CN101871815A - 一种基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，主要解决时分偏振超光谱成像仪只适用于静态场景的技术难题，且具有小型紧凑、调谐方便等优点。由前置镜、视场光阑、前置准直镜、四孔径偏振片、子孔径成像镜、后置准直镜、AOTF、成像镜、探测器及光学陷阱等组成，以孔径分割方式同时获取目标场景的全部线偏振信息，以声光可调谐滤光器(AOTF)为检偏器和分光色散元件，最终在探测器上形成由四个偏振取向不同且拼接在一起线偏振窄带光谱图像，通过调谐AOTF的驱动频率即可得到整个谱段的全部线偏振光谱图像信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振超光谱成像仪，具体涉及一种能同时获取全部线偏振光谱图像信息的可编程偏振超光谱成像仪。
背景技术
利用光谱图像信息可以获得目标的物质组成、含量等化学特征及其空间分布信息，因而成像光谱技术在国民经济社会的各个领域具有广泛的应用前景。
首先，成像光谱仪可以作为空间飞行器的有效载荷，利用其获取的光谱信息可以应用于以下领域：土地资源调查(矿产勘探、城市规划、城郊土地分类利用、土地沙化治理和土壤侵蚀监测等)、林业(林业资源调查和伐林造林监测等)、生态(环境监测、陆地生态研究和区域生态环境评价等)、农业(大面积农业资源监测、农作物产量预测、农作物长势分析预测、病虫害监测等)、深空探测(月球、火星等星体的矿物勘探、太阳系行星大气探测等)等领域。
其次，光谱分析技术还广泛应用于食品饮料、石油化工、纺织、临床医学等各个行业。
偏振图像信息提供了关于目标的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒径等物理特征及其空间分布信息。
偏振遥感与传统遥感相比，有许多独特之处，它可以解决普通光度学无法解决的一些问题，如云和气溶胶的粒径分布等。
来自地物的散射光往往为线偏振光，如林冠覆盖、耕地、草场的散射光具有20％以上的偏振度，泥滩和水面的反射光具有50％以上的偏振度，不同地物具有不同的偏振特征，而人造目标往往具有比自然目标更强的偏振特征，利用这些偏振信息可以反演出地物目标的物理结构、水份含量、岩石中的金属含量等，监测海水污染状况，探测地面上空云分布、种类、高度及大气气溶胶粒子的尺寸分布等。
无疑，与成像光谱技术和成像偏振技术相比，偏振超光谱成像技术可以获取更详尽、更全面的目标信息。
目前，偏振光谱图像信息获取技术主要思路是将成像光谱技术和偏振技术结合起来。
成像光谱技术依分光原理可分为干涉型(空间调制型、时间调制型)、色散型(光栅型和棱镜型)和滤光型(旋转滤光片、液晶可调谐滤光器(LiquidCrystal Tunable Filter，LCTF)、声光可调谐滤光器(Acousto-Optic TunableFilter，AOTF)等)三种，每种均有其优缺点及其适用范围，其中基于声光可调谐滤光器(Acousto Optic Tunable Filter，AOTF)的成像光谱技术具有光谱通道和光谱透过率可快速电调谐所提供的灵活性(光谱通道顺序或随机调谐、多通道同时获取、智能自主光谱通道选择和获取、实现矩形光谱响应曲线等)、无运动部件带来的结构紧凑性(适应恶劣的力学环境)、无需复杂数据处理带来的易用性以及能同时获取偏振、光谱和图像等多维信息(提高目标探测和识别的能力)的集成性等诸多特色，而具有广泛的应用前景。
目前，利用AOTF实现偏振超光谱成像系统主要有两类技术方案，一种方案是利用AOTF同时获得光谱信息和正交偏振信息，由于自然光经AOTF衍射后产生偏振态正交的窄带O光和E光，同时采集窄带O光和E光图像即可构成最简单和紧凑的偏振超光谱成像系统(Li-Jen Cheng，Tien-Hsin Chao，MackDowdy，Clayton LaBaw，Cohn Mahoney，George Reyes，“Multispectral imagingsystems using acousto-optic tunable filter”，Proc.SPIE Vol.1874，pp.223-231，1993.)，但由于只有两幅正交偏振图像，因而只能获得斯托克斯分量中的S0和S1，而使其应用范围受到限制。另一种技术方案是在AOTF之前的光路中放置液晶可调谐相位延迟片(Liquid Crystal VariableRetarder，LCVR)，而AOTF即作为分光元件又作为线偏振元件，从而LCVR和AOTF构成典型的偏振探测系统(Gupta，N.，Dahmani R.，Choy S.，“Acousto-optic tunable filter based visible-to near-infraredspectropolarimetric imager”，Opt.Eng.，Vol.41，pp.1033-1038，2002.)。AOTF之前放置一个LCVR只能获得线偏振信息(斯托克斯分量中的S0、S1和S2)，要获得全部斯托克斯分量，必须级联两个LCVR(Gupta N.，Suhre D.R.，“AOTFimaging spectrometer with full Stokes polarimetric capability”，Appl.Opt.，Vol.46，No.4，pp.2632-2037，2007.)。这些技术方案本质上是时分偏振探测，只适用于静态场景。
为了能同时获得动态目标偏振光谱信息，主要有两种技术途径：分振幅方式和分孔径方式，分振幅方式需要多路AOTF成像系统，定标难度大，结构复杂，体积庞大，成本较高。而分孔径方式只需一路AOTF成像系统，结构紧凑，代价是系统的有效孔径减小。目前尚未见到采取上述两种方案实现的AOTF偏振超光谱成像系统的报道。考虑到体积、重量和功耗受限的应用场合(航天载荷、便携仪器等)，分孔径方案更具优势。
因此，本发明提出一种基于孔径分割+AOTF分光的偏振超光谱图像信息获取方法及装置。
发明内容
本发明提供一种基于孔径分割和AOTF的、小型紧凑、能同时获取目标场景全部线偏振光谱图像信息的光谱成像仪，以解决现有技术中时分AOTF偏振超光谱成像光谱仪只适用于静态场景的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，包括依据光路传输依次排列的前置镜1、后置准直镜6和AOTF7，所述AOTF7连接有AOTF驱动器14，所述AOTF驱动器14连接有控制采集处理计算机17，所述AOTF7还依次连接有成像镜11、探测器12和探测器控制处理系统13，其特征在于：所述前置镜1与后置准直镜6之间依光路传输设有视场光阑2、前置准直镜3、四孔径偏振片4、子孔径成像镜5；所述前置准直镜3、四孔径偏振片4、子孔径成像镜5和后置准直镜6组成孔径分割偏振成像系统。
上述四孔径偏振片4结构由四个不同偏振方向的子孔径线偏振片组成，各子孔径偏振片的偏振取向和位置根据需要设置。
上述光楔10设于AOTF7的出射端面或设于AOTF7和成像镜11之间的光路中；所述光楔10光学材料的色散与AOTF7声光材料的色散相匹配。
上述前置镜1、前置准直镜3、子孔径成像镜4、后置准直镜5和成像镜11采用复消色差设计，所述后置准直镜5的出瞳和成像镜11的入瞳设置在AOTF7的中心。
上述前置镜1是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜；所述前置镜1的焦面与前置准直镜3前焦面重合；所述视场光阑2是方形，其尺寸与视场和探测器12面积相匹配。
上述子孔径成像镜5包括一个后透镜27和设于大透镜27上的四个子透镜28、29、30、31，构成透镜阵列；所述任一子透镜对与其相对应的偏振孔径成像；所述大透镜27和校正镜32对四个孔径的像进行合成和校正，在二次像面16上形成拼接在一起的包含四个偏振孔径的图像。
上述AOTF7采用非共线设计，其声光材料是TeO2或TAS。
上述探测器12是紫外探测器紫外CCD、可见光探测器CCD、CMOS、EMCCD等或红外探测器。
上述AOTF7的出射端面后设有接受无用光的光学陷阱8、9。
本发明的优点在于：
一、分光元件
1)谱段电可调谐：以纯电子方式在调谐范围内随机选取所需的谱段(谱段随机选取)及其积分时间，对于感兴趣的谱段可以获得达到光子噪声限的信噪比，这种按需光谱获取能力对于数传瓶颈突出的深空探测任务尤其有吸引力，可以大大缓解数传和地面处理的压力，另外，这一优点结合图像处理识别技术可以构建自适应光谱成像系统，从而实现智能自主探测器；
2)谱段重复精度高：保证了多次观测结果的一致性；
3)集光能力强：角孔径可达10度，线孔径可达25x25mm2(主要受限于于可获得的声光晶体的尺寸)；
4)衍射效率高：大于90％，并可以电子方式通过改变AOTF驱动功率来控制，从而为控制曝光量提供了一种灵活的手段；
5)光谱分辨率高：目前，用于成像应用的AOTF光谱分辨率可达0.7-5nm(@400-1000nm)，非成像应用的AOTF光谱分辨率可达0.15-0.32nm(@400-650nm)，可以满足矿物组成及其丰度探测、大气成分探测等绝大多光谱探测需求；
6)光谱调谐速度快：可达10～25μs，大大快于LCTF的50ms，结合高灵敏探测技术(如MCP、EMCCD等)可以研究快变过程的光谱特征；
7)空间分辨率高：可达80-90lp/mm，能获得高质量的光谱图像。
二、成像方式
既能凝视成像也能推扫成像，因而既可进行原位探测，也可在卫星或飞机平台上进行推扫探测。
三、获取信息能力增强
能同时获得几何信息、光谱信息和偏振信息，利用成像光谱信息可以研究矿物组成及其空间分布、大气成分及其空间结构等，利用偏振信息可以研究物体表面物理特性(如大气气溶胶、土壤颗粒等颗粒的粒径及其分布等)和提高目标探测和识别概率。
四、结构
全固态，没有运动部件，仪器体积小，重量轻，结构紧凑，抗冲击振动能力强，具有较强的航天环境适应能力。
五、偏振信息获取方式
采取孔径分割方案，小型紧凑，适用于动态场景。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明四孔径偏振片-45°、0°、90°、45°配置示意图。
图3为本发明四孔径偏振片0°、60°、120°和不偏振配置示意图。
图4为本发明子孔径成像镜结构示意图。
图5为本发明子孔径成像镜中的透镜阵列的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图给出本发明的具体实施例，如图1、图2、图3、图4、图5所示：
本实施例所述偏振超光谱成像仪，由前置镜1、视场光阑2、前置准直镜3、四孔径偏振片4、子孔径成像镜5、后置准直镜6、AOTF7、光楔10、成像镜11、探测器12、探测器控制处理系统13、AOTF驱动器14、控制采集处理计算机17以及光学陷阱8、9等部分组成。前置准直镜3、四孔径偏振片4、子孔径成像镜5和后置准直镜6组成孔径分割成像系统。
其中四孔径偏振片4结构由四个不同偏振方向的线偏振片组成，各子孔径偏振片的偏振取向和位置可以根据需要灵活设置。偏振取向的典型配置主要有两种，一种是如图2所示的-45°偏振片19、0°偏振片20、45°偏振片21、90°偏振片22配置，一种是如图3所示的0°偏振片23、60°偏振片24、120°偏振片25和平板玻璃片26配置，也可以采用其它偏振取向的配置，只要保证至少有三个以上的不同取向即可。
子孔径成像镜5结构如附图4和附图5所示，四个小透镜28、29、30、31粘在一个大透镜27上构成透镜阵列，每一个子透镜分别对每个偏振孔径成像，大透镜27和校正镜32对四个孔径的像进行合成和校正，在二次像面16上形成拼接在一起的包含四个偏振孔径的图像。为了保证准确复原目标的偏振光谱信息，目标在每个子孔径的像应配准。
为了保证宽谱段成像质量和偏振光谱信噪比，前置镜1、前置准直镜3、子孔径成像镜4、后置准直镜5和成像镜11采用复消色差设计，保证在全谱段范围内，单色光弥散圆直径小于探测器12像元尺寸。为了充分利用AOTF7的有效孔径，后置准直镜5的出瞳和成像镜11的入瞳应设置在AOTF7的中心。
探测器12可以是紫外探测器紫外CCD、可见光探测器CCD、CMOS、EMCCD等或红外探测器；如果探测器12选用EMCCD并结合低噪声视频信号处理技术(如CDS、滤波)和制冷技术可以实现光子计数偏振超光谱成像探测。
为了消除AOTF7调谐时所引起的图像色漂移，在AOTF7出射端面设计光楔或在AOTF7和成像镜11之间的光路中插入光楔10，光楔10光学材料的色散应与AOTF7声光材料的色散相匹配，并且其设计参数应进行优化，以使声光调谐所引起的探测器像面上图像漂移小于十分之一像元。
AOTF7即作为可调谐滤光器，可以调谐AOTF7的驱动频率选择感兴趣的窄带偏振光谱；又作为检偏器，其偏振取向与四孔径偏振片4的每个子孔径偏振取向均不相同。AOTF7采用非共线设计，声光材料可以是TeO2、TAS等，其输出的两路偏振态正交的O光和E光均可以分别经成像镜11获得偏振光谱图像，本发明只需任意选取一路即可。
为了抑制AOTF出射光束中无用光(零级衍射光和另一路不需要的一级衍射光)对有用光(需要的一级衍射光)的影响，安排反射镜镜等偏折元件将无用光与有用光分开并在无用光的光路终端加光学陷阱8、9，以使其产生的杂散光影响尽可能小。
该偏振超光谱成像仪得工作过程如下：
来自目标场景的发射、反射或透射光经前置镜1收集后在其后焦面处获得一次像面15。位于前置镜1像面处的视场光阑2限制成像视场范围。目标的一次像面像15经前置准直镜3准直、四孔径偏振片4起偏后获得偏振取向不同的四个子孔径。
每个子孔径经子孔径成像镜5汇聚后形成在二次像面16上拼接在一起的偏振取向不同的四象限偏振图像。四象限偏振图像通过后置准直镜6、AOTF7、光楔10和成像镜11在探测器12的感光面上获得与AOTF7调谐波长相对应的窄带偏振图像。
探测器12及其随后的探测器控制处理系统13和控制采集处理计算机17完成偏振超光谱图像采集和处理。通过控制AOTF驱动器14输出驱动信号的频率可以选择感兴趣的窄带偏振光谱图像。通过控制AOTF驱动器14输出驱动信号的功率可以控制AOTF7的衍射效率。
控制采集处理计算机17采集和处理偏振超光谱图像、控制AOTF驱动器14驱动信号的频率和功率、设置探测器控制处理系统13的功能和参数。
Claims (9)
1.一种基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，包括依据光路传输依次排列的前置镜(1)、后置准直镜(6)和AOTF(7)，所述AOTF(7)连接有AOTF驱动器(14)，所述AOTF驱动器(14)连接有控制采集处理计算机(17)，所述AOTF(7)还依次连接有成像镜(11)、探测器(12)和探测器控制处理系统(13)，其特征在于：所述前置镜(1)与后置准直镜(6)之间依光路传输设有视场光阑(2)、前置准直镜(3)、四孔径偏振片(4)、子孔径成像镜(5)；所述前置准直镜(3)、四孔径偏振片(4)、子孔径成像镜(5)和后置准直镜(6)组成孔径分割偏振成像系统。
2.根据权利要求1所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述四孔径偏振片(4)结构由四个不同偏振方向的子孔径线偏振片组成，各子孔径偏振片的偏振取向和位置根据需要设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述光楔(10)设于AOTF(7)的出射端面或设于AOTF(7)和成像镜(11)之间的光路中；所述光楔(10)光学材料的色散与AOTF(7)声光材料的色散相匹配。
4.根据权利要求3所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述前置镜(1)、前置准直镜(3)、子孔径成像镜(4)、后置准直镜(5)和成像镜(11)采用复消色差设计，所述后置准直镜(5)的出瞳和成像镜(11)的入瞳设置在AOTF(7)的中心。
5.根据权利要求4所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述前置镜(1)是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜；所述前置镜(1)的焦面与前置准直镜(3)前焦面重合；所述视场光阑(2)是方形，其尺寸与视场和探测器(12)面积相匹配。
6.根据权利要求5所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述子孔径成像镜(5)包括一个后透镜(27)和设于大透镜(27)上的四个子透镜(28、29、30、31)，构成透镜阵列；所述任一子透镜对与其相对应的偏振孔径成像；所述大透镜(27)和校正镜(32)对四个孔径的像进行合成和校正，在二次像面(16)上形成拼接在一起的包含四个偏振孔径的图像。
7.根据权利要求6所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述AOTF(7)采用非共线设计，其声光材料是TeO2或TAS。
8.根据权利要求7所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述探测器(12)是紫外探测器(紫外CCD)、可见光探测器(CCD、CMOS、EMCCD)或红外探测器。
9.根据权利要求8所述的基于孔径分割和声光可调谐滤光器的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述AOTF(7)的出射端面后设有接受无用光的光学陷阱(8、9)。
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