一种便携式光谱定标装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种便携式光谱定标装置，它包括激发光源模组、光纤和照明面板；激发光源模组包括光源、电池、振荡电路和集光原件；照明面板为导光板和棱镜板两层结构，上层为棱镜板，下层为导光板，导光板包括入光口、导光条和匀光板，匀光板的底面由若干个四面体单体构成，棱镜板置于匀光板的上部；激发光源模组发出的激光通过光纤传输到照明面板的入光口进入导光条。照明面板采用两层结构，提供了具有一定均匀性的大面积且发散角控制的光源；导光板底部具有四面体微结构，使定标光源达到一定均匀程度，采用棱镜板控制光发散角度，并能提高光能利用率。本实用新型提供的光谱定标装置，体积小，重量轻，便于野外成像光谱仪定标使用。
【专利说明】一种便携式光谱定标装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光谱定标装置，特别涉及一种适用于外场的便携式光谱定标
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]目前，成像光谱仪在农业生产管理、资源调查、生物医疗等领域取得了广泛的应用。但随着光学、电子、计算机等技术的发展，成像光谱仪的光谱分辨率可以做的很高，伴随着成像光谱仪性能的提高，成像光谱仪的光谱定标精度也要求越来越高，这要求成像光谱仪使用前进行光谱定标，以提高光谱数据的可靠性。目前实验室光谱定标设备都是基于单色仪波长扫描和光谱灯完成，基于单色仪定标设备与定标方法复杂，很难在野外、机载或星载使用，光谱灯很难提供均匀和大口径系统地的照明。目前机载或星载成像光谱仪采用的光谱定标设备都是基于滤光片或反射板的方法进行光谱定标。美国专利US006111640A公开了一种采用反射板的定标方法，利用反射板材料的吸收特征进行光谱定标。
【发明内容】
[0003]本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种体积小，重量轻，便于野外携带，易于操作，可实现高精度光谱定标的光谱定标装置。
[0004]本实用新型的技术方案是提供光谱定标装置，包括激发光源模组、光纤和照明面板；所述的激发光源模组包括光源、电池、振荡电路和集光原件；所述的照明面板为导光板和棱镜板两层结构，上层为棱镜板，下层为导光板，导光板包括入光口、导光条和勻光板，勻光板的底面由若干个四面体单体构成，棱镜板置于匀光板的上部；激发光源模组发出的激光通过光纤传输到照明面板的入光口进入导光条。
[0005]本实用新型所述的光源为汞灯、汞氩灯或汞镉灯中的一种；所述的四面体为正四面体；所述的集光原件为聚光镜透镜、背面光反射镜中的一种，或它们的组合。
[0006]本实用新型提供的光谱定标装置的工作原理是；根据成像光谱仪工作光谱范围确定电路、集光兀件等；电池提供电路的工作电压，振荡电路部分把低压转换成闻频闻压，使汞、氩等物质产生激发谱线。光纤用于把激光光源产生的光传输到照面面板上，光纤数值孔径及其口径根据光耦合需要确定；照明面板用于把光进行均匀处理，照明面板具有两层结构，一层为导光板，一层为棱镜板，导光板对光进行均勻散射处理，棱镜板用于限制散射视场，在狭缝宽度对应的方向上限制发散视场，使大部分能量集中于一定发散角内，在狭缝长度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的导光板，其底部采用微型四面体结构的排布，能够使光均匀反射，导光板上层采用棱镜板，通过棱镜槽深、槽顶角来控制发散角度。
[0007]聚光镜透镜的材料根据光谱波段选择，如在紫外-短波红外波段可选择石英玻璃；光源可采用汞灯(Hg)、汞氩灯(HgAr)、汞镉灯(HgCd)等；背面光反射镜的凹面镀有宽波段高反射膜，振荡电路产生高频高压的振荡电路，频率为Ik Hz以上，电压为600V左右，电池可采用市面上常用的9V电池。
[0008]本实用新型提供的照明面板其上层为棱镜板，下层为导光板，导光板的底面由四面体微结构单元构成；导光板对光进行均匀散射处理，棱镜板用于限制散射视场，在狭缝宽度对应的方向上限制发散视场，使大部分能量集中于一定发散角内，在狭缝长度方向具有接近朗伯特性的散射光，所述的导光板底部采用四面体结构的排布，能够使光均匀反射，导光板上层采用棱镜板，通过棱镜槽深、槽顶角来控制发散角度。
[0009]本实用新型提供的光谱定标装置，其定标方法包括如下步骤:
[0010]1、把定标装置紧贴于成像光谱仪前置物镜前，照明板与镜头间可采取遮光措施，防止杂光影响定标精度；
[0011]2、在定标光源打开前采集多幅暗背景图像，用于后期本底去除；
[0012]3、采集激发光源辐射谱线图像，可通过多幅图像平均，降低随机噪声，剩余噪声通过平滑滤波处理，降低噪声对定标精度的影响；
[0013]4、数据预处理后进行高斯拟合，确定谱线峰值位置及其半峰值宽度；
[0014]5、通过多项式拟合，确定整个谱面的波长与像元对应关系及其半峰值宽度，进而确定光谱弯曲等指标。
[0015]与现有技术相比，本实用新型取得的有益效果是:
[0016]1、实用新型的光谱定标装置，体积小，重量轻，便于野外成像光谱仪定标使用，采用电池供电的激发光源作为定标源，光源具有若干条线状谱线，利用光纤导光消除采用反射镜或透镜等进行光传输的不利因素，利用照明面板进行光均匀处理，满足光谱定标口径、视场要求。
[0017]2、照明面板采用两层设计，降低光能损耗，提供一定均匀性的大面积且发散角控制的光源，导光板底部具有四面体微结构，使定标光源达到一定均匀程度，采用棱镜板控制光发散角度，并能提高光能利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型实施例提供的光谱定标装置的结构示意图；图中，101为均匀照明面板，102为光纤，103为激发光源模组；
[0019]图2为本实用新型实施例提供的光谱定标装置中的照明板的结构示意图；图中，1011A为入光口、1011B为导光条、1011C为匀光板、1012为棱镜板；
[0020]图3为本实用新型实施例提供的光谱定标装置中均光板采用的四面体微结构底面的结构示意图；
[0021]图4为四面体微结构单元的结构示意图；
[0022]图5为本实用新型实施例提供的光谱定标装置中的照明板采用的棱镜板的结构示意图；
[0023]图6为光谱定标装置中采用的光源模组；图中，103A为聚光镜透镜，103B为发光体，103C为背面光反射镜，103D产生高频高压的振荡电路，103E为电池；
[0024]图7为本实用新型提供的光谱定标方法的流程图；
[0025]图8为CXD成像光谱仪通获取的HgCd光源的二维谱线图；
[0026]图9为谱线对应的探测器响应值及其高斯拟合曲线。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。
[0028]实施例1
[0029]参见附图1，为本实用新型提出的光谱定标装置，主要是三部分组成，101为均匀照明面板，102为光纤，103为激发光源模组。
[0030]照明面板的结构如图2所不，下层为导光板，导光板由入光口 1011A、导光条1011B、匀光板1011C组成。1011C底面为四面体微结构，棱镜板1012放置于匀光板1011C上部。进光口 1011A，把光纤传输的光导入到导光条1011B ;导光条1011B用于把从1011A进入的光反射到匀光板1011C，为提高光的利用率，导光条侧面做成一定倾角，并且镀宽波段高反射膜；匀光板1011C用把1011B发射的光进行均匀化处理，为提高匀光效果和控制匀光角度，匀光板底面采用微结构形式。四面体微结构单元依次紧密、整齐排列呈矩阵，分布在匀光板的底部。
[0031]参见附图3和4，它们分别为本实施例提供的均光板采用的四面体微结构底面的结构示意图及四面体微结构单元的结构示意图；每个微结构形式如图4，Hl为顶角深度，L为等边三角边长，经过优化，四面体选择用正四面体，Z选取为10Mmjl为81.6Mm。
[0032]图5为棱镜板1012,放置于勻光板1011C上部,用于在一维方向限制光散射角度，当设置α为钝角时比锐角更有较高的控制能力，一般在棱镜材η=1.5时，钝角设置为120度左右，发散角度β可控制在70度左右，根据全反射原理，部分不满足条件的光线会反射回匀光板，经匀光反射后棱镜高度怂对光均匀性有一定影响，一般设置为50um，D为棱镜高度和基底的厚度总和，其值可根据具体工艺确定。
[0033]导光板对光进行均匀散射处理，棱镜板用于限制散射视场，在狭缝宽度对应的方向上限制发散视场，使大部分能量集中于〈100°的发散角度以内，在狭缝长度方向具有接近朗伯特性的散射光，为此导光板底部采用微型四面体结构的排布，顶角深度50?100 μ m,边长为50?150 μ m,导光板上层采用棱镜板,通过棱镜槽深30?60 μ m、槽顶角100° ?130°。
[0034]图6提供了光源模组的构成，聚光镜透镜103A材料根据光谱波段选择，如在紫外-短波红外波段可选择石英玻璃；光源采用原子激发光源，发光体103B可采用汞灯(Hg)、汞氩灯(HgAr)、汞镉灯(HgCd)等，在200?100nm内具有多条特征谱线，激发光源由电池提供电路的工作电压，其电路部分把低压转换成高频高压，使汞、氩等物质产生激发谱线。采用光纤用于把激光光源产生的光传输到照面面板上，光纤数值孔在0.18?0.5范围；背面光反射镜103C凹面镀有宽波段高反射膜，电路103D采用振荡电路产生高频高压，频率为Ik Hz以上，电压为600V左右，电池103E可采用市面上常用的9V电池。
[0035]当输入HgCd谱线灯作为本定标装置的光源，对?Inm分辨率的CXD成像光谱仪定标时，根据本实用新型提供的光谱定标装置，提出了相应的定标方法。参见附图7，给出了利用本实施例提供的装置进行光谱定标的方法的流程图。定标前把光谱定标装置直接紧贴于成像光谱仪前，并做适当挡光措施，防止环境光进入成像光谱仪影响定标结果，光谱定标的流程为:
[0036]1、步骤201为背景采集，定标光源关闭时采集图像背景，用于后期图像本底扣除；
[0037]2、步骤202为光谱数据采集，定标光源打开，采集激发光谱线，在成像光谱仪焦平面上获得平行于狭缝的多条谱线；
[0038]3、步骤203为平滑去噪处理，由于受噪声、非均匀响应等影响，原始数据在定标处理前需要进行本底扣除和平滑去噪处理，平滑去噪处理采用Savitzky-Golay滤波法,此滤波器是基于多项式，通过移动窗口利用最小二乘法进行最佳拟合的方法，能够保留谱线相对极大值、极小值和宽度等分布特性。通过构造一个η阶多项式来拟合探测器平面上光谱维上的一行数据yi，i的取值为2m+1个连续的整数,i=_m,…，O,…m,且m彡(n_l)/2,则得到式(I)如下:
[0039]Yi = a0 + ^1J +a2i2 +...+αηι?(I)
[0040]式中Zi是η阶多项式平滑后的数值，^为多项式系数。则用多项式拟合点误差的平方和为式(2):
m
[0041]E= 2 C^1-y^'f(2)
[0042]为使E最小，需要E对各系数的导数为0，即得到式(3)为:
BB
[0043]T = 0,i = 0,l,2—K!(3)
[0044]通过多次迭代实现最小A值，寻找到最佳拟合值Zi，在滤波时m选取要根据采集的谱线宽度，η 一般选取为六阶左右，迭代次数不需要太大，通过此滤波能够在保持局部光谱特征的同时去除噪声的影响。
[0045]4、步骤204为光谱响应归一化，因为激发光源各谱线辐射强度及探测器响应都有差异，通过在定标处理前对各谱线响应进行归一化处理可降低其影响，归一化公式(4)为:
[0046]Fm= Fi/ Fimas(4)
[0047]Vm为归一化的光谱响应值，V1为归一化前经过滤波处理后的光谱响应值，Vimax为V1中最大的光谱响应值。
[0048]5、步骤205为峰值位置和半峰值宽度计算，计算方法采用高斯拟合，对每个谱线的光谱响应采用高斯拟合的方式为式(5):
[0049]Ym =a*exp(-(Cr_/0/c).~2) ;(5)
[0050]其中a, b, c为高斯系数，为像元位置，7Ni为归一化的光谱响应值。通过最佳迭代拟合，计算出高斯系数，最佳拟合值6为谱线峰值像元位置，从而确定已知谱线波长与像元位置的对应关系，根据最佳拟合值c可以确定半峰值宽度为2c，即成像光谱仪的光谱分辨率。
[0051]6、步骤206为波长定标，通过依次对激发光各线状谱线像元响应运用步骤205的算法，获得各谱线峰值位置与像元的对应关系，通过多项式拟合，获得焦平面光谱维方向波长与像元位置的表达式，采用的多项式为式(6):
[0052]= A0 + C1P + C2P^ + C3/?3 +.., + Cspx(6)
[0053]式中为第一个像元对应的波长，一般光谱成像的定标采用三次多项式就能够精确波长定标。
[0054]7、步骤207为光谱分辨率定标，依次运用205求取各谱线的半峰值宽度，并运用206相似的多项式拟合算法，求取各光谱通道对应的光谱分辨率或半峰值宽度。
[0055]8、步骤208为光谱弯曲定标，通过对各空间像元方向运用步骤201至步骤207，完成空间维的光谱定标，即整个谱面的定标，从而确定同一波长对应的像元偏差，进而确定光谱弯曲。
[0056]图8给出了其400?800nm光谱范围的激发谱线二维图。
[0057]图9为利用本实用新型提供的定标方法得到的其中一条谱线对应空间像元的响应结果，点为经过滤波后的响应值，曲线为经高斯拟合算法后得到，根据拟合结果得到光谱定标需要的中心波长、带宽和谱线弯曲值等。图9中横坐标为对应的光谱像元位置，纵坐标为CCD成像光谱仪探测器响应值。
【权利要求】
1.一种便携式光谱定标装置，其特征在于:它包括激发光源模组、光纤和照明面板；所述的激发光源模组包括光源、电池、振荡电路和集光原件；所述的照明面板为导光板和棱镜板两层结构，上层为棱镜板，下层为导光板，导光板包括入光口、导光条和勻光板，勻光板的底面由若干个四面体单体构成，棱镜板置于匀光板的上部；激发光源模组发出的激光通过光纤传输到照明面板的入光口进入导光条。
2.根据权利要求1所述的一种便携式光谱定标装置，其特征在于:所述的光源为汞灯、汞氩灯或汞镉灯中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种便携式光谱定标装置，其特征在于:所述的四面体为正四面体。
4.根据权利要求1所述的一种便携式光谱定标装置，其特征在于:所述的集光原件为聚光镜透镜、背面光反射镜中的一种，或它们的组合。
【文档编号】G01J3/28GK203929227SQ201420285788
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】周建康, 陈新华, 陈宇恒, 季轶群, 沈为民 申请人:苏州大学