專利名稱：應用于超光譜定標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)明屬于光輻射定標領(lǐng)域定標儀器，具體是用作超光譜遙感類、生物醫(yī)學類光電探測系統(tǒng)的定標光源。
背景技術(shù)：
在光輻射定標領(lǐng)域，定標各類光電探測設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，光源的光譜精細結(jié)構(gòu)與被定標儀器所觀測目標的光譜精細結(jié)構(gòu)不匹配，影響定標的精度。使用基于LED等發(fā)光介質(zhì)的積分球光源，可以實現(xiàn)目標光譜的模擬，但在超光譜應用中，受限于LED種類及光譜帶寬的限制，在模擬目標光譜的精細結(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)進行標準傳遞，其初級標準是溯源于標準黑體，該標準傳遞方法不確定度大約在19T5%的量級。精度較高的標準傳遞方法是溯源于低溫絕對輻射計，基于標準探測器的傳遞方法，可以有效降低定標不確定度，但要求光源在單色光模式下進行輻射度量。

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、快速模擬目標光譜，光源的輻射量可以精確度量，適用于超光譜應用的超光譜光譜可編程定標光源系統(tǒng)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
應用于超光譜定標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直系統(tǒng)、準直物鏡、色散元件，準直物鏡的光入射端和光出射端分別設有濾光片、柱透鏡耦合系統(tǒng)，柱透鏡耦合系統(tǒng)后方設有狹縫，狹縫設在準直物鏡的物方焦點處，色散元件的前方光路上依次設有成像系統(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，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設有聚焦系統(tǒng)、垃圾光收集器；光源發(fā)出的光經(jīng)過濾光片，選擇用戶所需的工作波段，經(jīng)過準直系統(tǒng)和柱透鏡耦合系統(tǒng)后照明狹縫，從狹縫出射的光經(jīng)準直物鏡準直后再經(jīng)過其后的色散元件、成像系統(tǒng)，分光譜地成像在數(shù)字微鏡器件上，經(jīng)過數(shù)字微鏡器件的空間光調(diào)制，選擇所需的波長及強度信息，經(jīng)過有用光收集系統(tǒng)和光纖耦合器，導入到積分球中，積分球上安裝監(jiān)視分光輻射計，通過光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計，進行反饋控制，模擬出目標光譜；垃圾光經(jīng)過垃圾光收集器消除。被測儀器對準積分球出口進行定標。所述的應用于超光譜定標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。所述的應用于超光譜定標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，兼顧不同應用中，高光譜模擬準確度或高光通量要求。所述的應用于超光譜定標的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的準直物鏡為透射式系統(tǒng)，光闌外置，共6個透鏡，共使用三種光學玻璃材料，鏡頭在40(Tl000nm范圍內(nèi)復消色差。所述的應用于超光譜定標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。所述的應用于超光譜定標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個透鏡，三種光學材料，光闌位置和權(quán)利要求4所述外置光
闌重合。所述的應用于超光譜定標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開口，一個開口用于收集調(diào)制后的有用光，作為輸入口 ；一個開口安裝監(jiān)視用分光輻射計；上述兩個開口位置不影響定標設備觀測出光口，第三個開口用作出光口，提供均勻面光源。所述的應用于超光譜定標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，表面進行黑色陽極化處理。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)點是:
按照光譜儀的原理，利用色散元件，實現(xiàn)光譜細分，借助于DMD靈活的調(diào)制功能和光譜模擬算法，實現(xiàn)目標光譜的模擬。系統(tǒng)光譜分辨率越高，光譜模擬準確度越高，光譜精細結(jié)構(gòu)模擬越精確，有利于降低定標過程中，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)單色模式下，可以借助于溯源于低溫絕對輻射計，基于標準探測器的標準傳遞方法，準確地對光源進行輻射度量，有利于提高定標精度。


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。
具體實施例方式應用于超光譜定標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)，主要針對超光譜遙感類、生物醫(yī)學類光電探測系統(tǒng)的高精度定標需求而設計的一種新型定標光源。本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖見圖1。本發(fā)明中，寬波段的光源1，經(jīng)過濾光片2，獲得所需的光譜波段。將寬波段的光源經(jīng)過準直系統(tǒng)3準直后，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確度。狹縫越窄，光譜分辨率越高，光譜模擬越準確，但光通量也相應地降低，狹縫越寬，光譜分辨率越低，光譜模擬準確度相應降低，但光通量提高。
本發(fā)明中，采用可更換狹縫的方式，兼顧光譜模擬高準確度和高光通量的要求。狹縫5位于其后準直系統(tǒng)6的物方焦點處。通過狹縫5的光束，經(jīng)過準直鏡頭6準直，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。寬譜帶準直光束經(jīng)過棱鏡色散后，同波長光譜組分平行出射，經(jīng)過后面成像系統(tǒng)8，分光譜成像在數(shù)字微鏡器件(DMD) 9上，相當于將狹縫5分光譜地成像在了 DMD 9上。此時，各光譜組分就對應DMD 9上的行(列)像元，稱為光譜維，DMD上列(行)的像元就對應該光譜成分的強度，稱為強度維。光譜維和強度維需要利用高分辨率分光輻射計進行定標，獲得光譜維上波長和DMD 9行(列)編號的對應信息和強度維上的強度分布信息。控制光譜維DMD 9像元的“開”、“關(guān)”，實現(xiàn)光譜組分的選擇；控制強度維DMD 9像元的“開”、“關(guān)”像元數(shù)目，實現(xiàn)強度的高低調(diào)制。將DMD 9調(diào)制后的有用光譜信息，經(jīng)過光收集透鏡10，直接聚焦或通過光纖耦合器11導入積分球12中。利用獲得的光譜定標信息和強度定標信息，借助于光譜模擬算法，模擬出所需的光譜信息，算法流程見圖2。首先將目標光譜信息輸入計算機中，利用光譜模擬程序A模塊計算所需的波長信息及對應的強度量值，即開哪些列(行)DMD像元，開多少個。利用監(jiān)視分光輻射計13實時采集光譜，得到的光譜稱為瞬時光譜，將瞬時光譜和目標光譜比對，反饋給光譜模擬算法B模塊，再進行精細微調(diào)，直到結(jié)果滿足要求為止。光譜模擬結(jié)束后，待定標儀器14對準積分球出口，進行光輻射定標。對經(jīng)過DMD 9調(diào)制后“關(guān)”狀態(tài)的垃圾光，通過聚焦透鏡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)過定標的分光輻射計獲得，待定標儀器14對準積分器出口觀測，利用該輻射度量已知的光源，實現(xiàn)對待定標儀器14的輻射定標。
權(quán)利要求
1.應用于超光譜定標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直系統(tǒng)、準直物鏡、色散元件，準直物鏡的光入射端和光出射端分別設有濾光片、柱透鏡耦合系統(tǒng)，柱透鏡耦合系統(tǒng)后方設有狹縫，狹縫設在準直物鏡的前焦點處，色散元件的前方光路上依次設有成像系統(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，數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設有聚焦系統(tǒng)、垃圾光收集器；光源發(fā)出的光經(jīng)過濾光片，選擇用戶所需的工作波段，經(jīng)過準直系統(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)準直物鏡準直后再經(jīng)過其后的色散元件、成像系統(tǒng)，分光譜地成像在數(shù)字微鏡器件上，經(jīng)過數(shù)字微鏡器件的空間光調(diào)制，選擇所需的波長及強度信息，經(jīng)過有用光收集系統(tǒng)和光纖耦合器，導入到積分球中，積分球上安裝監(jiān)視分光輻射計，通過光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計，進行反饋控制，模擬出目標光譜；垃圾光經(jīng)過垃圾光收集器消除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于超光譜定標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所述的應用于超光譜定標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_，兼顧不同應用中，高光譜模擬準確度或高光通量要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于超光譜定標的光譜可編程光源系統(tǒng)，其特征在于:所述的準直物鏡為透射式系統(tǒng)，光闌外置，共6個透鏡，共使用三種光學玻璃材料，鏡頭在40(Tl000nm范圍內(nèi)復消色差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于超光譜定標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所述的應用于超光譜定標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個透鏡，三種光學材料，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所述的應用于超光譜定標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開口，一個開口用于收集調(diào)制后的有用光，作為輸入口 ；一個開口安裝監(jiān)視用分光輻射計；上述兩個開口位置不影響定標設備觀測出光口，第三個開口用作出光口，提供均勻面光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用于超光譜定標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，表面進行黑色陽極化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于超光譜定標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、準直系統(tǒng)、柱透鏡耦合系統(tǒng)、狹縫、準直物鏡、色散元件，色散元件的前方光路上依次設有成像系統(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，通過光譜模擬程序和監(jiān)視分光輻射計，進行反饋控制，模擬出目標光譜；數(shù)字微鏡器件調(diào)制后的垃圾光的光路上依次設有聚焦系統(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光譜，減少定標光源光譜和目標光譜非匹配對定標結(jié)果的影響；本發(fā)明對輻射量進行精確度量，有利于提高傳感器的光輻射定標精度。
文檔編號G01J3/10GK103196555SQ201310081668
公開日2013年7月10日 申請日期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 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所