CN101487739A - 全偏振图像测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全偏振图像测量系统。由一系列光学器件组合而成，入射光首先通过镜头采集，镜头上带有滤光片，选取特定波长的光。镜头将目标物上的光线采集进入系统并通过电光调制器，电光调制器受控，可以调制输出光束相位。然后此光通过偏振分光棱镜出射o光和e光图像，分别由两个CCD同步采集光强信息，最终将偏振信息处理并呈现在计算机上。由于不同目标物表面将入射光反射后的偏振特性不同，所以用本发明采集后会获取不同的偏振光学特性。通过信息处理技术提取相关偏振图像信息，可以实现对不同的待测物体进行探测。这一全偏振图像测量系统成本较低，特征准确，为遥感的测量研究带来极大便利，还具有一定的普适性。

Description

全偏振图像测量系统

技术领域

本发明涉及一种全偏振图像测量系统。

背景技术

随着全球气候异常变化和极端气象的频繁出现，监测大气环境，空间水系成为遥感领域中各国争相研究的热点问题。偏振测量技术在大气遥感测量与研究中具有其它遥感方式无法比拟的独特优势，能够利用对光波偏振特性的测量与计算获得更为丰富的遥感信息。偏振相位本身包含其他参量未有的重要的信息，再与多光谱技术结合，可以准确的反应温度分布，杂质分布，流体分布等参量。然而国外已投入使用的可旋转线偏振器测算获得的偏振度数据还不足以反应实际存在的偏振参数状况，尤其是无法判断偏振相位信息。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种全偏振图像测量系统，它利用一系列偏振光学元件组合而成，用以测量物体的偏振信息，达到准确测量物体的目的。

为了达到本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

入射光依次通过镜头、电光调制器和偏振分光棱镜后分为两路，一路透射到达第一面阵光电转换器CCD，另一路反射到达第二面阵光电转换器CCD，两个面阵光电转换器CCD分别与计算机输入端相连，计算机与电压控制模块相连，电压控制模块与控制电光调制器相连，控制电光调制器(3)的工作参数，将获得的信息处理后显示在计算机的显示器上。

该系统的镜头电光调制器，偏振分光棱镜，第一面阵光电转换器CCD和第二面阵光电转换器CCD在同一光学主轴上。

所述镜头为长焦镜头或鱼眼镜头。

所述电光调制器为共面电极型压电陶瓷材料光圆偏振调制器。

偏振分光棱镜的检偏方向与电光调制器的晶体光轴成π/8的夹角。

在镜头前配置波长范围为390nm-780nm的滤光片。

在偏振分光棱镜上与第二面阵光电转换器CCD相对的表面上叠加挡光板。

所述电压控制模块包括DB9端口模块、MAX232模块、78L09模块、两块DAC0823模块、两块NCE5532模块、89C51模块、两块78L09模块、7905模块和78L115模块；其中两块DAC0823模块分别与89C51模块连接，MAX232模块与89C51模块相连，DB9端口模块输入与计算机输出端口相连，78L09模块输出端口与电光调制器的输入端相连。

本发明具有的有益效果是：

由于现有的偏振测量主要局限于线偏振的测量，所获得的偏振信息无法反映偏振相位参量的信息。本发明设计的全偏振测量系统，通过对全偏振信息的测量和采集，使得能够更全面的获取物体的全偏振信息。

由于不同目标物表面将入射光反射后的偏振特性不同，所以用本发明采集后会获取不同的偏振光学特性。通过信息处理技术提取相关偏振图像信息，可以实现对不同的待测物体进行探测。这一全偏振图像测量系统成本较低，操作简单，特征准确，为遥感的测量研究带来极大便利，同时还具有一定的普适性，可以应用于各种光学结构中，例如显微镜、交通道路状况成像、水下成像等领域。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明系统的电光调制器快轴方向与偏振分光镜透振方向夹角关系示意图。

图3是本发明的电压控制模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明入射光1依次通过镜头2、电光调制器3和偏振分光棱镜4后分为两路，一路透射到达第一面阵光电转换器CCD5，另一路反射到达第二面阵光电转换器CCD6，两个面阵光电转换器CCD分别与计算机输入端相连，计算机与电压控制模块9相连，电压控制模块9与控制电光调制器3相连，控制电光调制器3的工作参数，将获得的信息处理后显示在计算机的显示器上。该系统的镜头2电光调制器3，偏振分光棱镜4，第一面阵光电转换器CCD5和第二面阵光电转换器CCD5在同一光学主轴上。

所述镜头2为长焦镜头或鱼眼镜头。所述电光调制器3为共面电极型压电陶瓷材料光圆偏振调制器。偏振分光棱镜4的检偏方向与电光调制器3的晶体光轴成π/8的夹角。在长焦镜头2前配置波长范围为390nm-780nm的滤光片7。在偏振分光棱镜4上与第二面阵光电转换器CCD6相对的表面上叠加挡光板8。

如图3所示，所述电压控制模块9包括DB9端口模块、MAX232模块、78L09模块、两块DAC0823模块、两块NCE5532模块、89C51模块、两块78L09模块、7905模块和78L115模块；其中两块DAC0823模块分别与89C51模块连接，MAX232模块与89C51模块相连，DB9端口模块输入与计算机输出端口相连，78L09模块输出端口与电光调制器3的输入端相连。

实施例

如图1示出了本发明的原理结构图，入射光1由Nikon400mm长焦镜头2采集，将待测物体对入射光的反射光采集进入系统通过液晶电光调制器3，液晶电光调制器3由电压控制器控9制实现三个偏振调制相位的相互切换。调制器快轴方向与偏振分光棱镜4的。光透振方向成π/8的角度，并利用键合技术将调制器的玻璃表面固定在偏振分光棱镜表面，相对位置如图2所示。由第一面阵光电转换器CCD5和第二面阵光电转换器CCD6同步采集光强信息并进行信息处理，最终将全偏振信息呈现到计算机上，由计算机对所采集的图像信息进行计算、存储及显示。

所设计的系统各元件参数如下：

建立正交坐标系XOY，水平方向为OX方向，竖直方向为OY方向。

电光调制器的快轴方位角与OX轴夹角θ为45°。调制相位量δ分别为π/4、3π/4、0，这三个量的控制分别对应电压为3.6v、4.8v、9.2v。此三个调制相位点的Mueller矩阵分别为：

$M_{\mathrm{LCM}}^{\mathrm{\δ}=\mathrm{\π}/4,\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}/4}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2\end{array}\right)$

$M_{\mathrm{LCM}}^{\mathrm{\δ}=3\mathrm{\π}/4,\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}/4}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2\\ 0& 0& -\sqrt{2}/2& -\sqrt{2}/2\end{array}\right)$

$M_{\mathrm{LCM}}^{\mathrm{\δ}=0,\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}/4}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

偏振分束棱镜具有两个出光面，即o/e光。选择o光透振方向与OX轴夹角为π/8，此时e光透振方向与OX轴夹角为5π/8，因此，在两个出光面上可以建立如下的Mueller矩阵：

$M_{\mathrm{PBSx}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& \sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2& 0\\ \sqrt{2}/2& 1/4& 1/4& 0\\ \sqrt{2}/2& 1/4& 1/4& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

$M_{\mathrm{PBSy}}=\left(\begin{array}{cccc}1& -\sqrt{2}/4& -\sqrt{2}/4& 0\\ -\sqrt{2}/4& 1/4& 1/4& 0\\ -\sqrt{2}/4& 1/4& 1/4& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

如果设定待测入射光线(即CCD可获得图像的其中一个像素点)的Stokes矢量为S＝[S₀，S₁，S₂，S₃]^T，且CCD1和CCD2分别测量到光强信号I_x与I_y时，有如下的光强关系：

I_x＝M_PBSx M_LCMS

I_y＝M_PBSy M_LCMS

结合三个相位点的调制，每个像素点都可以得到6个光强的方程，即：

根据上述方程组就可以获得入射光全偏振信息的Stokes矢量：

S₀＝I_x1+I_y1

$S_1=\sqrt{2}({2I}_{x1}-I_{x2}-I_{y3})$

$S_2=\sqrt{2}(I_{x2}-I_{x3})$

S₃＝4(I_x2-I_x1)

其中，电光调制器的调制点选取是以方程组计算时，表征Stokes参量的元素最少为准则，这样不但能够减少计算的次数，更能大大降低由计算带来的相关误差。通过上述方法所获取的Stokes矢量，可以计算任意的偏振参数，其中：

(a)偏振度P： $P={(S_1^2+S_2^2+S_3^2)}^{1/2}/S_0$

(b)偏振倾斜角

当S₁>0时，

当S₁<0且S₂>0时，

当S₁<0且S₂<0时，

(c)偏振相位角δ：当S₂>0时 $\mathrm{\&delta;}=\arcsin (S_3/2\sqrt{I_x{I}_y});$

当S₂<0且S₃>0时， $\mathrm{\&delta;}=\arccos (S_2/2\sqrt{I_x{I}_y});$

当S₂<0且S₃<0时， $\mathrm{\&delta;}=\mathrm{\&pi;}-\arcsin S_3/2\sqrt{I_x{I}_y}.$

(d)偏振方位角α： $\mathrm{\&alpha;}=\arctan \sqrt{\frac{I_y-S_0(1-P)}{I_x-S_0(1-P)}}$

(e)偏振椭圆率角β：因该参数处在[-π/4，π/4]范围内，故

β＝1/2arcsin(S/S₀P)

在工作时，电光调制器的受计算机控制，使得三个控制电压切换工作，以达到改变偏振方向的目的。本实施例中，当使用者使用的电光调制器不同时(如GaAs材料、LiNiO3材料、液晶材料等等)，调制器的工作特性会有所差异，根据器件特性选择工作点和快轴的装配角度可能与本实施例不同，这些数据不具有特定性，但都是利用电光调整的特性实现全偏振信息测量。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种全偏振图像测量系统，其特征在于：入射光(1)依次通过镜头(2)、电光调制器(3)和偏振分光棱镜(4)后分为两路，一路透射到达第一面阵光电转换器CCD(5)，另一路反射到达第二面阵光电转换器CCD(6)，两个面阵光电转换器CCD分别与计算机输入端相连，计算机与电压控制模块(9)相连，电压控制模块(9)与控制电光调制器(3)相连，控制电光调制器(3)的工作参数，将获得的信息处理后显示在计算机的显示器上。

2、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：该系统的镜头(2)电光调制器(3)，偏振分光棱镜(4)，第一面阵光电转换器CCD(5)和第二面阵光电转换器CCD(5)在同一光学主轴上。

3、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：所述镜头(2)为长焦镜头或鱼眼镜头。

4、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：所述电光调制器(3)为共面电极型压电陶瓷材料光圆偏振调制器。

5、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：偏振分光棱镜(4)的检偏方向与电光调制器(3)的晶体光轴成π/8的夹角。

6、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：在镜头(2)前配置波长范围为390nm-780nm的滤光片(7)。

7、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：在偏振分光棱镜(4)上与第二面阵光电转换器CCD(6)相对的表面上叠加挡光板(8)。

8、根据权利要求1所述的一种全偏振图像测量系统，其特征在于：所述电压控制模块(9)包括DB9端口模块、MAX232模块、78L09模块、两块DAC0823模块、两块NCE5532模块、89C51模块、两块78L09模块、7905模块和78L115模块；其中两块DAC0823模块分别与89C51模块连接，MAX232模块与89C51模块相连，DB9端口模块输入与计算机输出端口相连，78L09模块输出端口与电光调制器(3)的输入端相连。

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