CN102226718A

CN102226718A - 声光偏振光谱相机

Info

Publication number: CN102226718A
Application number: CN2011100795096A
Authority: CN
Inventors: 蔡红星; 任玉; 徐立君; 石晓光; 张喜和; 郭沫然; 魏艳玲; 张宇
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-10-26

Abstract

本发明涉及一种声光偏振光谱相机，是结合成像、光谱、偏振三种光学探测技术于一体的系统，可同时实现在可见光以及近红外波段获取待测目标的表面形貌信息及其反射光的偏振信息和光谱信息。本发明其特征在于，将偏振成像技术与光谱成像技术有机结合起来，在该技术提供的光谱偏振图像中，可获取有关目标反射或散射光的偏振、光谱及图像信息，不但具有很高的空间分辨率和光谱分辨率，而且提高了图像的清晰度、对比度和探测距离。其中分光部分采用声光调制分光技术，声光可调滤波器具有体积小、重量轻、全固态、无移动部件、抗震性能好、环境适应能力强等特点。本发明可应用领域包括大气探测、海洋考察、地球资源调查、灾害的预测、医学诊断，军事目标探测与识别、图像理解等。

Description

声光偏振光谱相机

技术领域

本发明涉及一种声光偏振光谱相机，可以在可见或近红外波段，采集待测目标的偏振、光谱、图像数据，推演待测目标的表面粗糙度、纹理走向、表面取向、表面电导率、材料的含水量、理化特性等信息。可应用领域包括大气探测、海洋考察、地球资源调查、灾害的预测、医学诊断，军事目标探测与识别、图像理解等。

背景技术

传统的成像技术仅提供目标的颜色、强度和空间相对位置信息等物理量，无法获取到待测目标的物化特性、表面形貌、光谱特性等信息。本专利涉及一种声光偏振光谱相机，结合了遥感影像技术、偏振测量技术、声光光谱探测技术，可同时获取成像、光谱、偏振三种物体光学特性，为识别具有复杂背景的探测目标提供了一种新的手段。

本发明之声光偏振光谱相机主要由光学成像部分、检偏部分、分光部分、成像部分和计算机控制与数据处理部分组成。利用尼科耳棱镜作为检偏器，在获得待测目标偏振信息的同时，减小杂乱背景的影响，提高目标和背景的偏振对比度。当太阳光照射待测目标时，散射光偏振状态发生改变，该偏振态携带了待测目标的物化特性和表面形貌信息，进而可以从它的偏振图像中解析目标的表面粗糙度、纹理走向、表面取向等信息。利用声光可调滤波器作为分光器件，根据声光相互作用原理，依靠超声波频率的变化对透射光波长进行选择，对不同波长下的偏振图像进行扫描，可获取待测目标的光谱信息。即在波长一定的情况下，横向获取不同偏振角度的偏振图像；在偏振角度一定时，纵向获取各个波段下的光谱图像，从而得到一个全面反映待测目标光学特性的图库。其中检偏技术与声光可调滤波技术等单项均已成熟。

本发明中以太阳光作为光源，照射在待测目标的反射或散射光由成像系统整合，入射到检偏器中，由计算机控制偏振器的偏振方向，形成的偏振光入射到声光可调滤波器中，声光可调滤波器受计算机输出的超声波控制，对入射光进行衍射，将偏振光衍射成带有光谱信息的出射光，该出射光携带待测目标反射光的偏振特性以及光谱特性，经CCD面阵探测器采集获得其偏振光谱图像。CCD将采集到的单色偏振光谱信号转化为电信号，输入到计算机中，完成成像条件的控制、数据采集、数据计算以及数据归档。

综上所述可以看出，本发明所涉及的技术基础已经成熟，该发明专利是可实现的。

发明内容

本发明之声光偏振光谱相机是由光学成像部分、检偏部分、分光部分、成像部分和计算机控制与数据处理部分组成。本发明采用的偏振部件是尼科耳棱镜。一般日光和普通照明光源均是自然光，没有偏振特性，也就是各个方向偏振的光强分布相等。当日光或者其他普通照明光源辐照到目标上后，根据菲聂尔反射定律，反射光的偏振态会受到反射体表面性质的调制。该反射光经尼科耳棱镜形成表征反射体的性质的线偏振光，可获得反映反射体表面性质的偏振光图形分布。

本发明采用声光可调滤波器作为分光部件，它利用了声波在介质中传播时对入射光的布拉格衍射作用，当换能器输入的超声波入射角和频率一定时，有唯一的入射光被衍射，而挡掉其他部分的光，达到了分光作用。当改变超声波频率时，被AOTF衍射的光波长也相应改变，这样就起到了光谱扫描的作用。本发明中经尼科耳棱镜检偏的复色线偏振光通过声光可调滤波器后，分成单色波长的衍射光，入射到CCD的焦平面上，从而获得待测目标的偏振光谱图像。

结合光谱成像技术和偏振测量技术，声光偏振光谱相机具有全固态、无移动部件、抗震性能好、环境适应能力、准确度高、信息量丰富等优点。

附图说明

附图1是声光偏振光谱相机结构示意图；

附图2是声光偏振光谱相机结构框图；

附图3是声光可调滤波器；

附图4是尼科耳棱镜；

附图5声光偏振光谱相机流程图；

附图6水下图像的强度彩色图(a)、某偏振角度彩色图(b)和某波长下偏振光谱图(c)对比。

具体实施方式

以测量植物的偏振光谱图像为例，给出具体实施方式：

第一步：启动自动控制程序，同时启动检偏器、声光可调滤波器和CCD面阵探测器；

第二步：将成像光学系统对准待测目标，调整好图像尺寸和位置，同时调整焦距，使得系统清晰成像；

第三步：计算机根据需求设定某个超声波频率，改变偏振角度，采集每一角度的偏振图像；

第四步：计算机设定某个偏振角度，改变超声波频率，采集每一波长下的光谱图像；

第五步：将测量结果存入数据库中；

第六步：对测量结果进行数据处理、分析。

Claims

1.一种声光偏振光谱相机，其特征在于：主要由光学成像部分(2)、检偏部分(3)、分光部分(4)、成像部分(5)和计算机控制与数据处理部分组成。该声光偏振光谱相机以光学成像系统为基础，加入尼科尔棱镜作为检偏环节，并加入AOTF作为分光环节，将同时获得待测目标的光谱偏振特性。

2.根据权利要求1所述的光学成像部分，其特征在于：用于汇集待测目标的反射或散射光，将其整形为近平行光，入射到检偏器中。要求焦距：AF/MF 80-200mm，光圈：2.8，消色差：ED(低色散镜片)。

3.根据权利要求1所述的检偏部分，其特征在于：利用尼科尔棱镜作为系统的检偏器，偏转角度与转速受计算机控制，可通过改变偏转的角度滤除其他偏振态的入射光信息，获得待测目标的偏振图像。要求口径：5cm，椭偏度：1/200，厚度：1mm，转速：5c/m，定位精度：0.02°。

4.根据权利要求3所述的尼科尔棱镜，其特征在于：平行于棱边的入射光进入晶体后，对应垂直偏振态的o光将以大于临界角的入射角投在剖面上，它将因全反射而偏折到棱镜的侧面，由黑色涂料将它吸收；对应平行偏振态的e光，由于与光轴的夹角足够大，在晶体内的折射率小于加拿大胶内的折射率，从而不发生全反射，于是从尼科耳棱镜另一端射出的是单一的线偏振光，并将其入射到声光可调滤波器中。

5.根据权利要求1所述的分光部分，其特征在于：采用声光可调滤波器作为分光仪，利用超声波在声光晶体中传播时形成体光栅结构，对入射光进行布拉格衍射，从而达到分光效果，并且其超声波频率与衍射光波长一一对应，改变超声波频率即可连续扫描光谱。

6.根据权利要求5所述的声光可调滤波器，其特征在于：采用TeO₂作为分光晶体，透射光谱范围为0.35μm～5μm。压电换能器在TeO₂晶体的一端提供超声波，TeO₂晶体的另一端添加泡沫状的吸声体，使超声波在晶体中以行波的形式传播。

7.根据权利要求6所述的TeO₂分光晶体，其特征在于：调节加在晶体上的超声波频率，相应的入射光波长被衍射成±1级衍射光，透射的零级光和+1级衍射光的总能量用挡光板吸收，减小对-1级衍射光的干扰，-1级光入射到CCD探测器上，进行偏振光谱图像采集。

8.根据权利要求1所述的成像部分，其特征在于：利用CCD面阵探测器作为成像器件，为解决CCD器件自身强烈的偏振敏感性，通过镀上一层低折射率膜层的方法对CCD器件做表面改性，减小其偏振特性，同时匹配光学成像系统的参数，使得其像场光线小角度入射到CCD表面，两种措施综合应用解决CCD探测器的偏振特性。

9.根据权利要求1所述的计算机控制与数据处理部分，其特征在于：根据设定参数，控制检偏器的偏振方向，并输出与所需波长对应的超声波频率，作用于声光可调滤波器，输出单色偏振光谱图像，控制CCD探测器采集图像，并对所采集的图像进行数据提取、处理。