本方法发明属于运用光学无损手段对相机进行定标的领域，具体涉及一种偏振光谱相机检测仪及检测方法。
背景技术：
现有的光谱相机检测仪主要分为两类，一是使用积分球 平行光管的方法产生平行面阵光对相机进行定标，这种方法由于直接将光源内置在积分球内，会导致下列问题：1、由于内置溴钨灯的总面积与积分球内表面面积的比值越大，就会使积分球的匀光效果越低，为了解决这一问题，一般采用大型的积分球或者降低光源强度值，但是采用大型的积分球将会导致成本大幅度的增加，二降低光源强度又由于平行光管本身就会降低光强，导致了最后的相机入射光强度不能满足定标需求；2、由于一般用于定标的光源为溴钨灯，溴钨灯是一种热光源，在发光时会产生大量的热量，在积分球内置溴钨灯进行工作时，会导致积分球的温度过高并且这是一个累积过程，随时间的增加，积分球的温度会越来越高，不仅使定标精度降低还极大的减少了定标时间，降低光源强度又由于平行光管本身就会降低光强，导致了最后的相机入射光强度不能满足定标需求；3、由于相机对不同波长的响应是不一致的，通过积分球 平行光管的方法只能得到各种混合光来对相机定标，这会极大的降低定标精度和减少定标参数的使用效果。二是采用单个卤素灯 单色仪 积分球来直接对相机进行定标，但这种方法虽然解决了积分球内置光源的问题，但是由于单个外置卤素灯的体积较大而且光源强度不高，从积分球的出射光不是互相平行的，会导致在对相机定标时光源相互影响，相机每个像素点接受的入射光强度不一致，还会导致相机离单色仪越远，定标效果越差等问题。
技术实现要素：
针对现有技术的不足及缺陷，本发明提出了一种偏振光谱相机检测仪及检测方法，具体如下：
一种偏振光谱相机检测仪，包括：光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块、电源控制模块12和光学暗室13；
其中，光源产生模块包括：积分球a1、单色仪2和积分球b3，积分球a1、单色仪2积分球b3依次相连接，积分球a1内安装有光源，积分球b3上安装有强光照度计；
光源调制模快包括：起偏器4、1/2λ波片5、1/4λ波片6、靶标7、平行光管8；
数据获取和处理模块包括：相机9、多维度位移台10和计算机11；
光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块中心轴线保持在一条水平线上，电源控制模块12与积分球a1相连接，光学暗室13为壳体结构，左端设有入光口c，积分球b3一端进过入光口c与光源调制模块连接，光源调制模块与数据获取和处理模块安装在光学暗室13壳体结构内部。
进一步的，所述积分球a1设有六个开口，其中五个为光源放置口，一个为出光口a，每个光源放置口放置有1个卤素灯，每个卤素灯装有柱形灯罩，每个灯罩固定连接在积分球a1的光源放置口。
进一步的，所述单色仪2设有电动滤光片轮、光栅结构以及出光狭缝。
进一步的，所述积分球b3上设置共有4个开口，包括一个进光口b和一个出光口b、一个放置强光照度计探头的探测口、一个备用口，该备用口与进光口b在一个半球面上，竖直对称，强光照度计探头的探测口安装强光照度计。
进一步的，所述出光口a与电动滤光片轮连接，出光狭缝与进光口b相连接，出光口b进入光学暗室13内，光由积分球a1的出光口a进入单色仪2成为准单色光，进入积分球b3的进光口b，变为均匀光后从积分球b3的出光口b进入光学暗室13内的起偏器4，变为偏振光，然后偏振光再进入1/2λ波片5后进入1/4λ波片6后形成线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光入射到靶标7上。
进一步的，所述通过靶标7后出射的光进入平行光管8，经过平行光管8将光变为平行光后进入到多维度位移台10上的相机9上。
进一步的，所述多维度位移台10和相机9，通过多维度位移台10调节相机的水平前后和水平左右的位置，通过调节相机9的水平高度实现对相机的三维空间位置调节；相机9通过数据连接线与计算机11连接。
一种应用于偏振光谱相机检测仪的检测方法，该检测方法步骤为：
步骤一、对相机及光路进行初始化设置；
步骤二、调制相机入射光源强度和波长；
步骤三、采集图像数据；
步骤四、根据步骤三采集的图像数据，利用算法计算出相机的品质参数；
步骤五、改变入射光的偏振态和光源强度与波长，重复步骤三和步骤四，完成相机在偏振光状态下的品质参数检测。
进一步的，所述步骤一中初始化设置具体包括：给电源箱12供电，开启计算机11和打开单色仪2，调节积分球a1中光源的强度以及单色仪2，使积分球b3上可以接收到光线，固定平行光管8的位置，使平行光管8的出射光充满相机9的入光面，通过多维度位移台10使相机9的入光面和平行光管8的出光面平行。
进一步的，所述步骤二中调制相机入射光源强度和波长的具体方法为：打开光学暗室13，将起偏器4，1/2λ波片5，1/4λ波片6移开，开始增大光源亮度，一直到相机入射光达到半饱和条件时采集波长-光源强度曲线图。
进一步的，所述步骤四中所述品质参数包括：相机灵敏度、相机的清晰度、相机的信噪比和相机的非均匀性。
进一步的，所述相机的信噪比的计算方法为：
在无光照条件时和半饱和的光照条件下读取相机灰度值gray(m,n)，m代表行，n代表列。按照下式计算：
其中，信噪比等于在半饱和光照条件下的平均信号灰度值f(g)signal与在无光照条件下灰度值的均方差f(g)noise的比值取以10为底的对数再乘以系数20。
进一步的，所述相机的非均匀性的计算方法为：
相机的非均匀性参数可通过光响应不均匀性的值进行表征。设m,n为图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引，则第m行n列在无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的图像平均数字信号值为ydark和y50，其中，μy,dark和μy,50为无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的平均信号值，具体计算方法如公式(4)和公式(5)
s2y,dark和s2y,0为黑暗和50％饱和度图像的空间方差，具体计算方法为公式(6)和公式(7)：
其中m,n分别是图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引；
prnu为光响应不均匀性的值，如上公式8所示，通过单一波长对应的光响应不均匀性值可以得到相机的非均匀性参数值。
进一步的，所述相机灵敏度的计算方法为：
其中，μy，10为百分之十的饱和光照条件下的图像平均数字信号值，e10和e50为百分之十的饱和光照条件下和百分之五十的饱和光照条件下的相机的入射光强度值，sy,dark为无入射光条件下的相机图像均方根值，v为相机的灵敏度值，eth为相机的最低照度值。
进一步的，步骤五所述改变入射光的偏振态和光源强度与波长的具体方法为，打开光学暗室13，放入起偏器4，1/2λ波片5和1/4λ波片6，将相机入射光调制为线偏振光和圆偏振光及椭圆偏振光，在这条件下分别调制相机入射光的光源强度。
与现有光谱相机检测装置相比，本发明提出的一种偏振光谱相机检测仪及检测方法，采用积分球 单色仪 积分球 偏振片 平行光管的装置来产生面阵平行光，提升了检测光源的品质和种类，同时解决了现有相机检测仪中内置溴钨灯导致的积分球效率降低，积分球温度过高，定标光源强度不足等问题，兼容了积分球效率和积分球温度和光线互相影响等问题，同时解决了相机对不同的波长有不一样的响应的精准定标问题，运用偏振光对相机进行定标，实现了增加相机检测范围和提升相机检测精度的同时，延长了检测仪单次工作时长，提升工作效率，减低了相机检测成本，具有较大的市场推广空间。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为偏振光谱相机检测仪结构图。
图中：1-积分球a；2-单色仪；3-积分球b；4-起偏器；5-1/2λ波片；6-1/4λ波片；7-靶标；8-平行光管；9-相机；10-多维度位移台；11-计算机；12-电源控制模块；13-光学暗室。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施方案一：为了证明本发明的适用性，结合实例进行详细的说明。但是本发明也可以应用于本次所采用的实例之外的相机定标方法。
本发明装置涉及的实验装置如图1所示，一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，该检测装置包括：光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块、电源控制模块12和光学暗室13；其中，光源产生模块包括：积分球a1、单色仪2和积分球b3，积分球a1、单色仪2积分球b3依次相连接，积分球a1内安装有光源，积分球b3上安装有强光照度计；光源调制模快包括：起偏器4、1/2λ波片5、1/4λ波片6、靶标7、平行光管8；数据获取和处理模块包括：相机9、多维度位移台10和计算机11；光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块中心轴线保持在一条水平线上，电源控制模块12与积分球a1相连接，光学暗室13为壳体结构，左端设有入光口c，积分球b3一端进过入光口c与光源调制模块连接，光源调制模块与数据获取和处理模块安装在光学暗室13壳体结构内部。
所述积分球a1上设有六个开口，其中五个为光源放置口，一个为出光口a，每个光源放置口为一个下表面为曲面的圆柱体，该曲面能刚好放置在积分球a1的外球面上，在圆柱体的中心上表面有个圆槽，1个卤素灯能正好扣在槽上。每个卤素灯在柱型灯罩里，柱型灯罩上表面开有一小孔放置电源线通过，每个柱形灯罩下表面中空固定连接下表面为曲面的圆柱体的上表面。该柱形灯罩的柱面开有条形长孔。本发明的作用是：柱型灯罩上表面的小孔让电源线通过，通过改变电压调节卤素灯的光照强度；柱形灯罩的柱面开有条形长孔的作用是：为了在卤素灯工作时增强散热功能，柱形灯罩在保证散热的同时也保证了操作人员的安全。
从积分球1上的出光口a出射光进入单色仪2的滤光片轮后进入单色仪2的入射光狭缝，在单色仪2内的多级光栅作用下得到单一波长的单色光，调制好的单色光从单色仪2上的出射光狭缝出光狭缝通过光源转接块与积分球b3上的入光口连接；单色仪3通过数据线与计算机11的主机连接，通过软件控制程序能在计算机上直接改变滤光片轮的滤光效率和选择经过的光栅，控制出射单色光的波长。
积分球b3上设置共有4个开口，一共包括一个进光口和一个出光口、一个放置强光照度计探头的探测口、及一个备用进光口，该备用口与进光口在一个半球面上，也在同一水平面上，竖直对称。通过积分球b3上的出光口进入光学暗室13内的起偏器4中。
偏振光从起偏器4上出来变为偏振光进入1/2λ波片5中，只改变了偏振光的振动方向，；从1/2λ波片5出来的线偏振光只改变了振动方向，进入1/4λ波片6后，当入射偏振光与1/4λ波片6的光轴成一定的角度时，线偏振光将会发生一定的改变，可变化为圆偏振光和椭圆偏振光，从1/4λ波片6出来的线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光将会入射到靶标7上，为了对相机进行不同的参数检测，靶标7可选择星板靶标或鉴别率板，其中星板靶标主要运用在对相机的点扩展函数检测方面，鉴别率板主要运用在对相机的清晰度、灵敏度、信噪比和非均匀性检测等方面。在计算机11上选择鉴别率板的检测区域，具体算法为：
1.左上角水平位置百分比，指的是检测区域的左侧边线在鉴别率板从左到右的位置。
2.左上角垂直位置百分比，指的是检测区域的上侧边线在鉴别率板从上到下的位置。
3.右下角水平位置百分比，指的是检测区域的右侧边线在鉴别率板从左到右的位置。
4.右下角垂直位置百分比，指的是检测区域的下侧边线在鉴别率板从上到下的位置。
靶标7出来的非平行光进入平行光管8的可调焦入光口中，经过内部的凹凸透镜组合把非平行光变为平行光束，经过平行光管8将非平行光变为平行光束后光束进入到多维度位移台10上的相机9上。通过多维度位移台10调节相机的水平前后位置和水平左右位置以及水平高度实现了三维调节，相机9通过数据连接线与计算机11连接，利用计算机里的图像采集卡采集相机的成像数据。
电源控制模块12上的航空插座与卤素灯云母线上的航空插头相连接，使用电源采用隔离供电，共有五个模组，独立供电，方便维护，每组控制一个卤素灯开关以及亮度。考虑到电气安全性，采用低压(dc12v)控制高压(220v)，电源控制模块12的前面板包含状态指示以及光强调整，背板集成插排，外接电源采用标准航插件，安全方便。
给电源箱12供电，开启计算机11和打开单色仪2，调节积分球a1中光源的强度以及单色仪2，使积分球b3上可以接收到光线，固定平行光管8的位置，使平行光管8的出射光充满相机9的入光面，通过多维度位移台10使相机9的入光面和平行光管8的出光面平行。
一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，为了证明本发明检测方法的适用性，结合实例进行详细的说明，其特征在于，该检测方法步骤为：
步骤一、对相机及光路进行初始化设置，打开光学暗室13，将起偏器4，1/2λ波片5，1/4λ波片6移开，把鉴别率板放置为靶标7放入光路中，关闭光学暗室13，打开单色仪2。
步骤二、通过电源控制模块12调节增大光源亮度值，在到相机采集到鉴别率板的图像灰度值时，通过积分球b3上的强光照度计记录下此时的照度值，将此时相机的图像数据转化为灰度波形图，在相机达到饱和时记录此时的照度计值，然后开始减弱光源强度值，在达到饱和光照值的50％时，记录此时的照度计值，然后继续减弱光源强度值，在达到饱和光照值的10％时，记录此时的照度计值，然后关闭光源，在无光照条件下记录此时的照度计值。利用单色仪2改变入射光的波长，然后相机达到饱和时记录此时的照度计值，然后开始减弱光源强度值，在达到饱和光照值的50％时，记录此时的照度计值，然后继续减弱光源强度值，在达到饱和光照值的10％时，记录此时的照度计值，然后关闭光源，在无光照条件下记录此时的照度计值并采集相机的图像数据。
步骤三、在相机入射光为饱和光照值的50％时采集相机的图像灰度值，在相机入射光为饱和光照值的10％时采集相机的图像灰度值，在相机入射光为无光照条件下时采集相机的图像灰度值。在用单色仪2改变光源的波长后在相机入射光为饱和光照值的50％时采集相机的图像灰度值，在相机入射光为饱和光照值的10％时采集相机的图像灰度值，在相机入射光为无光照条件下时采集相机的图像灰度值。
步骤四、利用步骤二和步骤三记录的数据由公式1、公式2、公式3得到相机的信噪比。利用步骤二和步骤三记录的数据由公式4、公式5、公式6、公式7、公式8得到相机的光响应不均匀性。
在无光照条件时和半饱和的光照条件下读取相机灰度值gray(m,n)，m代表行，n代表列。按照下式计算：
其中，信噪比等于在半饱和光照条件下的平均信号灰度值f(g)signal与在无光照条件下灰度值的均方差f(g)noise的比值取以10为底的对数再乘以系数20。
相机的非均匀性参数是通过光响应不均匀性的值进行表征，设m,n为图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引，则第m行n列在无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的图像平均数字信号值为ydark和y50，其中，μy,dark和μy,50为无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的平均信号值，具体计算方法如公式(4)和公式(5)
s2y,dark和s2y,0为黑暗和50％饱和度图像的空间方差，具体计算方法为公式(6)和公式(7)：
其中m和n分别是图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引；
prnu为光响应不均匀性的值，如上公式所示，通过单一波长对应的光响应不均匀性值可以得到相机的非均匀性参数值。
进一步的，所述相机灵敏度的计算方法为：
其中，μy，10为百分之十的饱和光照条件下的图像平均数字信号值，e10和e50为百分之十的饱和光照条件下和百分之五十的饱和光照条件下的相机的入射光强度值，sy，dark为无入射光条件下的相机图像均方根值，v为相机的灵敏度值，eth为相机的最低照度值。
利用步骤二和步骤三记录的数据由公式5、公式9、公式10、公式11、公式12得到相机的灵敏度值和最小灵敏度值。
运用计算机11上的图像采集卡软件采集相机在入射光为50％的饱和光照条件下对鉴别率板的检测区域所成的图像，使鉴别率板在相机探测器成像面上成100-800线对的清晰图像，记录此时相机能分辨的最多线对数量就为相机的清晰度。
步骤五、打开光学暗室13，将起偏器4，1/2λ波片5，1/4λ波片6移开，把鉴别率板作为靶标7放入光路中，关闭光学暗室13。利用单色仪2改变入射光的波长，兵利用起偏器4，1/2λ波片5，1/4λ波片6将光源改变为线偏振光和圆偏振光，然后相机达到饱和时记录此时的照度计值，然后开始减弱光源强度值，在达到饱和光照值的50％时，记录此时的照度计值，然后继续减弱光源强度值，在达到饱和光照值的10％时，记录此时的照度计值，然后关闭光源，在无光照条件下记录此时的照度计值并采集相机的图像数据。
然后利用步骤二和步骤三记录的数据由公式5、公式9、公式10、公式11、公式12得到相机在入射光为各种偏振光时的灵敏度值和最小灵敏度值。利用步骤二和步骤三记录的数据由公式1、公式2、公式3得到相机在入射光为各种偏振光时的信噪比。利用步骤二和步骤三记录的数据由公式4、公式5、公式6、公式7、公式8得到相机在入射光为各种偏振光时的光响应不均匀性。
本发明实施方式说明到此结束。
1.一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，该检测装置包括：光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块、电源控制模块(12)和光学暗室(13)；
其中，光源产生模块包括：积分球a(1)、单色仪(2)和积分球b(3)，积分球a(1)、单色仪(2)积分球b(3)依次相连接，积分球a(1)外安装有光源，积分球b(3)上安装有强光照度计；
光源调制模快包括：起偏器(4)、1/2λ波片(5)、1/4λ波片(6)、靶标(7)、平行光管(8)；
数据获取和处理模块包括：相机(9)、多维度位移台(10)和计算机(11)；
光源产生模块、光源调制模块、数据获取和处理模块中心轴线保持在一条水平线上，电源控制模块(12)与积分球a(1)相连接，光学暗室(13)为壳体结构，左端设有入光口c，积分球b(3)一端进过入光口c与光源调制模块连接，光源调制模块与数据获取和处理模块安装在光学暗室(13)壳体结构内部。
2.根据权利要求1所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述积分球a(1)设有六个开口，其中五个为光源放置口，一个为出光口a，每个光源放置口放置有1个卤素灯，每个卤素灯装有柱形灯罩，每个灯罩固定连接在积分球a(1)的光源放置口。
3.根据权利要求2所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述单色仪(2)设有电动滤光片轮、光栅结构以及出光狭缝。
4.根据权利要求3所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述积分球b(3)上设置共有4个开口，包括一个进光口b和一个出光口b、一个放置强光照度计探头的探测口、一个备用口，该备用口与进光口b在一个半球面上，竖直对称，强光照度计探头的探测口安装强光照度计。
5.根据权利要求4所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述出光口a与电动滤光片轮连接，出光狭缝与进光口b相连接，出光口b进入光学暗室(13)内，光由积分球a(1)的出光a进入单色仪(2)成为准单色光，进入积分球b(3)的进光口b，变为均匀光后从积分球b(3)的出光口b进入光学暗室(13)内的起偏器(4)，变为偏振光，然后偏振光再进入1/2λ波片(5)后进入1/4λ波片(6)后形成线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光入射到靶标(7)上。
6.根据权利要求5所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述通过靶标(7)后出射的光进入平行光管(8)，经过平行光管(8)将光变为平行光后进入到多维度位移台(10)上的相机(9)上。
7.根据权利要求1所述一种偏振光谱相机检测仪，其特征在于，所述多维度位移台(10)和相机(9)，通过多维度位移台(10)调节相机的水平前后和水平左右的位置，通过调节相机(9)的水平高度实现对相机的三维空间位置调节；相机(9)通过数据连接线与计算机(11)连接。
8.一种应用于权利要求1所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，该检测方法步骤为：
步骤一、对相机及光路进行初始化设置；
步骤二、调制相机入射光源强度和波长；
步骤三、采集图像数据；
步骤四、根据步骤三采集的图像数据，利用算法计算出相机的品质参数；
步骤五、改变入射光的偏振态和光源强度与波长，重复步骤三和步骤四，完成相机在偏振光状态下的品质参数检测。
9.根据权利要求8所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述步骤一中初始化设置具体包括：给电源箱(12)供电，开启计算机(11)和打开单色仪(2)，调节积分球a(1)中光源的强度以及单色仪(2)，使积分球b(3)上可以接收到光线，固定平行光管(8)的位置，使平行光管(8)的出射光充满相机(9)的入光面，通过多维度位移台(10)使相机(9)的入光面和平行光管(8)的出光面平行。
10.根据权利要求8所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述步骤二中调制相机入射光源强度和波长的具体方法为：打开光学暗室(13)，将起偏器(4)，1/2λ波片(5)，1/4λ波片(6)移开，开始增大光源亮度，一直到相机入射光达到半饱和条件时采集波长-光源强度曲线图。
11.根据权利要求8所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述步骤四中所述品质参数包括：相机灵敏度、相机的清晰度、相机的信噪比和相机的非均匀性。
12.根据权利要求11所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述相机的信噪比的计算方法为：
在无光照条件时和半饱和的光照条件下读取相机灰度值gray(m，n)，m代表行，n代表列。按照下式计算：
其中，信噪比等于在半饱和光照条件下的平均信号灰度值f(g)signal与在无光照条件下灰度值的均方差f(g)noise的比值取以10为底的对数再乘以系数20。
13.根据权利要求11所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述相机的非均匀性的计算方法为：
相机的非均匀性参数是通过暗信号不均匀性和光响应不均匀性的值进行表征，
设m，n为图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引，则第m行n列在无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的图像平均数字信号值为ydark和y50，其中，μy，dark和μy，50为无光照条件下和百分之五十的饱和光照下的平均暗信号值，具体计算方法如公式(4)和公式(5)
s2y，dark和s2y，0为黑暗和50％饱和度图像的空间方差，具体计算方法为公式(6)和公式(7)：
其中m和n分别是图像的行数和列数，a和b分别是数组的行索引和列索引；
prnu为光响应不均匀性的值为如下公式所示，通过单一波长对应的光响应不均匀性值可以得到相机的非均匀性参数值。
14.根据权利要求11所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，所述相机灵敏度的计算方法为：
其中，μy，10为百分之十的饱和光照条件下的图像平均数字信号值，e10和e50为百分之十的饱和光照条件下和百分之五十的饱和光照条件下的相机的入射光强度值，sy，dark为无入射光条件下的相机图像均方根值，v为相机的灵敏度值，eth为相机的最低照度值。
15.根据权利要求8所述一种偏振光谱相机检测仪的检测方法，其特征在于，步骤五所述改变入射光的偏振态和光源强度与波长的具体方法为，打开光学暗室(13)，放入起偏器(4)，1/2λ波片(5)和1/4λ波片(6)，将相机入射光调制为线偏振光和圆偏振光及椭圆偏振光，在这条件下分别调制相机入射光的光源强度。
技术总结