一種便攜式光譜定標裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種便攜式光譜定標裝置，它包括激發(fā)光源模組、光纖和照明面板；激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；照明面板為導光板和棱鏡板兩層結構，上層為棱鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M入導光條。照明面板采用兩層結構，提供了具有一定均勻性的大面積且發(fā)散角控制的光源；導光板底部具有四面體微結構，使定標光源達到一定均勻程度，采用棱鏡板控制光發(fā)散角度，并能提高光能利用率。本實用新型提供的光譜定標裝置，體積小，重量輕，便于野外成像光譜儀定標使用。
【專利說明】一種便攜式光譜定標裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種光譜定標裝置，特別涉及一種適用于外場的便攜式光譜定標
>J-U ρ?α裝直。

【背景技術】
[0002]目前，成像光譜儀在農業(yè)生產管理、資源調查、生物醫(yī)療等領域取得了廣泛的應用。但隨著光學、電子、計算機等技術的發(fā)展，成像光譜儀的光譜分辨率可以做的很高，伴隨著成像光譜儀性能的提高，成像光譜儀的光譜定標精度也要求越來越高，這要求成像光譜儀使用前進行光譜定標，以提高光譜數(shù)據(jù)的可靠性。目前實驗室光譜定標設備都是基于單色儀波長掃描和光譜燈完成，基于單色儀定標設備與定標方法復雜，很難在野外、機載或星載使用，光譜燈很難提供均勻和大口徑系統(tǒng)地的照明。目前機載或星載成像光譜儀采用的光譜定標設備都是基于濾光片或反射板的方法進行光譜定標。美國專利US006111640A公開了一種采用反射板的定標方法，利用反射板材料的吸收特征進行光譜定標。


【發(fā)明內容】

[0003]本實用新型要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種體積小，重量輕，便于野外攜帶，易于操作，可實現(xiàn)高精度光譜定標的光譜定標裝置。
[0004]本實用新型的技術方案是提供光譜定標裝置，包括激發(fā)光源模組、光纖和照明面板；所述的激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導光板和棱鏡板兩層結構，上層為棱鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M入導光條。
[0005]本實用新型所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種；所述的四面體為正四面體；所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
[0006]本實用新型提供的光譜定標裝置的工作原理是；根據(jù)成像光譜儀工作光譜范圍確定電路、集光兀件等；電池提供電路的工作電壓，振蕩電路部分把低壓轉換成聞頻聞壓，使汞、氬等物質產生激發(fā)譜線。光纖用于把激光光源產生的光傳輸?shù)秸彰婷姘迳?，光纖數(shù)值孔徑及其口徑根據(jù)光耦合需要確定；照明面板用于把光進行均勻處理，照明面板具有兩層結構，一層為導光板，一層為棱鏡板，導光板對光進行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發(fā)散視場，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板，其底部采用微型四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0007]聚光鏡透鏡的材料根據(jù)光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源可采用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等；背面光反射鏡的凹面鍍有寬波段高反射膜，振蕩電路產生高頻高壓的振蕩電路，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池可采用市面上常用的9V電池。
[0008]本實用新型提供的照明面板其上層為棱鏡板，下層為導光板，導光板的底面由四面體微結構單元構成；導光板對光進行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發(fā)散視場，使大部分能量集中于一定發(fā)散角內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的導光板底部采用四面體結構的排布，能夠使光均勻反射，導光板上層采用棱鏡板，通過棱鏡槽深、槽頂角來控制發(fā)散角度。
[0009]本實用新型提供的光譜定標裝置，其定標方法包括如下步驟:
[0010]1、把定標裝置緊貼于成像光譜儀前置物鏡前，照明板與鏡頭間可采取遮光措施，防止雜光影響定標精度；
[0011]2、在定標光源打開前采集多幅暗背景圖像，用于后期本底去除；
[0012]3、采集激發(fā)光源輻射譜線圖像，可通過多幅圖像平均，降低隨機噪聲，剩余噪聲通過平滑濾波處理，降低噪聲對定標精度的影響；
[0013]4、數(shù)據(jù)預處理后進行高斯擬合，確定譜線峰值位置及其半峰值寬度；
[0014]5、通過多項式擬合，確定整個譜面的波長與像元對應關系及其半峰值寬度，進而確定光譜彎曲等指標。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型取得的有益效果是:
[0016]1、實用新型的光譜定標裝置，體積小，重量輕，便于野外成像光譜儀定標使用，采用電池供電的激發(fā)光源作為定標源，光源具有若干條線狀譜線，利用光纖導光消除采用反射鏡或透鏡等進行光傳輸?shù)牟焕蛩?，利用照明面板進行光均勻處理，滿足光譜定標口徑、視場要求。
[0017]2、照明面板采用兩層設計，降低光能損耗，提供一定均勻性的大面積且發(fā)散角控制的光源，導光板底部具有四面體微結構，使定標光源達到一定均勻程度，采用棱鏡板控制光發(fā)散角度，并能提高光能利用率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型實施例提供的光譜定標裝置的結構示意圖；圖中，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發(fā)光源模組；
[0019]圖2為本實用新型實施例提供的光譜定標裝置中的照明板的結構示意圖；圖中，1011A為入光口、1011B為導光條、1011C為勻光板、1012為棱鏡板；
[0020]圖3為本實用新型實施例提供的光譜定標裝置中均光板采用的四面體微結構底面的結構示意圖；
[0021]圖4為四面體微結構單元的結構示意圖；
[0022]圖5為本實用新型實施例提供的光譜定標裝置中的照明板采用的棱鏡板的結構示意圖；
[0023]圖6為光譜定標裝置中采用的光源模組；圖中，103A為聚光鏡透鏡，103B為發(fā)光體，103C為背面光反射鏡，103D產生高頻高壓的振蕩電路，103E為電池；
[0024]圖7為本實用新型提供的光譜定標方法的流程圖；
[0025]圖8為CXD成像光譜儀通獲取的HgCd光源的二維譜線圖；
[0026]圖9為譜線對應的探測器響應值及其高斯擬合曲線。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本實用新型技術方案作進一步的闡述。
[0028]實施例1
[0029]參見附圖1，為本實用新型提出的光譜定標裝置，主要是三部分組成，101為均勻照明面板，102為光纖，103為激發(fā)光源模組。
[0030]照明面板的結構如圖2所不，下層為導光板，導光板由入光口 1011A、導光條1011B、勻光板1011C組成。1011C底面為四面體微結構，棱鏡板1012放置于勻光板1011C上部。進光口 1011A，把光纖傳輸?shù)墓鈱氲綄Ч鈼l1011B ;導光條1011B用于把從1011A進入的光反射到勻光板1011C，為提高光的利用率，導光條側面做成一定傾角，并且鍍寬波段高反射膜；勻光板1011C用把1011B發(fā)射的光進行均勻化處理，為提高勻光效果和控制勻光角度，勻光板底面采用微結構形式。四面體微結構單元依次緊密、整齊排列呈矩陣，分布在勻光板的底部。
[0031]參見附圖3和4，它們分別為本實施例提供的均光板采用的四面體微結構底面的結構示意圖及四面體微結構單元的結構示意圖；每個微結構形式如圖4，Hl為頂角深度，L為等邊三角邊長，經(jīng)過優(yōu)化，四面體選擇用正四面體，Z選取為10Mmjl為81.6Mm。
[0032]圖5為棱鏡板1012,放置于勻光板1011C上部,用于在一維方向限制光散射角度，當設置α為鈍角時比銳角更有較高的控制能力，一般在棱鏡材η=1.5時，鈍角設置為120度左右，發(fā)散角度β可控制在70度左右，根據(jù)全反射原理，部分不滿足條件的光線會反射回勻光板，經(jīng)勻光反射后棱鏡高度慫對光均勻性有一定影響，一般設置為50um，D為棱鏡高度和基底的厚度總和，其值可根據(jù)具體工藝確定。
[0033]導光板對光進行均勻散射處理，棱鏡板用于限制散射視場，在狹縫寬度對應的方向上限制發(fā)散視場，使大部分能量集中于〈100°的發(fā)散角度以內，在狹縫長度方向具有接近朗伯特性的散射光，為此導光板底部采用微型四面體結構的排布，頂角深度50?100 μ m,邊長為50?150 μ m,導光板上層采用棱鏡板,通過棱鏡槽深30?60 μ m、槽頂角100° ?130°。
[0034]圖6提供了光源模組的構成，聚光鏡透鏡103A材料根據(jù)光譜波段選擇，如在紫外-短波紅外波段可選擇石英玻璃；光源采用原子激發(fā)光源，發(fā)光體103B可采用汞燈(Hg)、汞氬燈(HgAr)、汞鎘燈(HgCd)等，在200?100nm內具有多條特征譜線，激發(fā)光源由電池提供電路的工作電壓，其電路部分把低壓轉換成高頻高壓，使汞、氬等物質產生激發(fā)譜線。采用光纖用于把激光光源產生的光傳輸?shù)秸彰婷姘迳?，光纖數(shù)值孔在0.18?0.5范圍；背面光反射鏡103C凹面鍍有寬波段高反射膜，電路103D采用振蕩電路產生高頻高壓，頻率為Ik Hz以上，電壓為600V左右，電池103E可采用市面上常用的9V電池。
[0035]當輸入HgCd譜線燈作為本定標裝置的光源，對?Inm分辨率的CXD成像光譜儀定標時，根據(jù)本實用新型提供的光譜定標裝置，提出了相應的定標方法。參見附圖7，給出了利用本實施例提供的裝置進行光譜定標的方法的流程圖。定標前把光譜定標裝置直接緊貼于成像光譜儀前，并做適當擋光措施，防止環(huán)境光進入成像光譜儀影響定標結果，光譜定標的流程為:
[0036]1、步驟201為背景采集，定標光源關閉時采集圖像背景，用于后期圖像本底扣除；
[0037]2、步驟202為光譜數(shù)據(jù)采集，定標光源打開，采集激發(fā)光譜線，在成像光譜儀焦平面上獲得平行于狹縫的多條譜線；
[0038]3、步驟203為平滑去噪處理，由于受噪聲、非均勻響應等影響，原始數(shù)據(jù)在定標處理前需要進行本底扣除和平滑去噪處理，平滑去噪處理采用Savitzky-Golay濾波法,此濾波器是基于多項式，通過移動窗口利用最小二乘法進行最佳擬合的方法，能夠保留譜線相對極大值、極小值和寬度等分布特性。通過構造一個η階多項式來擬合探測器平面上光譜維上的一行數(shù)據(jù)yi，i的取值為2m+1個連續(xù)的整數(shù),i=_m,…，O,…m,且m彡(n_l)/2,則得到式(I)如下:
[0039]Yi = a0 + ^1J +a2i2 +...+αηι?(I)
[0040]式中Zi是η階多項式平滑后的數(shù)值，^為多項式系數(shù)。則用多項式擬合點誤差的平方和為式(2):

m
[0041]E= 2 C^1-y^'f(2)
[0042]為使E最小，需要E對各系數(shù)的導數(shù)為0，即得到式(3)為:
BB
[0043]T = 0,i = 0,l,2—K!(3)
[0044]通過多次迭代實現(xiàn)最小A值，尋找到最佳擬合值Zi，在濾波時m選取要根據(jù)采集的譜線寬度，η 一般選取為六階左右，迭代次數(shù)不需要太大，通過此濾波能夠在保持局部光譜特征的同時去除噪聲的影響。
[0045]4、步驟204為光譜響應歸一化，因為激發(fā)光源各譜線輻射強度及探測器響應都有差異，通過在定標處理前對各譜線響應進行歸一化處理可降低其影響，歸一化公式(4)為:
[0046]Fm= Fi/ Fimas(4)
[0047]Vm為歸一化的光譜響應值，V1為歸一化前經(jīng)過濾波處理后的光譜響應值，Vimax為V1中最大的光譜響應值。
[0048]5、步驟205為峰值位置和半峰值寬度計算，計算方法采用高斯擬合，對每個譜線的光譜響應采用高斯擬合的方式為式(5):
[0049]Ym =a*exp(-(Cr_/0/c).~2) ;(5)
[0050]其中a, b, c為高斯系數(shù)，為像元位置，7Ni為歸一化的光譜響應值。通過最佳迭代擬合，計算出高斯系數(shù)，最佳擬合值6為譜線峰值像元位置，從而確定已知譜線波長與像元位置的對應關系，根據(jù)最佳擬合值c可以確定半峰值寬度為2c，即成像光譜儀的光譜分辨率。
[0051]6、步驟206為波長定標，通過依次對激發(fā)光各線狀譜線像元響應運用步驟205的算法，獲得各譜線峰值位置與像元的對應關系，通過多項式擬合，獲得焦平面光譜維方向波長與像元位置的表達式，采用的多項式為式(6):
[0052]= A0 + C1P + C2P^ + C3/?3 +.., + Cspx(6)
[0053]式中為第一個像元對應的波長，一般光譜成像的定標采用三次多項式就能夠精確波長定標。
[0054]7、步驟207為光譜分辨率定標，依次運用205求取各譜線的半峰值寬度，并運用206相似的多項式擬合算法，求取各光譜通道對應的光譜分辨率或半峰值寬度。
[0055]8、步驟208為光譜彎曲定標，通過對各空間像元方向運用步驟201至步驟207，完成空間維的光譜定標，即整個譜面的定標，從而確定同一波長對應的像元偏差，進而確定光譜彎曲。
[0056]圖8給出了其400?800nm光譜范圍的激發(fā)譜線二維圖。
[0057]圖9為利用本實用新型提供的定標方法得到的其中一條譜線對應空間像元的響應結果，點為經(jīng)過濾波后的響應值，曲線為經(jīng)高斯擬合算法后得到，根據(jù)擬合結果得到光譜定標需要的中心波長、帶寬和譜線彎曲值等。圖9中橫坐標為對應的光譜像元位置，縱坐標為CCD成像光譜儀探測器響應值。
【權利要求】
1.一種便攜式光譜定標裝置，其特征在于:它包括激發(fā)光源模組、光纖和照明面板；所述的激發(fā)光源模組包括光源、電池、振蕩電路和集光原件；所述的照明面板為導光板和棱鏡板兩層結構，上層為棱鏡板，下層為導光板，導光板包括入光口、導光條和勻光板，勻光板的底面由若干個四面體單體構成，棱鏡板置于勻光板的上部；激發(fā)光源模組發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)秸彰髅姘宓娜牍饪谶M入導光條。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種便攜式光譜定標裝置，其特征在于:所述的光源為汞燈、汞氬燈或汞鎘燈中的一種。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種便攜式光譜定標裝置，其特征在于:所述的四面體為正四面體。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種便攜式光譜定標裝置，其特征在于:所述的集光原件為聚光鏡透鏡、背面光反射鏡中的一種，或它們的組合。
【文檔編號】G01J3/28GK203929227SQ201420285788
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權日:2014年5月30日
【發(fā)明者】周建康, 陳新華, 陳宇恒, 季軼群, 沈為民 申請人:蘇州大學