CN101526396A - 嵌入式光谱及辐射实时定标装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，包括线列光源组件与视场光阑组件，线列光源组件由光源1、抛物面反射镜2、耦合透镜3及光纤4构成，视场光阑组件5的设计使得成像光束与定标光束可以同时进入成像光谱仪后继光路，最终会聚在面阵探测器上，在成像光谱仪采集每帧图像的同时得到定标数据，实现完全实时的光谱及辐射定标，同时该装置嵌入在成像光谱仪器内部，满足仪器轻小型化的设计要求。

Description

嵌入式光谱及辐射实时定标装置

技术领域

本发明属于光谱及辐射测量领域，具体是指一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，它集成于光谱仪器内部，同时满足成像光谱仪光谱及辐射实时定标的需求。

背景技术

成像光谱仪在获取目标空间信息的同时，以高光谱分辨率得到目标的光谱信息，从而实现对地物目标的识别，其在土地资源调查、农林业、环境与灾害监测、数字城市等国民经济方面以及伪目标识别等军事方面的应用越来越广泛。随着面阵探测器件及分光器件水平的提高，凝视型成像光谱仪得到了一定的发展，并由于信噪比高、成像效率高、光机结构简单、体积小、质量轻以及功耗低等优点，将逐渐得到广泛应用。成像光谱仪在获取到目标的图像和光谱信息后，为了使得到的信息更加真实可靠，在仪器整机完成以后都需要对其进行定标校准。应用于星载或深空探测的光谱仪器，一旦升空就不能像地面装置一样可以再进行定标校准，而且仪器所处的环境状况恶劣，随着时间的推移仪器会受到不同程度的污染和老化，从而影响所获取信息的真实可靠性。为了解决这个问题，一般都在仪器内部加装定标装置或利用地面靶标对相关仪器进行定标校准。

仪器内定标装置通常使用太阳光或定标灯作为光源，当前运行的相当多仪器的内定标装置仅具有辐射定标功能，而且大部分不能够进行实时定标；另外，对深空探测光谱仪器来说，要求其定标装置轻小型化。本发明基于原有定标装置的不足，提出了一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，其目的在于将光谱及辐射定标装置合二为一并集成于仪器内部，实现每帧图像均可采集定标数据而对仪器进行完全实时的定标。该定标装置结构简单、体积小，在满足光谱及辐射实时定标的同时，实现了仪器的轻小型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，实现对凝视型成像光谱仪的光谱及辐射进行实时定标，该装置作为成像光谱仪器的组成部分，满足仪器轻小型化的设计要求。

本发明针对凝视型成像光谱仪器的特点及其实时定标的需求，使用传像光纤束传递光能，并利用在通光孔内壁上涂掺杂稀土元素的涂料形成漫反射板，由此产生辐亮度可调的、含有特征吸收峰的线光源，实现实时的光谱及辐射定标。本发明利用光源1获得辐亮度可调的光源，光源经过抛物面反射镜2反射后经耦合透镜3会聚到光纤束4的入射端面4-1上，其端面排列成圆型的中心对称状，如附图1所示，定标光通过光纤后经线型排列的出射端面4-2出射，进入到视场光阑组件5中的通光孔5-1内，照亮涂有掺杂稀土涂料的45°斜面5-2，形成含有特定吸收峰的光源，由狭缝5-3进入待定标光谱仪器，同时成像光束经过方形光阑5-4也进入仪器，两部分光束经仪器后继光学组件会聚到面阵探测器6上。

本发明装置中，线列定标光源由光源1、抛物面反射镜2、耦合透镜3及光纤4组成，光源1采用钨灯或LED或LD可以获得辐亮度可调的光源，其发出的光耦合进入光纤束4的入射端面4-1，入射端面光纤是聚成一束的，光通过光纤后经出射光纤端面4-2发出，出射端面4-2光纤是排成一列的，形成辐照度可调的线性光源。

附图2为本发明的视场光阑组件结构示意图，其中定标所用光源的产生装置与凝视成像光谱仪的方形光阑合成在一个结构件上，共同位于成像光谱仪的中间像面处；成像光束经过方形光阑5-4进入光谱仪器，而定标光则通过光阑侧面的通光孔5-1进入，在45°斜面5-2上发生漫反射，其中斜面上涂有掺杂稀土元素的涂料，从而产生含有特定吸收峰的线光源，经狭缝5-3进入光谱仪器。当光源1确定时，进入到光纤的光辐亮度与波长规一化函数关系就确定，而线列光纤束、通光孔5-1，涂有掺杂稀土元素涂料的漫反射斜面5-2经特别设计及制作后，具有稳定的化学及物理特性，因此，自狭缝5-3出射的光辐射的辐亮度与波长归一化函数关系确定。这样，调节光源1的光强，就可产生多个能级的归一化辐亮度与波长函数关系相同的光进入待定标仪器，满足光谱仪器辐射定标需要。另外，自狭缝5-3出射的光辐射中包含有多个特征吸收峰，这些特征吸收峰与掺杂的稀土元素固有特性有关，当涂料中所掺杂稀土元素确定后，特征吸收峰就完全确定，满足光谱定标对波长定位的需要。

由于成像光束与定标光束同时入射到仪器内部，两部分光束经仪器内光学系统后会聚到阵列探测器6上，如附图3所示，其中探测器中方形部分用于光谱成像，椭圆形部分用于光谱及辐射定标，此装置可以实现在成像光谱仪器采集每帧图像的同时进行定标，实现完全实时的定标效果。

本发明的优点在于：

1)本发明利用光纤束实现线光源，同时，将掺杂稀土元素的漫反射涂料用于定标装置中，产生含有特征吸收峰的辐亮度可调的线光源。

2)本发明将光谱及辐射定标装置合二为一，且整个定标装置与仪器组为一个整体，如附图5所示，满足光谱及辐射定标轻小型化的要求。

3)本发明中光谱及辐射定标与光谱成像可以同时进行，定标与成像数据通过同一个面阵探测器进行采集，可以对仪器进行完全实时定标。

附图说明

图1是本发明装置线列光源光路示意图

图2是本发明视场光阑组件结构示意图

图3是本发明实施例中所用阵列探测器示意图

图4是实施例中所涂的掺杂稀土元素涂料的反射比光谱曲线图

图5是光谱仪与定标用视场光阑的相对位置关系图

具体实施方式

下面根据图1至图4给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征和实施方法，并不是用来限定本发明的范围。

本实施例是为可见近红外成像光谱仪提供的定标装置，设计寿命为2年，光谱成像谱段为400nm-1000nm，光谱分谱率为10nm，要求光谱定标精度优于1nm，辐射定标精度优于10％。

嵌入式光谱及辐射实时定标装置包括如下几个部分：

1)光源1：在本实施方案中选择长寿命的钨灯作为光源，光源亮度可以通过电压变化进行调节，从而获得不同辐射亮度的光源。

2)抛物面反射镜2：抛物面反射镜采用耐热玻璃PYREX压制成型，在所用玻璃中掺杂B₂O₃，用于改进了玻璃的热稳定性和机械性能，抛物面反射镜内部经高光洁度抛光处理并涂镀高反射膜，可将钨灯的后部光能有效地反射至前方，提高光能利用率。

3)耦合透镜3：耦合透镜采用JGS1玻璃材料，其热稳定性、机械及物理化学性能稳定，根据光纤束参数及入射平行光的情况自行设计与加工，耦合镜只关心能量集中度，对像差要求不高，波前差RMS值小于λ/2即可。

4)光纤束4：光纤束由南京春晖科技实业有限公司按照要求定制，光纤中传输光束的波长范围为400nm-1000nm，其一端排列成圆型的中心对称状，将光束耦合进光纤后，光纤束的另一端排列成线形，因此进入光纤束的辐射成线状的多束细小光束出射。

5)视场光阑组件5：视场光阑组件5如附图2所示，此视场光阑板自行设计，并由上海技物所加工厂加工。它由方形光阑5-4、通光孔5-1、涂有掺杂稀土元素涂料的斜面5-2和狭缝5-3组成，其中方形光阑为6.4×6.4mm、狭缝大小为0.5×6.4mm、通光孔入口大小为1×6.4mm，狭缝与方形光阑间距为1mm；斜面5-2涂有掺杂稀土元素涂料，主要用于产生特征吸收峰及提高光源均匀性的作用，本实施例中使用的涂有掺杂稀土元素涂料的斜面5-2的特征吸收峰①-⑩位置如图4所示。

6)面阵探测器6：面阵探测器采用比利时fillfactory公司的军品CMOS图像传感器STAR250，其像元数512×512，像元尺寸25μm×25μm，光谱响应范围400~1000nm，其中像元数中256×256部分用于光谱成像，如附图3所示方形所圈区域，剩余的部分像元用于定标，如附图3所示椭圆形所圈区域。

如上所述，嵌入式光谱及辐射实时定标装置可产生辐亮度可变的含有特征吸收峰的线光源，与成像光束同时进入待定标光谱仪器后，经后继光路会聚在面阵探测器上，实现对光谱仪器进行完全实时的光谱及辐射定标。

Claims (4)

1.一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，它包括线列光源组件及视场光阑组件(5)，其特征在于：线列光源组件由光源(1)、抛物面反射镜(2)、耦合透镜(3)和特殊设计的光纤束(4)构成；视场光阑组件(5)由通光孔(5-1)、涂有掺杂稀土元素涂料的斜面(5-2)、狭缝(5-3)以及方形光阑(5-4)组成，线列光源组件中的出射光入射到视场光阑组件(5)中的通光孔(5-1)内，经涂有掺杂稀土元素涂料的斜面(5-2)和狭缝(5-3)后与进入方形光阑(5-4)的光谱成像光束同时进入仪器内，对光谱仪器进行完全实时的光谱及辐射定标。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，其特征在于：所说的光源(1)采用钨灯或LED或LD作为光源。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，其特征在于：所说的抛物面反射镜(2)采用热稳定性和机械性能稳定的材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式光谱及辐射实时定标装置，其特征在于：所说的光纤束(4)的入射端面(4-1)聚成一束，排列成圆型的中心对称状，出射端面(4-2)是呈线阵排列，使进入光纤束的辐射成线状的多束细小光束出射。

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