專利名稱：應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光輻射定標(biāo)領(lǐng)域定標(biāo)儀器，具體是用作超光譜遙感類、生物醫(yī)學(xué)類光電探測(cè)系統(tǒng)的定標(biāo)光源。
背景技術(shù)：
在光輻射定標(biāo)領(lǐng)域，定標(biāo)各類光電探測(cè)設(shè)備常使用的光源是積分球光源，積分球光源一般使用溴鎢燈、氙燈等作為發(fā)光介質(zhì)，這類光源工作在寬譜段的模式下，光源的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)與被定標(biāo)儀器所觀測(cè)目標(biāo)的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)不匹配，影響定標(biāo)的精度。使用基于LED等發(fā)光介質(zhì)的積分球光源，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光譜的模擬，但在超光譜應(yīng)用中，受限于LED種類及光譜帶寬的限制，在模擬目標(biāo)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)方面有待提高。傳統(tǒng)的積分球光源，工作在寬譜段的模式下，積分球光源的輻射度量，需要使用燈板系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞，其初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是溯源于標(biāo)準(zhǔn)黑體，該標(biāo)準(zhǔn)傳遞方法不確定度大約在19T5%的量級(jí)。精度較高的標(biāo)準(zhǔn)傳遞方法是溯源于低溫絕對(duì)輻射計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的傳遞方法，可以有效降低定標(biāo)不確定度，但要求光源在單色光模式下進(jìn)行輻射度量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是為了克服已有技術(shù)的缺陷，提供一種能夠精確、快速模擬目標(biāo)光譜，光源的輻射量可以精確度量，適用于超光譜應(yīng)用的超光譜光譜可編程定標(biāo)光源系統(tǒng)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:包括光源，光源的前方光路上依次擺放有準(zhǔn)直系統(tǒng)、準(zhǔn)直物鏡、色散元件，準(zhǔn)直物鏡的光入射端和光出射端分別設(shè)有濾光片、柱透鏡耦合系統(tǒng)，柱透鏡耦合系統(tǒng)后方設(shè)有狹縫，狹縫設(shè)在準(zhǔn)直物鏡的物方焦點(diǎn)處，色散元件的前方光路上依次設(shè)有成像系統(tǒng)、數(shù)字微鏡器件(DMD)，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的有用光的光路上依次設(shè)有光收集透鏡、光纖耦合器，光纖耦合器連接積分球，積分球上安裝有分光輻射計(jì)，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設(shè)有聚焦系統(tǒng)、垃圾光收集器；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)濾光片，選擇用戶所需的工作波段，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)和柱透鏡耦合系統(tǒng)后照明狹縫，從狹縫出射的光經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后再經(jīng)過(guò)其后的色散元件、成像系統(tǒng)，分光譜地成像在數(shù)字微鏡器件上，經(jīng)過(guò)數(shù)字微鏡器件的空間光調(diào)制，選擇所需的波長(zhǎng)及強(qiáng)度信息，經(jīng)過(guò)有用光收集系統(tǒng)和光纖耦合器，導(dǎo)入到積分球中，積分球上安裝監(jiān)視分光輻射計(jì)，通過(guò)光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計(jì)，進(jìn)行反饋控制，模擬出目標(biāo)光譜；垃圾光經(jīng)過(guò)垃圾光收集器消除。被測(cè)儀器對(duì)準(zhǔn)積分球出口進(jìn)行定標(biāo)。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的光源采用溴鎢燈、氙燈、白光激光器等寬波段光源。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的狹縫可更換，狹縫最大寬度0.5mm，兼顧不同應(yīng)用中，高光譜模擬準(zhǔn)確度或高光通量要求。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的準(zhǔn)直物鏡為透射式系統(tǒng)，光闌外置，共6個(gè)透鏡，共使用三種光學(xué)玻璃材料，鏡頭在40(Tl000nm范圍內(nèi)復(fù)消色差。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的色散元件采用棱鏡，棱鏡工作在最小偏轉(zhuǎn)角。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的成像系統(tǒng)的成像鏡頭為透射式系統(tǒng)，共5個(gè)透鏡，三種光學(xué)材料，光闌位置和權(quán)利要求4所述外置光
闌重合。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的積分球有三個(gè)開口，一個(gè)開口用于收集調(diào)制后的有用光，作為輸入口 ；一個(gè)開口安裝監(jiān)視用分光輻射計(jì)；上述兩個(gè)開口位置不影響定標(biāo)設(shè)備觀測(cè)出光口，第三個(gè)開口用作出光口，提供均勻面光源。所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的垃圾光收集器為腔形結(jié)構(gòu)，內(nèi)置倒椎，表面進(jìn)行黑色陽(yáng)極化處理。所述的數(shù)字微鏡器件，使用TI公司生產(chǎn)的商品化數(shù)字微鏡器件(DMD)，DMD可工作在三種狀態(tài)下:“開”、“關(guān)”和“平”狀態(tài)，用于空間光反射式調(diào)制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
按照光譜儀的原理，利用色散元件，實(shí)現(xiàn)光譜細(xì)分，借助于DMD靈活的調(diào)制功能和光譜模擬算法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光譜的模擬。系統(tǒng)光譜分辨率越高，光譜模擬準(zhǔn)確度越高，光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)模擬越精確，有利于降低定標(biāo)過(guò)程中，光譜非匹配引入的不確定度。另一方面，所述的光源系統(tǒng)，可以工作在(準(zhǔn))單色模式下，可以借助于溯源于低溫絕對(duì)輻射計(jì)，基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞方法，準(zhǔn)確地對(duì)光源進(jìn)行輻射度量，有利于提高定標(biāo)精度。


圖1是本發(fā)明的工作原理圖。圖2是本發(fā)明的光譜模擬算法流程圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)是一種基于空間光調(diào)制器的光譜可調(diào)光源系統(tǒng)，主要針對(duì)超光譜遙感類、生物醫(yī)學(xué)類光電探測(cè)系統(tǒng)的高精度定標(biāo)需求而設(shè)計(jì)的一種新型定標(biāo)光源。本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。本發(fā)明中，寬波段的光源1，經(jīng)過(guò)濾光片2，獲得所需的光譜波段。將寬波段的光源經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)3準(zhǔn)直后，再由柱透鏡4聚焦到狹縫5上。在本發(fā)明中，狹縫的寬度決定光源系統(tǒng)的光譜分辨率，也直接決定了光譜模擬的準(zhǔn)確度。狹縫越窄，光譜分辨率越高，光譜模擬越準(zhǔn)確，但光通量也相應(yīng)地降低，狹縫越寬，光譜分辨率越低，光譜模擬準(zhǔn)確度相應(yīng)降低，但光通量提高。
本發(fā)明中，采用可更換狹縫的方式，兼顧光譜模擬高準(zhǔn)確度和高光通量的要求。狹縫5位于其后準(zhǔn)直系統(tǒng)6的物方焦點(diǎn)處。通過(guò)狹縫5的光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭6準(zhǔn)直，照明在色散元件7上。本發(fā)明中，采用棱鏡作為色散元件7。寬譜帶準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)棱鏡色散后，同波長(zhǎng)光譜組分平行出射，經(jīng)過(guò)后面成像系統(tǒng)8，分光譜成像在數(shù)字微鏡器件(DMD) 9上，相當(dāng)于將狹縫5分光譜地成像在了 DMD 9上。此時(shí)，各光譜組分就對(duì)應(yīng)DMD 9上的行(列)像元，稱為光譜維，DMD上列(行)的像元就對(duì)應(yīng)該光譜成分的強(qiáng)度，稱為強(qiáng)度維。光譜維和強(qiáng)度維需要利用高分辨率分光輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，獲得光譜維上波長(zhǎng)和DMD 9行(列)編號(hào)的對(duì)應(yīng)信息和強(qiáng)度維上的強(qiáng)度分布信息?？刂乒庾V維DMD 9像元的“開”、“關(guān)”，實(shí)現(xiàn)光譜組分的選擇；控制強(qiáng)度維DMD 9像元的“開”、“關(guān)”像元數(shù)目，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的高低調(diào)制。將DMD 9調(diào)制后的有用光譜信息，經(jīng)過(guò)光收集透鏡10，直接聚焦或通過(guò)光纖耦合器11導(dǎo)入積分球12中。利用獲得的光譜定標(biāo)信息和強(qiáng)度定標(biāo)信息，借助于光譜模擬算法，模擬出所需的光譜信息，算法流程見(jiàn)圖2。首先將目標(biāo)光譜信息輸入計(jì)算機(jī)中，利用光譜模擬程序A模塊計(jì)算所需的波長(zhǎng)信息及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度量值，即開哪些列(行)DMD像元，開多少個(gè)。利用監(jiān)視分光輻射計(jì)13實(shí)時(shí)采集光譜，得到的光譜稱為瞬時(shí)光譜，將瞬時(shí)光譜和目標(biāo)光譜比對(duì)，反饋給光譜模擬算法B模塊，再進(jìn)行精細(xì)微調(diào)，直到結(jié)果滿足要求為止。光譜模擬結(jié)束后，待定標(biāo)儀器14對(duì)準(zhǔn)積分球出口，進(jìn)行光輻射定標(biāo)。對(duì)經(jīng)過(guò)DMD 9調(diào)制后“關(guān)”狀態(tài)的垃圾光，通過(guò)聚焦透鏡15聚焦在垃圾光收集器16中。本發(fā)明光源的輻射度量可使用經(jīng)過(guò)定標(biāo)的分光輻射計(jì)獲得，待定標(biāo)儀器14對(duì)準(zhǔn)積分器出口觀測(cè)，利用該輻射度量已知的光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)待定標(biāo)儀器14的輻射定標(biāo)。
權(quán)利要求
1.應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:包括光源，光源的前方光路上依次擺放有準(zhǔn)直系統(tǒng)、準(zhǔn)直物鏡、色散元件，準(zhǔn)直物鏡的光入射端和光出射端分別設(shè)有濾光片、柱透鏡耦合系統(tǒng)，柱透鏡耦合系統(tǒng)后方設(shè)有狹縫，狹縫設(shè)在準(zhǔn)直物鏡的前焦點(diǎn)處，色散元件的前方光路上依次設(shè)有成像系統(tǒng)、數(shù)字微鏡器件，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的有用光的光路上依次設(shè)有光收集透鏡、光纖耦合器，光纖耦合器連接積分球，積分球上安裝有分光輻射計(jì)，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設(shè)有聚焦系統(tǒng)、垃圾光收集器；光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)濾光片，選擇用戶所需的工作波段，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)一和柱透鏡耦合系統(tǒng)后照明狹縫，從狹縫出射的光經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后再經(jīng)過(guò)其后的色散元件、成像系統(tǒng)，分光譜地成像在數(shù)字微鏡器件上，經(jīng)過(guò)數(shù)字微鏡器件的空間光調(diào)制，選擇所需的波長(zhǎng)及強(qiáng)度信息，經(jīng)過(guò)有用光收集系統(tǒng)和光纖耦合器，導(dǎo)入到積分球中，積分球上安裝監(jiān)視分光輻射計(jì)，通過(guò)光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計(jì)，進(jìn)行反饋控制，模擬出目標(biāo)光譜；垃圾光經(jīng)過(guò)垃圾光收集器消除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的光源采用溴鎢燈、氙燈、白光激光器等寬波段光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的狹縫可更換，狹縫最大寬度0.5_，兼顧不同應(yīng)用中，高光譜模擬準(zhǔn)確度或高光通量要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的準(zhǔn)直物鏡為透射式系統(tǒng)，光闌外置，共6個(gè)透鏡，共使用三種光學(xué)玻璃材料，鏡頭在40(Tl000nm范圍內(nèi)復(fù)消色差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的色散元件采用棱鏡，棱鏡工作在最小偏轉(zhuǎn)角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的成像系統(tǒng)的成像鏡頭為透射式系統(tǒng)，共5個(gè)透鏡，三種光學(xué)材料，光闌位置和權(quán)利要求4所述的外置光闌重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的積分球有三個(gè)開口，一個(gè)開口用于收集調(diào)制后的有用光，作為輸入口 ；一個(gè)開口安裝監(jiān)視用分光輻射計(jì)；上述兩個(gè)開口位置不影響定標(biāo)設(shè)備觀測(cè)出光口，第三個(gè)開口用作出光口，提供均勻面光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的垃圾光收集器為腔形結(jié)構(gòu)，內(nèi)置倒椎，表面進(jìn)行黑色陽(yáng)極化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于超光譜定標(biāo)的光譜可編程光源系統(tǒng)，包括光源，光源的前方光路上依次擺放有濾光片、準(zhǔn)直系統(tǒng)、柱透鏡耦合系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、色散元件，色散元件的前方光路上依次設(shè)有成像系統(tǒng)、數(shù)字微鏡器件，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的有用光的光路上依次設(shè)有光收集透鏡、光纖耦合器，光纖耦合器連接積分球，積分球上安裝有分光輻射計(jì)，通過(guò)光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計(jì)，進(jìn)行反饋控制，模擬出目標(biāo)光譜；數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設(shè)有聚焦系統(tǒng)、垃圾光收集器，垃圾光被消除。本發(fā)明可以精確模擬目標(biāo)光譜，減少定標(biāo)光源光譜和目標(biāo)光譜非匹配對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響；本發(fā)明對(duì)輻射量進(jìn)行精確度量，有利于提高傳感器的光輻射定標(biāo)精度。
文檔編號(hào)G01J3/10GK103196555SQ201310081668
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者翟文超, 鄭小兵, 陸俊樺, 徐駿, 丁蕾, 李新, 吳浩宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所