CN115752724A - 一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法，采用一维小孔阵列作为测试靶标，通过双远心中继系统成像至入射狭缝；以激光频率梳为光源，通过旋转积分球均匀照明测试靶标；利用安装在被测光谱成像系统像面上的面阵探测器成像，得到用于光谱性能测试的靶标弥散斑图像结果，通过测量各个光斑的质心位置，得到被测光谱成像系统的谱线弯曲和色畸变；通过测量各个光斑的峰值半高宽和分布函数，得到被测光谱成像系统的光谱分辨率和响应函数,用于测试色散型光谱成像系统的光谱性能。本发明提供的测试方法，无需机械扫描，测试速度快，测试功能多，能够同时完成多个光谱性能参数的测试，并适用于不同型号光谱成像仪的性能测量，适用范围广。

Description

一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法

技术领域

本发明涉及一种光谱性能的测试方法，特别涉及一种对色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法。

背景技术

光谱性能是光谱成像系统的重要性能指标，包括光谱分辨率、谱线弯曲、色畸变和响应函数等。目前，对光谱性能的测试可分为两步，首先利用光谱灯或可调谐激光器等谱线宽度很窄的光源照明光谱成像系统的狭缝，测试光谱分辨率和谱线弯曲；然后利用宽波段光源和测试光学系统在光谱成像系统的狭缝处生成宽波段点光源，测量系统的色畸变。美国JPL的Mouroulis等人在论文 “Pushbroom imaging spectrometer with highspectroscopic data fidelity: experimental demonstration”（Optical Engineering2000年 39卷3期 808页）中介绍了具体的测试方法和测试过程。测试过程中需要切换光源和测试光学系统，测试效率不高，且无法同时测量谱线弯曲和色畸变。韩国的Hong Jinsuk等人在论文“Efficient method to measure the spectral distortions usingperiodically distributed slit in hyperspectral imager” （Optics Express 2017年25卷17期 20340页）中提出了一种能够同时测量谱线弯曲和色畸变的方法。该方法的测试装置在结构上采用了周期性的狭缝阵列，并将其紧贴狭缝放置。利用氪灯照明狭缝进行测试，提高了测试效率。然而，该方法具有以下不足：狭缝阵列需紧贴光谱成像系统的入射狭缝，易在狭缝表面产生划痕或损伤狭缝；狭缝阵列的取向难以保证与入射狭缝垂直，容易引起测量误差；利用元素灯作为光源，输出的谱线数量有限。

发明内容

本发明针对现有光谱性能测量方法中存在的不足，提出了一种能够快速、高精度的实现色散型光谱成像系统光谱性能测试的方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法，包括如下步骤：

（1）将被测光谱成像系统的狭缝面与双远心中继系统的像面重合，一维小孔阵列靶标安装在双远心中继系统的物面上，激光频率梳光源入射至旋转积分球，旋转积分球的出口照明一维小孔阵列靶标；所述一维小孔阵列靶标的靶标基板为非透光，靶标图案为若干个直径相同、在一条直线上等间距排布的透光小孔；

（2）将面阵探测器安装在被测光谱成像系统的像面上，接收被测光谱成像系统的弥散斑图像；

（3）测量弥散斑图像，通过测量各个光斑的质心位置，得到被测光谱成像系统的谱线弯曲和色畸变；通过测量各个光斑的峰值半高宽和分布函数，得到被测光谱成像系统的光谱分辨率和响应函数。

本发明技术方案中，测量弥散斑图像包括如下步骤：

（1）采用阈值分割算法对获取的弥散斑图像进行分割，得到多个子区域，每个子区域内包含一个弥散斑；子区域的数量等于被测光谱成像系统狭缝长度范围内包含的小孔数量和激光频率梳输出的波长数量的乘积；

（2）对每个子区域中的弥散斑质心进行计算；

（3）依据对应于相同波长的弥散斑的色散方向质心坐标，通过二次曲线拟合得到所述波长的狭缝像曲线；取拟合曲线两端与曲线中心处色散方向坐标的最大偏离量，乘以被测光谱成像系统的倒线色散率，得到所述波长的谱线弯曲值；

（4）依据对应于相同视场的弥散斑的空间方向质心坐标，进行直线拟合；通过边缘视场和中心视场拟合直线的斜率差，乘以色散方向的像面宽度和倒线色散率，计算得到被测光谱成像系统的色畸变值；

（5）计算各子区域中弥散斑在色散方向的峰值半高宽，乘以倒线色散率，得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的光谱分辨率。

（6）依据各子区域中弥散斑在色散方向和空间方向的强度分布，得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的响应函数。

本发明技术方案中所涉及的倒线色散率即线色散率的倒数，表示像面上单位长度对应的色散光谱范围，通常单位为nm/mm。由于激光频率梳能够输出多个波长，因此拍摄一幅图像，可以同时得到多个波长下的谱线弯曲值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的测试方法采用一维小孔阵列作为测试靶标，通过双远心中继系统成像至入射狭缝的方法，测试过程中无需机械扫描，测试速度快。

2.本发明采用能够同时输出多个波长的激光频率梳作为光源，通过旋转积分球均匀照明测试靶标，测试功能多，能够同时完成多个光谱性能参数的测试。

3.利用安装在被测光谱成像系统像面上的面阵探测器获取图像，分析获得光谱性能测试结果，能够用于不同型号光谱成像仪的性能测量，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光谱性能测试工作状态原理图。

图2为本发明实施例提供的光谱性能测试方法的一维小孔阵列靶标示意图。

图3为本发明实施例提供的光谱性能测试方法在探测器上获得的图像。

图4为本发明实施例在光谱性能测试过程中的数据处理流程图。

图中，1.一维小孔阵列靶标；2.双远心中继系统；3.激光频率梳光源；4.旋转积分球；5.面阵探测器；6.被测光谱成像系统的入射狭缝；7. 被测光谱成像系统。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1：

参见附图1，为本实施例提供的光谱性能测试方法的测试工作状态原理图。被测光谱成像系统为色散型光谱成像系统，采用光栅或棱镜等作为分光元件，能够得到目标光谱图像。由图1可见，用于测试的装置包括一维小孔阵列靶标1、双远心中继系统2、激光频率梳3、旋转积分球4和面阵探测器5。测试装置的结构为：被测光谱成像系统7的狭缝面与双远心中继系统2的像面重合，被测光谱成像系统7的入射狭缝6用于限制光谱成像系统的视场范围；一维小孔阵列靶标1安装在双远心中继系统2的物面上；激光频率梳光源3入射至旋转积分球4，积分球4的出口照明小孔阵列靶标1；面阵探测器5安装在被测光谱成像系统7的像面处。在本实施例中，双远心中继系统2可采用反射式或透射式光学系统，能够对线视场进行高质量成像；双远心的特点使得测试装置对于微小的离焦不敏感，提高了系统的测试不确定度。激光频率梳3能够提供丰富的激光纵模输出，为光谱性能测试提供了含有多个不同波长的窄线宽激光输出。旋转积分球4用于产生均匀的照明光，照明一维小孔阵列靶标1。面阵探测器5用于接收被测光谱成像系统的图像。

本实施例中双远心中继系统的光路采用Offner同心结构，具有结构简单，无色差、成像质量佳等优点。双远心中继系统也可采用双高斯等透射式光学系统来实现。与反射式系统相比，透射式系统的最大难点在于色差的校正，尤其是工作波段较宽时，通过多种玻璃的组合，可以实现色差的校正。

图2为本实施例提供的测试方法的一维小孔阵列靶标的结构示意图，靶标基板不透光，小孔区域是透光的。整个靶标图案由一系列等间隔排布的小孔构成，小孔阵列的总长度大于被测光谱成像系统狭缝的总长度。为了避免小孔的尺寸影响光谱性能的测试结果，小孔的半径应尽可能小，通常应小于被测光谱成像系统的艾里斑半径。

光谱性能测试方法的具体步骤是：

（1）将被测光谱成像系统的狭缝面与双远心中继系统的像面重合，一维小孔阵列靶标安装在双远心中继系统的物面上，激光频率梳光源入射至旋转积分球，旋转积分球的出口照明一维小孔阵列靶标；所述一维小孔阵列靶标的靶标基板为非透光，靶标图案为若干个直径相同、在一条直线上等间距排布的透光小孔；

（2）将面阵探测器安装在被测光谱成像系统的像面上，接收被测光谱成像系统的弥散斑图像；

（3）测量弥散斑图像，通过测量各个光斑的质心位置，得到被测光谱成像系统的谱线弯曲和色畸变；通过测量各个光斑的峰值半高宽和分布函数，得到被测光谱成像系统的光谱分辨率和响应函数。

参见附图3，为采用本实施例提供的测试方法对成像光谱仪的光谱性能进行测试时，面阵探测器获取的图像。图3中垂直方向为空间方向，对应于被测光谱成像系统狭缝长度方向；水平方向为色散方向，对应于被测光谱成像系统狭缝宽度方向。图中白色的小圆代表不同视场和不同波长下，靶标基板上的小孔在被测光谱成像系统像面上所成的弥散光斑。光斑的尺寸和质心位置受到被测光谱成像系统的衍射和像差的影响。

依据本实施例面阵探测器获取的图像，进行图像数据处理，通过测量图像上各个光斑的位置可以得到被测光谱成像系统的谱线弯曲和色畸变；通过测量各个光斑的峰值半高宽和分布函数，得到被测光谱成像系统的光谱分辨率和响应函数。

参见附图4，为测试过程中进行图像数据处理的流程图，具体方法包括如下步骤：

（1）采用阈值分割算法对获取的弥散斑图像进行分割，得到多个子区域，每个子区域内包含一个弥散光斑。子区域的数量等于被测光谱成像系统狭缝长度范围内包含的小孔数量和激光频率梳输出的波长数量的乘积。

（2）对每个子区域中的弥散斑质心进行计算。

（3）根据对应于相同波长的弥散斑的色散方向质心坐标，通过二次曲线拟合得到该波长下的狭缝像曲线。取拟合曲线两端与曲线中心处色散方向坐标的最大偏离量，并乘以被测光谱成像系统的倒线色散率得到该波长下的谱线弯曲值。倒线色散率即线色散率的倒数，表示像面上单位长度对应的色散光谱范围，通常单位为nm/mm。由于激光频率梳能够输出多个波长，因此拍摄一幅图像，可以同时得到多个波长下的谱线弯曲值。

（4）根据对应于相同视场的弥散斑的空间方向质心坐标，进行直线拟合。根据边缘视场和中心视场拟合直线的斜率差，乘以色散方向的像面宽度和倒线色散率，计算得到被测光谱成像系统的色畸变值。

（5）计算各子区域中弥散斑在色散方向的峰值半高宽，乘以倒线色散率，得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的光谱分辨率。

（6）根据各子区域中弥散斑在色散方向和空间方向的强度分布，可以得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的响应函数。

Claims (2)

1.一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将被测光谱成像系统（7）的狭缝面与双远心中继系统（2）的像面重合，一维小孔阵列靶标（1）安装在双远心中继系统的物面上，激光频率梳光源（3）入射至旋转积分球（4），旋转积分球的出口照明一维小孔阵列靶标；所述一维小孔阵列靶标的靶标基板为非透光，靶标图案为若干个直径相同、在一条直线上等间距排布的透光小孔；

（2）将面阵探测器（5）安装在被测光谱成像系统的像面上，接收被测光谱成像系统的弥散斑图像；

（3）测量弥散斑图像，通过测量各个光斑的质心位置，得到被测光谱成像系统的谱线弯曲和色畸变；通过测量各个光斑的峰值半高宽和分布函数，得到被测光谱成像系统的光谱分辨率和响应函数。

2.根据权利要求1所述的一种色散型光谱成像系统光谱性能的测试方法，其特征在于测量弥散斑图像包括如下步骤：

（1）采用阈值分割算法对获取的弥散斑图像进行分割，得到多个子区域，每个子区域内包含一个弥散斑；子区域的数量等于被测光谱成像系统狭缝长度范围内包含的小孔数量和激光频率梳输出的波长数量的乘积；

（2）对每个子区域中的弥散斑质心进行计算；

（3）依据对应于相同波长的弥散斑的色散方向质心坐标，通过二次曲线拟合得到所述波长的狭缝像曲线；取拟合曲线两端与曲线中心处色散方向坐标的最大偏离量，乘以被测光谱成像系统的倒线色散率，得到所述波长的谱线弯曲值；

（4）依据对应于相同视场的弥散斑的空间方向质心坐标，进行直线拟合；通过边缘视场和中心视场拟合直线的斜率差，乘以色散方向的像面宽度和倒线色散率，计算得到被测光谱成像系统的色畸变值；

（5）计算各子区域中弥散斑在色散方向的峰值半高宽，乘以倒线色散率，得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的光谱分辨率；

（6）依据各子区域中弥散斑在色散方向和空间方向的强度分布，得到不同波长、不同视场下被测光谱成像系统的响应函数。

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