CN102353447B - 一种用于光谱成像仪的光谱定标装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光谱成像仪的光谱定标装置。宽波段光源(1)发出的光束经光阑(2)和准直透镜(3)后，照射到波长调谐滤光片(4)上，输出呈梳状分布的具有不同波长的多个窄带光信号，经宽波段带通滤光片(5)进行光强调整后，从积分球入射光孔(6)进入积分球(9)进行退偏和空间均匀性处理，积分球出光孔(8)输出面光源；待测光谱成像仪放置在出光孔(8)处进行光谱定标。该装置利用双折射晶体进行光透过率调制，可对通带峰值位置和带宽大小进行调节，能够在宽波段范围内提供随波长变化的多个窄带光强信号，对光谱成像仪光谱定标时不需要波长扫描，可实现一次成像完成波长定标，并适合于大视场、大口径的光谱成像仪定标使用。

Description

一种用于光谱成像仪的光谱定标装置

技术领域

本发明涉及一种用于光谱成像仪的光谱定标装置，特别涉及一种可进行光强调制的均匀面光源，它具有随波长变化出现梳状光强分布的特征。

技术背景

光谱成像仪是集“成像”与“光谱”技术于一体，能够识别物体的物理化学特性，广泛应用在矿产开发、环境治理、森林防火、农业生产评估、军事探测等各方面。光谱成像仪应用的前提是能够提供真实可靠的被探测物体的光谱曲线，由此需要对光谱成像仪进行精确定标。其中光谱定标是对各光谱谱段中心位置和带宽的定标，是光谱成像仪应用的基础。目前光谱成像仪的光谱定标采用的是单色仪和激发光源。当采用单色仪进行光谱定标时，需要连续调整单色仪的输出波长，对光谱成像仪的每个光谱成像通道进行逐一标定。

采用单色仪作为光谱定标存在的主要问题是，（1）每次只能输出一个单色光，当在整个光谱范围内进行光谱定标时需要周期较长；（2）单色仪的输出视场和口径较小，均匀性较差，无法直接满足大视场大口径光谱成像仪定标要求，需要设计专门的扩束和准直光学系统。

当采用激发光源进行光谱定标时，能够一次采集到多个激发谱的谱线，但存在的问题有：（1）激发的谱线只能覆盖到待测光谱成像仪的少数几个谱段通道，对其他通道定标时需要多种激发光源进行交替使用，增加了定标的复杂性和时间；（2）激发谱线位置不均匀、数量较少，待标定光谱成像仪的多数光谱通道的中心位置和带宽是通过拟合计算插值出来的，定标精度较差。

为了保证光谱成像仪的定标精度，且同时能够降低定标周期，如何通过提供一种光源，其在宽波段范围内随波长变化而具有连续窄通带，就能够做到只需单次采集，便可实现光谱成像仪的光谱定标，目前，相关的技术未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单，精度高，仅需进行单次采集便可实现对光谱成像仪的每个光谱成像通道的中心波长位置和谱段带宽精确定标的装置。

本发明采用的技术方案是：提供一种用于光谱成像仪的光谱定标装置，包括光源、光阑和准直透镜，宽波段光源发出的光束经光阑和准直透镜后，照射到波长调谐滤光片上，输出呈梳状的、具有多个不同波长的窄带光信号，经宽波段带通滤光片进行光强调整后，从积分球入射光孔进入积分球进行退偏和空间均匀性处理，积分球出光孔输出面光源；待测光谱成像仪放置在出光孔处进行光谱定标。

本发明所述的波长调谐滤光片为Loyt型双折射晶体滤光片。所述的积分球，其内壁还开有一个小孔，所射出的光引入到监测光谱仪，监测光谱仪对输出光的特性进行测量、反馈。

本发明的原理是：采用滤光片实现对普通光源的调制，形成具有周期连续变化的波峰或波谷位置，周期大小和带宽可根据待测光谱成像仪的光谱范围和光谱分辨率进行调整。调制后的光源输入到积分球，经过多次漫反射能够提供具有非偏振且均匀的面光源。

本发明技术方案中，采用宽波段光源，如卤钨灯，其发射光束经准直后照射在双折射晶体滤光片上，滤光片是根据双折射效应和偏振干涉原理设计而成。不同的波长具有不同的通过率，构成梳状形式的一个个窄的通道，每一个通带峰值（光透过率最大位置）和通带的半峰全宽（或叫带宽）提供给待测光谱成像仪进行光谱定标，确定光谱成像仪的每个波段中心位置和带宽。滤光片是由双折射晶体和线性偏振片串联构成，通过改变晶体厚度、角度或双折射率进行带通峰值位置和带宽调谐。通过波长调谐后的光束，在进入积分球前，使用宽波段带通滤光片，其光谱透过率根据所需要的光谱辐亮度进行调节。由于光源的辐射亮度和探测器的量子响应在不同波长下有差异，会导致采集到的某些波段信号出现饱和，而其他某些波段信号过低，通过宽波段带通滤光片调节，使各波段信噪比一致，提高定标精度。由于积分球内壁涂有高反射率的物质，且积分球内壁具有朗伯反射特性，当光进入积分球后，光线经过多次反射，使光在积分球壁上具有均匀特性，并对光进行了退偏处理，去除了偏振效应对待测光谱成像仪的影响，这样在积分球的出光口处就能提供均匀的面光源，该面光源具有随波长变化的多个窄带光强信号。入射光孔和出射光孔的口径需要根据积分球的尺寸进行调整，以便不影响光的均匀性。在积分球的内壁开一个小孔，通过小孔把光引入到监测光谱仪中，对光的输出特性进行测量，修正环境温度、光学元件加工与装调及光学元件色差带来的通带位置变化，以满足光谱定标的精度要求。 

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：

1、本光谱成像仪标定装置，能够在宽波段范围内提供随波长变化的多个窄带光强信号，对光谱成像仪光谱定标时不需要波长扫描，可一次成像，就能够进行波长定标。

2、利用双折射晶体进行光透过率调制，可对通带峰值位置和带宽大小进行调节。

3、利用积分球进行光束退偏和均匀化处理，能够提供大视场的、大口径的光谱成像仪定标使用。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的一种用于光谱成像仪的光谱定标装置的结构示意图；

图2 为本发明实施例提供的一种用于光谱成像仪的光谱定标装置中的Loyt型双折射滤光片的结构示意图；

图3 为本发明实施例提供的Loyt型双折射滤光片的光透过率曲线。

图中，1、宽波段光源；2、光阑；3、准直透镜；4、波长调谐滤光片；5、宽波段带通滤光片； 6、积分球入射光孔； 7、监测光谱仪；8、积分球出射光孔；9、积分球；10～12 、不同厚度的双折射晶体；13、线性偏振片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步描述。

实施例一

参见附图1，它是本实施例提供的一种用于光谱成像仪的光谱定标装置的结构示意图；宽波段光源1发出的光束经光阑2和准直透镜3后，照射到波长调谐滤光片4上，滤光片4对不同波长的光的透光率进行调整，产生梳状分布的多个窄带光信号，经宽波段带通滤光片5进行光强调整后，从积分球入射光孔6进入积分球9进行退偏和空间均匀性处理，待测光谱成像仪放置在积分球出射光孔8处进行光谱定标。

在积分球的内壁开一个小孔，通过小孔把光引入到监测光谱仪7中，监测光谱仪对光的输出特性进行测量，监测光每个窄通带的峰值位置和带宽的变化，反馈信息，用于修正环境温度、光学元件加工与装调及光学元件色差带来的通带位置变化，以满足光谱定标的精度要求。

在本实施例中，各元器件的结构要求、工作原理及作用描述如下：

光源1是一种常用的宽波段光源，如卤钨灯，其光强可以根据实际需要进行调整。

在光源的前面放置一个光阑2和准直透镜3，对光束进行准直，准直后的光束便于光调谐。

波长调谐滤光片4是基于双折射晶体来实现的，能够对不同波长的光的通过率进行调整。

宽波段带通滤波器5是根据光源在不同波长下的光谱辐亮度以及需要标定的光谱成像仪探测器的量子响应而设计的, 用以平衡图像信噪比, 便于光谱成像仪定标。

积分球入射光孔6和出射光孔8的尺寸根据入射光束、待标定光谱成像仪的光学系统口径，以及积分球的尺寸进行相应调整。监控光谱仪7主要是起到光谱通带监控的作用，反馈信息，修正由于环境温、元件位置和色差等因素引起的各通带位置和带宽的变化。

参见附图2，它是本实施例中波长调谐滤光片4的结构示意图，它为基于Loyt型的双折射晶体滤光片，是由一系列不同厚度的双折射晶体和偏光片串联实现。偏光片-双折射晶体-偏光片构成了滤光片的一级，第一个偏光片为起偏器，把输入光调整为线偏振光；当此线偏振光传输到双折射晶体时，寻常光和非寻常光具有不同的位相延迟，其位相延迟量与波长有关，最后经过检偏器时，其光通量是随波长而变化的。本实施例中，采用三级晶体滤光片，图2 中，10、11和12分别为双折射晶体，13为线性偏光片，其偏振轴是平行的，双折射晶体的快轴方向与偏振片的偏振轴成45度，后一级晶体的厚度为前一级的两倍。

理论上双折射晶体滤光片的光透过率可以用以下公式表示：

 ； 

其中，N为双折射晶体的级数；v=1/λ，λ为波长；Δ=(ne-no)t，t为晶体厚度，ne和no分别为非寻常光和寻常光对应的晶体折射率。由于色差的影响，透过率峰值位置会有微小移动，可根据实际的ne和no进行调整，或根据监测光谱仪确定。

经过双折射滤光片调制后，输出的每个透光通道具有高斯形状，其带宽可表示为:

   ；

其中，λ₀为中心峰值波长，d为滤光片中最后一级晶体的厚度。

当使用单级双折射晶体时，各通带带宽较大，可采取滤光片级联来实现较窄的带宽。

本实施例所采用的一种双折射晶体滤光片的构成形式如图2所示，双折晶体10、11和12的厚度分别为0.125mm、0.25mm、0.5mm，材料均为方解石。

滤光片是通过改变各晶体厚度进行调整的，其晶体材料可以采用方解石、石英、液晶等。当使用液晶作为双折射材料时，也可通过施加不同的电压来调整双折射率，从而实现光调谐。

参见附图3，它是本实施例提供的双折射晶体滤光片在波长范围为600nm～1000nm时的光透过率曲线，图中横轴为波长，纵轴为相对透过率，理想情况下透过率为1，即表示光全部透过。从图3中可以看出，双折射晶体滤光片输出呈梳状分布的多个不同波长的窄带光信号，经宽波段带通滤光片进行光强调整后，三级滤光片的各个通带带宽较窄，可满足具有高光谱分辨率的光谱成像仪进行精确光谱定标。

本发明提供的用于光谱成像仪光谱定标的装置，能够通过单次采集实现光谱成像仪各通道中心波长位置和谱段带宽的精确定标，因此，不需要逐行扫描进行光谱定标，它能够提供高精度、大视场、大口径的光谱成像仪光谱定标使用。

Claims (2)

1. 一种用于光谱成像仪的光谱定标装置，包括光源、光阑和准直透镜，其特征在于：宽波段光源（1）发出的光束经光阑（2）和准直透镜（3）后，照射到波长调谐滤光片（4）上，输出具有多个不同波长的窄带光信号，经宽波段带通滤光片（5）进行光强调整后，从积分球入射光孔（6）进入积分球（9）进行退偏和空间均匀性处理，积分球出光孔（8）输出面光源；待测光谱成像仪放置在积分球出光孔（8）处进行光谱定标；所述的波长调谐滤光片为Loyt型双折射晶体滤光片；所述Loyt型双折射晶体滤光片，由3片不同厚度的双折射晶体（10、11、12）和4片线性偏光片（13）串联实现，各线性偏光片的偏振轴是平行的，双折射晶体的快轴方向与线性偏光片的偏振轴成45度，后一级双折射晶体的厚度为前一级的两倍。

2. 根据权利要求1所述的一种用于光谱成像仪的光谱定标装置，其特征在于：所述的积分球的内壁开一个小孔，所射出的光引入到监测光谱仪（7），监测光谱仪对输出光的特性进行测量、反馈。