一种多波段条状滤光片光学参数测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于光学计量和测量领域，具体涉及一种多波段条状滤光片光学参数测试系统及其测试方法。

背景技术

多光谱成像遥感技术在对地观测、大气探测、目标识别等领域具有明显优势，目前实现多光谱窄带成像的方法主要有两类，单通道分时测量法和多通道同时测量法。前者通过转动滤光片转轮或可调滤光片，分时获取不同波长的光谱图像，缺点是分时成像容易造成前后图像间的错位；后者通过采用多镜头或者多图像传感器的方法，实现同一时间获取同一目标的多光谱图像，缺点是仪器体积较大，结构复杂。

多波段条状滤光片通过将滤光片切割成窄条状，通过拼接的形式集成在同一块基板上，再与探测器复合，该方式可以精简系统结构，代替传统的成像方法，具有体积小、重量轻、无需复杂的空间校准等优点。但是，这种“三明治”结构会使入射光线在通道之间来回反射，容易造成不同通道之间的光谱混叠，而且胶层厚度不一致也会导致相同通道透过率不均匀，最终导致结果误判。因此需要采用合适的测试系统和测试方法，对已加工的多波段条状滤光片进行标定和定量化评价。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种波段条状滤光片光学参数测试系统及其测试方法，通过该系统能够对波段条状滤光片的透过率进行校正和计算，促进多光谱成像技术的发展。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多波段条状滤光片光学参数测试系统，包括连续可调谐均匀单色照明光源组件、二维调整架、相机组件、图像采集处理系统、电源；所述二维调整架用于调整多波段条状滤光片的位置，使其位于相机组件的物面位置；所述相机组件包括光学成像系统和探测器，用于对多波段条状滤光片清晰成像；所述图像采集处理系统用于对相机组件输出的图像进行数值分析；所述电源用于对整个测试系统进行供电；所述二维调整架和相机组件均安装在暗箱内。上述方案中涉及的二维调整架能够在X轴、Y轴方向上进行位置调节，实现对多波段条状滤光片在X轴、Y轴方向上的位置调整，其为本领域中现有成熟的设备。

进一步的，所述连续可调谐均匀单色照明光源组件包括椭球镜、光栅单色仪和积分球，所述积分球出口与入口方向为90°；所述椭球镜一次焦点位置处安装有氙灯，所述光栅单色仪的狭缝入口设置在椭球镜二次焦点处，所述光栅单色仪的出口与积分球的入口连通，且光栅单色仪入口处设置有消二级光谱滤光片；所述椭球镜与消二级光谱滤光片之间设置有循环水冷降温装置；所述循环水冷降温装置包括水冷滤光片以及通过水管与水冷滤光片构成循环水路的循环水泵组成。所述多波段条状滤光片包括基板以及固定在基板上的五个窄带光谱通道滤光片，所述五个窄带光谱通道滤光片依次形成通道一、通道二、通道三、通道四和通道五。

本发明的另一个目的是提供一种多波段条状滤光片光学参数测试方法，其是基于上述所述的光学参数测试系统完成的，包括以下步骤：

a)调节连续可调谐均匀单色照明光源组件，使其输出通道一光谱，调节二维调整架使多波段条状滤光片位于光学成像系统物面位置并且清晰成像；

b)设置探测器曝光时间t1，亮场环境连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

c)设置探测器曝光时间为t1，暗场环境连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

d)将多波段条状滤光片移出光路，连续可调谐均匀单色照明光源直接照明光学成像系统和探测器；

e)设置探测器曝光时间为t1，亮场环境连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

f)设置探测器曝光时间为t2，亮场环境使探测器输出DN为5％饱和值，连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

g)设置探测器曝光时间为t2，暗场环境连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

h)设置探测器曝光时间为t3，亮场环境使探测器输出DN为95％饱和值，连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

i)设置探测器曝光时间为t3，暗场环境连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

j)调节连续可调谐均匀单色照明光源组件，分别输出通道二-通道五光谱，重复步骤a-i；

k)测试完成，关闭电源。

上述多波段条状滤光片光学参数测试方法，还包括以下数据处理步骤：

a)扣除本底：将平均后的亮场图像减去暗场图像，得到有效信号，参考公式(1)—(4)：

U

U

U

U

b)非均匀性校正：校正由于光学成像系统和探测器自身非均匀性带来的测试误差，参考公式(5)—(8)；其中，

Y

Y

c)透过率二维分布：对有无多波段滤光片的校正后图像相除，得到不同光谱的透过率二维分布T，参考下述公式(9)：

本发明的有益效果如下：

本发明提出的一种多波段条状滤光片光学参数测试系统，通过调节连续可调谐均匀单色照明光源组件，可以输出与测试通道光谱匹配的均匀窄带面光源，通过照射多波段条状滤光片，由光学成像系统和探测器对待测目标所有通道成像并输出；采用扣本底和非均匀性校正等预处理操作，消除测试系统自身低频扰动带来的测试误差；最终计算得到多波段条状滤光片透过率二维分布图像，完成通道内均匀性、通道间光谱串扰、透过率等参数的定标与校正，显著提高测试效率和测试精度。

附图说明

图1为本发明所描述的多波段条状滤光片示意图；

图2为本发明所描述的多波段条状滤光片光学参数测试系统示意图；

图3为本发明所描述的多波段条状滤光片光学参数测试方法流程图；

图4为处理得到的透过率分布图像；

图5为透过率曲线分布；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明所描述的多波段条状滤光片，包括五个窄带光谱通道，前三个通道滤光片尺寸18mm×3mm，后两个通道滤光片尺寸为18mm×1mm，边缘涂黑拼接集成在同一基板上。

参照图2，本发明所描述的多波段条状滤光片光学参数测试系统，包括氙灯1、椭球镜2、循环水冷降温装置3、消二级光谱滤光片4、光栅单色仪5、电源6、积分球7、多波段条状滤光片8、二维调整架9、光学成像系统10、探测器11、暗室12、图像采集处理系统13。椭球镜2一次焦点位置放置氙灯1，光栅单色仪5的狭缝入口设置在椭球镜的二次焦点处，且光栅单色仪5与氙灯1之间设置有循环水冷降温装置3，光栅单色仪5入口前放置消二级光谱滤光片4，用于消除光栅色散产生的二级光谱，光栅单色仪5的出口与积分球7的入口连通，积分球出口与入口成90°。积分球出射的均匀单色照明光源照射多波段条状滤光片8，光线透射后依次经过光学成像系统10、探测器11、图像采集处理系统13，最终转换成图像输出。其中，二维调整架9用于调整多波段条状滤光片8的位置，暗室12用于提供为测试过程提供暗场测量环境，规避杂散光影响，电源6用于对整个系统供电。下述实施例中光学成像系统采用像方远心成像镜头；探测器选用面阵探测器E2V-4720；图像采集处理系统为本领域中较为成熟的系统，用于实现面阵探测器的驱动和视频信号的采集，并将采集到的图像数据进行实时存储与显示。本实施例中使用的图像采集处理系统包含工控机、可编程逻辑器件、水平垂直时序驱动单元、模拟前端处理单元、CCD偏置电压产生单元、图像数据传输单元、内部通信接口、内部遥测信号产生单元；上述列举的组件只是用于进一步公开本实施例，并不是对本方案的限制，对于本领域的技术人员来说，其可以根据实际试验需求，对相关组件进行平行替换。

参照图3，本发明所描述的一种多波段条状滤光片光学参数测试方法，包括如下步骤：

a)调节连续可调谐均匀单色照明光源组件，使其输出中心波长490nm光谱，该光谱为通道一光谱，调节二维调整架使多波段条状滤光片位于光学成像系统物面位置并且清晰成像；

b)设置探测器曝光时间8ms，亮场环境连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

c)设置探测器曝光时间为8ms，暗场环境连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

d)将多波段条状滤光片移出光路，连续可调谐均匀单色照明光源直接照明光学成像系统和探测器；

e)设置探测器曝光时间为8ms，亮场环境连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

f)设置探测器曝光时间为0.5ms，亮场环境使探测器输出DN为5％饱和值，连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

g)设置探测器曝光时间为0.5ms，暗场环境连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

h)设置探测器曝光时间为10ms，亮场环境使探测器输出DN为95％饱和值，连续拍摄n幅图像，取平均得到图像μ

i)设置探测器曝光时间为10ms，暗场环境连续拍摄10幅图像，取平均得到图像μ

j)调节连续可调谐均匀单色照明光源组件，分别输出通道二-通道五光谱(550nm、670nm、870nm、910nm)，重复步骤a-i；

k)测试完成，关闭电源。

上述多波段条状滤光片光学参数测试方法，还包括以下数据处理步骤：

a)扣除本底：将平均后的亮场图像减去暗场图像，得到有效信号，参考公式(1)—(4)：

U

U

U

U

b)非均匀性校正：校正由于光学成像系统和探测器自身非均匀性带来的测试误差，参考公式(5)—(8)；其中，

Y

Y

c)透过率二维分布：对有无多波段滤光片的校正后图像相除，得到不同光谱的透过率二维分布T，参考下述公式(9)：

以670nm光谱通道为例，图4为处理得到的透过率分布图像，取第200列数据，得到透过率曲线分布如图5，可以看出第578-676行，透过率曲线较平坦，该区间非均匀性约3.08％。