确地对光源进行辐射度量，有利于提高定标精度。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明的光谱模拟算法流程图。

具体实施方式

应用于超光谱定标的光谱可编程光源系统是一种基于空间光调制器的光谱可调光源系统，主要针对超光谱遥感类、生物医学类光电探测系统的高精度定标需求而设计的一种新型定标光源。本发明的系统原理图见图1。

本发明中，宽波段的光源1，经过滤光片2，获得所需的光谱波段。将宽波段的光源经过准直系统3准直后，再由柱透镜4聚焦到狭缝5上。

在本发明中，狭缝的宽度决定光源系统的光谱分辨率，也直接决定了光谱模拟的准确度。狭缝越窄，光谱分辨率越高，光谱模拟越准确，但光通量也相应地降低，狭缝越宽，光谱分辨率越低，光谱模拟准确度相应降低，但光通量提高。  

本发明中，采用可更换狭缝的方式，兼顾光谱模拟高准确度和高光通量的要求。狭缝5位于其后准直系统6的物方焦点处。通过狭缝5的光束，经过准直镜头6准直，照明在色散元件7上。本发明中，采用棱镜作为色散元件7。宽谱带准直光束经过棱镜色散后，同波长光谱组分平行出射，经过后面成像系统8，分光谱成像在数字微镜器件(DMD)9上，相当于将狭缝5分光谱地成像在了DMD 9上。此时，各光谱组分就对应DMD 9上的行（列）像元，称为光谱维，DMD上列（行）的像元就对应该光谱成分的强度，称为强度维。光谱维和强度维需要利用高分辨率分光辐射计进行定标，获得光谱维上波长和DMD 9行（列）编号的对应信息和强度维上的强度分布信息。控制光谱维DMD 9像元的“开”、“关”，实现光谱组分的选择；控制强度维DMD 9像元的“开”、“关”像元数目，实现强度的高低调制。

将DMD 9调制后的有用光谱信息，经过光收集透镜10，直接聚焦或通过光纤耦合器11导入积分球12中。利用获得的光谱定标信息和强度定标信息，借助于光谱模拟算法，模拟出所需的光谱信息，算法流程见图2。首先将目标光谱信息输入计算机中，利用光谱模拟程序A模块计算所需的波长信息及对应的强度量值，即开哪些列（行）DMD像元，开多少个。利用监视分光辐射计13实时采集光谱，得到的光谱称为瞬时光谱，将瞬时光谱和目标光谱比对，反馈给光谱模拟算法B模块，再进行精细微调，直到结果满足要求为止。光谱模拟结束后，待定标仪器14对准积分球出口，进行光辐射定标。

对经过DMD 9调制后“关”状态的垃圾光，通过聚焦透镜15聚焦在垃圾光收集器16中。

本发明光源的辐射度量可使用经过定标的分光辐射计获得，待定标仪器14对准积分器出口观测，利用该辐射度量已知的光源，实现对待定标仪器14的辐射定标。