CN104483019A - 真空紫外成像光谱仪的校准方法及校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空紫外成像光谱仪的校准方法，包括：校准真空紫外成像光谱仪的波长测量范围、波长准确度、光谱响应率、均匀性以及空间角分辨率。本发明还提供了一种真空紫外成像光谱仪的校准装置，包括：依次设置于光路中的光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外积分球、真空紫外靶标、真空紫外准直光学系统，以及与需要被校的真空紫外成像光谱仪可切换地设置于真空紫外准直光学系统的输出端的真空紫外标准探测器和用以实现真空紫外成像光谱仪的空间角度变换的真空三维扫描机构。采用本发明的技术方案能够及时发现真空紫外成像光谱仪设计过程中存在的缺陷，同时能够有效保证真空紫外成像光谱仪获取数据的准确性。

Description

真空紫外成像光谱仪的校准方法及校准装置

技术领域

本发明涉及光学测试设备校准技术领域，特别涉及一种真空紫外成像光谱仪的校准方法及用于实现该真空紫外成像光谱仪的校准方法的真空紫外成像光谱仪的校准装置。

背景技术

真空紫外成像光谱仪的工作谱段刚好为空间物质成分重要的特征谱段，并且能够同时给出探测目标的真空紫外光谱信息和真空紫外图像信息、实现图谱合一，其具有的优势使得真空紫外成像光谱仪在航天技术迅速进步、空间科学研究空前发展的今天成为了世界各国争相关注的焦点，其屡被发射到太空中用以对地球、太阳系乃至整个宇宙进行观测，通过对这些不同天体目标真空紫外辐射强度和变化的观测，反演出多种物质的含量和变化规律，从而为日地空间环境、空间天气、宇宙起源等许多前沿科学研究提供大量的研究资料和可靠数据。

校准测试是真空紫外成像光谱仪发射前的必不可少的重要环节，是衡量产品能否正常应用的关键。然而，这一关键点却尚未的得到应有的重视，导致在运载至太空中后才发现问题，严重影响空间探测计划的正常进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发射前即在地面实验室对真空紫外成像光谱仪进行多参数校准的真空紫外成像光谱仪的校准方法及用于实现该校准方法的真空紫外成像光谱仪的校准装置。

为解决上述问题，本发明提出一种真空紫外成像光谱仪的校准方法，其特征在于，包括：

校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围；

校准真空紫外成像光谱仪波长准确度；

校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率；

校准真空紫外成像光谱仪均匀性；

校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号；

判断该波长是否有相应的输出信号；

其中，将具有相应的输出信号所对应的目标信号的波长汇总即可得出真空紫外成像光谱仪波长测量范围。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪波长准确度”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号的波长；

对比真空紫外成像光谱仪输入以及相应输出信号的波长以获取其准确度。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率”中包括：

设置可与真空紫外成像光谱仪切换工作的标准探测器；

分别向真空紫外成像光谱仪以及标准探测器输入相同的窄带的真空紫外单色光；

获取真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号；

根据真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号求得真空紫外成像光谱仪的光谱响应率。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：

在小视场情况下，设置均匀性校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过所述均匀性校准靶标后准直为平行光并在真空紫外成像光谱仪像面的不同位置成像；

采集所述不同位置成像的图像灰度；

获取所述图像灰度的平均值并根据该平均值计算非均匀性。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：

在大视场情况下，对光进行匀光处理后输入真空紫外成像光谱仪；

获取不同像元的响应值；

选取获取的像元响应值中的最大值；

其中，各像元响应值与像元响应值中的最大值之比即为均匀性。

优选的，所述“校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率”中包括：

设置不同尺寸的空间角分辨率校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过所述各空间角分辨率校准靶标后准直为平行光并输入真空紫外成像光谱仪；

选取所述真空紫外成像光谱仪能够辨识的最小尺寸的空间角分辨率校准靶标，其中，可以通过由最大尺寸的空间角分辨率校准靶标不断更换为更小尺寸的直到真空紫外成像光谱仪无法清晰分辨出该空间角分辨率校准靶标的外形；

根据所述最小尺寸的空间角分辨率校准靶标的尺寸值获取对应的出射光束的空间角度；

根据所述出射光束的空间角度获得真空紫外成像光谱仪空间角分辨率，该空间角度即为真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。本发明还提供了一种真空紫外成像光谱仪的校准装置，包括：

光源，用以提供真空紫外辐射能量；

真空紫外单色分光系统，用以对所述光源发射的光进行分光处理，输出所需波长，此外，其也可用于进行波长扫描；

真空紫外积分球，用以均匀光源，其通过对光进行多次漫反射，形成均匀的辐射面；

真空紫外靶标，用以提供包括均匀性校准靶标及空间角分辨率校准靶标在内的特征靶标；

真空紫外准直光学系统，用以实现对光进行准直处理，形成平行光；

真空紫外标准探测器，用以为光谱响应率的校准提供参考标准，其通过国际权威计量机构进行量值传递，能够更好地提高参数校准精度；

真空三维扫描机构，用以实现需要被校的真空紫外成像光谱仪的空间角度变换，所述真空三维扫描机构与真空紫外成像光谱仪连接，作为一种优选的实施方式，所述真空紫外成像光谱仪可以固定在真空三维扫描机构上并由该真空三维扫描机构带动进行旋转以实现空间角度的变换；

所述光源、真空紫外单色分光系统、真空紫外积分球、真空紫外靶标以及真空紫外准直光学系统依次设置于光路中，真空紫外标准探测器与需要被校的真空紫外成像光谱仪可切换地设置于所述真空紫外准直光学系统的输出端；

光由所述光源发出后经所述真空紫外单色分光系统分离出所需波长部分，再由所述真空紫外积分球作匀光处理后经所述真空紫外靶标继而经所述真空紫外准直光学系统进行准直处理后发射给所述真空紫外标准探测器或真空紫外成像光谱仪。

优选的，所述光源包括：

氘灯，用以实现120nm～200nm波段范围光源的输入；

氙灯，用以实现200nm～400nm波段范围光源的输入；

光源切换装置，用以实现所述氘灯与氙灯之间的切换；

所述氘灯与氙灯均与光源切换装置连接并可通过所述光源切换装置的旋转实现氘灯与氙灯的切换。

优选的，还包括真空水平旋转台，用以实现被校真空紫外成像光谱仪与真空紫外标准探测器的切换；

所述真空水平旋转台分别与被校真空紫外成像光谱仪以及真空紫外标准探测器连接，所述被校真空紫外成像光谱仪以及真空紫外标准探测器可均固定于所述真空水平旋转台上，通过所述真空水平旋转台的旋转实现所述被校真空紫外成像光谱仪与真空紫外标准探测器的切换。

采用本发明的真空紫外成像光谱仪的校准方法及校准装置发射前即在地面实验室进行校准，能够及时发现真空紫外成像光谱仪有效载荷设计过程中存在的缺陷，减少其研制过程中的反复，节省研制经费，缩短研制周期，避免影响整体进度的顺利开展；同时，由于该校准针对多参数进行，有效保证了真空紫外成像光谱仪获取数据的准确性，对获取太阳和地球表面等日地空间环境的多光谱图像等均有着重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中真空紫外成像光谱仪空间角分辨率校准说明图。

图2为本发明的真空紫外成像光谱仪的校准装置的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本发明提供了一种真空紫外成像光谱仪的校准方法，包括：

校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围；

校准真空紫外成像光谱仪波长准确度；

校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率；

校准真空紫外成像光谱仪均匀性；

校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。

具体的，上述“校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号；

判断该波长是否有相应的输出信号；

其中，将具有相应的输出信号所对应的目标信号的波长汇总即可得出真空紫外成像光谱仪波长测量范围。

上述“校准真空紫外成像光谱仪波长准确度”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号的波长；

对比真空紫外成像光谱仪输入以及相应输出信号的波长以获取其准确度。

上述“校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率”中包括：

设置可与真空紫外成像光谱仪切换工作的标准探测器；

分别向真空紫外成像光谱仪以及标准探测器输入相同的窄带的真空紫外单色光；

获取真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号；

假定到达被校真空紫外成像光谱仪的单色光谱辐射量为H(λ)，被校成像光谱仪的输出信号为：

V₁(λ)＝c·H(λ)·S_T(λ)      (1)

其中，c是常数。然后将被校真空紫外成像光谱仪切换为标准探测器，并获取其的输出信号为：

V₂(λ)＝c·H(λ)·S_B(λ)     (2)

其中，S_B(λ)为标准探测器的光谱响应率，从式(1)和式(2)可以得到被校真空紫外成像光谱仪的光谱响应率为：

$S_T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V_1\left(\mathrm{\λ}\right)}{V_2\left(\mathrm{\λ}\right)}\·S_B\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(3\right)$

即能够根据真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号求得真空紫外成像光谱仪的光谱响应率。

在小视场情况下，上述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：

设置均匀性校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过均匀性校准靶标后准直为平行光并在真空紫外成像光谱仪像面的不同位置成像；

采集不同位置成像的图像灰度值G_i(i＝1、2…n)；

根据下式

$\stackrel{\‾}{G}=\frac{\mathrm{\Σ}{G}_i}{n}---\left(4\right)$

获取图像灰度的平均值并根据该平均值结合下式

$C=\frac{\mathrm{MAX}|G_i-\stackrel{\‾}{G}|-\mathrm{MIN}|G_i-\stackrel{\‾}{G}|}{2\stackrel{\‾}{G}}\×100\%---\left(5\right)$

计算非均匀性C。

在大视场情况下，上述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：对光进行匀光处理后输入真空紫外成像光谱仪；

获取不同像元的响应值S_i(x，y)；

选取获取的像元响应值中的最大值S_max(x，y)；

根据下式

$C^{\′}=\frac{S_i(x,y)}{S_{\max }(x,y)}\×100\%---\left(6\right)$

计算均匀性C′，即各像元响应值与像元响应值中的最大值之比。

上述“校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率”中包括：

设置不同尺寸的空间角分辨率校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过各空间角分辨率校准靶标后准直为平行光并输入真空紫外成像光谱仪；

选取所述真空紫外成像光谱仪能够辨识的最小尺寸的空间角分辨率校准靶标；

根据所述最小尺寸的空间角分辨率校准靶标的尺寸值获取对应的出射光束的空间角度，结合图1所示的本发明中真空紫外成像光谱仪空间角分辨率校准说明图，空间角分辨率校准靶标尺寸以及用以实现准直处理的准直光学系统的焦距存在等量关系如下式：

$\mathrm{\σ}=\frac{f^{\′}}{f}\·{\mathrm{\σ}}_o---\left(7\right)$

式中，f′为被校真空紫外成像光谱仪中光学系统的等效焦距，f为用以实现准直处理的准直光学系统的焦距，σ_o为该空间角分辨率校准靶标的空间尺寸，σ为被校真空紫外成像光谱仪中单个像元尺寸，从而得出对应的准直光学系统处输出的出射光束的空间角度为：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{f}---\left(8\right)$

根据所述出射光束的空间角度获得真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。

如图2所示，为本发明的真空紫外成像光谱仪的校准装置，其中，1为氘灯，2为氙灯，3为光源切换装置，4为真空紫外单色分光系统，5为真空紫外积分球，6为真空紫外靶标，7为真空紫外准直光学系统，8为真空紫外标准探测器，9为需要被校的真空紫外成像光谱仪，10为真空三维扫描机构，11为真空水平旋转台。

具体的，氘灯1，用以实现120nm～200nm波段范围光源的输入；氙灯2，用以实现200nm～400nm波段范围光源的输入；光源切换装置3，用以实现氘灯1与氙灯2之间的切换；氘灯1与氙灯2均与光源切换装置3连接并可通过光源切换装置3的旋转实现氘灯1与氙灯2的切换。氘灯1、氙灯2以及光源切换装置3构成用以提供真空紫外辐射能量的光源。

真空紫外单色分光系统4，用以对光源发射的光进行分光处理，输出所需波长，除此之外，其也可用于进行波长扫描。真空紫外积分球5，用以均匀光源，其通过对光进行多次漫反射，形成均匀的辐射面。真空紫外靶标6，用以提供包括均匀性校准靶标及空间角分辨率校准靶标在内的特征靶标；真空紫外准直光学系统7，用以实现对光进行准直处理，形成平行光；真空紫外标准探测器8，用以为光谱响应率的校准提供参考标准，其通过国际权威计量机构进行量值传递，能够更好地提高参数校准精度；真空三维扫描机构10，用以实现需要被校的真空紫外成像光谱仪9的空间角度变换；真空水平旋转台11，用以实现被校真空紫外成像光谱仪9与真空紫外标准探测器8的切换。

上述的光源、真空紫外单色分光系统4、真空紫外积分球5、真空紫外靶标6以及真空紫外准直光学系统7依次设置于光路中，真空紫外标准探测器8与需要被校的真空紫外成像光谱仪9可切换地设置于真空紫外准直光学系统7的输出端。真空紫外成像光谱仪9固定在真空三维扫描机构10上并由该真空三维扫描机构10带动进行旋转以实现空间角度的变换，被校真空紫外成像光谱仪9以及真空紫外标准探测器8均固定于真空水平旋转台11上，通过真空水平旋转台11的旋转实现被校真空紫外成像光谱仪9与真空紫外标准探测器8的切换。

光由光源发出后经真空紫外单色分光系统4分离出所需波长部分，再由真空紫外积分球5作匀光处理后经真空紫外靶标6继而经真空紫外准直光学系统7进行准直处理后发射给真空紫外标准探测器8或真空紫外成像光谱仪9。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种真空紫外成像光谱仪的校准方法，其特征在于，包括：

校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围；

校准真空紫外成像光谱仪波长准确度；

校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率；

校准真空紫外成像光谱仪均匀性；

校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪波长测量范围”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号；

判断该波长是否有相应的输出信号。

3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪波长准确度”中包括：

依次向真空紫外成像光谱仪输入不同波长的窄带的真空紫外单色光作为目标信号；

获取真空紫外成像光谱仪相应的输出信号的波长；

对比真空紫外成像光谱仪输入以及相应输出信号的波长。

4.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪光谱响应率”中包括：

设置可与真空紫外成像光谱仪切换工作的标准探测器；

分别向真空紫外成像光谱仪以及标准探测器输入相同的窄带的真空紫外单色光；

获取真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号；

根据真空紫外成像光谱仪以及标准探测器的输出信号求得真空紫外成像光谱仪的光谱响应率。

5.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：

设置均匀性校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过所述均匀性校准靶标后准直为平行光并在真空紫外成像光谱仪像面的不同位置成像；

采集所述不同位置成像的图像灰度；

获取所述图像灰度的平均值并根据该平均值并计算非均匀性。

6.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪均匀性”中包括：

对光进行匀光处理后输入真空紫外成像光谱仪；

获取不同像元的响应值；

选取获取的像元响应值中的最大值并计算均匀性。

7.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述“校准真空紫外成像光谱仪空间角分辨率”中包括：

设置不同尺寸的空间角分辨率校准靶标；

对光进行匀光处理；

将经匀光处理的光经过所述各空间角分辨率校准靶标后准直为平行光并输入真空紫外成像光谱仪；

选取所述真空紫外成像光谱仪能够辨识的最小尺寸的空间角分辨率校准靶标；

根据所述最小尺寸的空间角分辨率校准靶标的尺寸值获取对应的出射光束的空间角度；

根据所述出射光束的空间角度获得真空紫外成像光谱仪空间角分辨率。

8.一种真空紫外成像光谱仪的校准装置，其特征在于，包括：

光源，用以提供真空紫外辐射能量；

真空紫外单色分光系统(4)，用以对所述光源发射的光进行分光处理，输出所需波长；

真空紫外积分球(5)，用以均匀光源；

真空紫外靶标(6)，用以提供特征靶标；

真空紫外准直光学系统(7)，用以实现对光进行准直处理，形成平行光；

真空紫外标准探测器(8)，用以为光谱响应率的校准提供参考标准；

真空三维扫描机构(10)，用以实现需要被校的真空紫外成像光谱仪(9)的空间角度变换，所述真空三维扫描机构(10)与真空紫外成像光谱仪(9)连接；

所述光源、真空紫外单色分光系统(4)、真空紫外积分球(5)、真空紫外靶标(6)以及真空紫外准直光学系统(7)依次设置于光路中，真空紫外标准探测器(8)与需要被校的真空紫外成像光谱仪(9)可切换地设置于所述真空紫外准直光学系统(7)的输出端；

光由所述光源发出后经所述真空紫外单色分光系统(4)分离出所需波长部分，再由所述真空紫外积分球(5)作匀光处理后经所述真空紫外靶标(6)继而经所述真空紫外准直光学系统(7)进行准直处理后发射给所述真空紫外标准探测器(8)或真空紫外成像光谱仪(9)。

9.根据权利要求8所述的校准装置，其特征在于，所述光源包括：

氘灯(1)，用以实现120nm～200nm波段范围光源的输入；

氙灯(2)，用以实现200nm～400nm波段范围光源的输入；

光源切换装置(3)，用以实现所述氘灯(1)与氙灯(2)之间的切换；

所述氘灯(1)与氙灯(2)均与光源切换装置(3)连接。

10.根据权利要求8所述的校准装置，其特征在于，还包括真空水平旋转台(11)，用以实现被校真空紫外成像光谱仪与真空紫外标准探测器(8)的切换；

所述真空水平旋转台(11)分别与被校真空紫外成像光谱仪以及真空紫外标准探测器(8)连接。