CN103913230A - 一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置。装置由望远镜系统、偏振分束器、声光滤波系统、光学反馈系统、CCD成像系统以及计算机控制与分析系统组成，其中望远镜系统设置于装置的最前端，此后依次为偏振分束器、声光滤波系统和CCD成像系统。光学反馈系统分别与偏振分束器、声光滤波系统相连，计算机分析与控制系统分别与声光滤波系统、CCD成像系统相连。装置固定放置，成像过程控制以及图像的分析和处理由计算机控制与分析系统完成。利用本发明的装置实现的单滤波器进行二次滤波的方法，可进行窄带滤波，由于在声光晶体的设计中考虑了旋光性的影响，滤波器的性能更优越，成像系统的综合性能更好。

Description

一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置

技术领域

    本发明涉及一种光谱成像领域，具体说是一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置。

背景技术

利用光学滤波方法，可以获取来自目标物体的特定光谱以及图像信息，这被称为光谱成像技术。该技术在军事、农业、刑事侦查、生命科学以及地质勘探等领域中都有广泛的应用。利用带通滤波片可以实现固定带通的光学滤波，从而进行带通滤波光谱成像。但是带通滤波器的中心波长通常不能进行调节，要改变成像的波段必需更换滤波片。另外，由于其物理机制，光透过率低，对弱光信号成像不利。利用光栅或者棱镜进行滤波可以克服带通滤波片中心波长不可调的缺点，但是其体积庞大，在实际的工作中调节困难，稳定性差。为此，论文《一般相位匹配条件下声光可调谐滤波器系统的理论分析》和发明专利（声光可调滤波器）所提出的基于二氧化碲晶体的声光可调滤波器的光谱成像技术，一定程度上解决了上述光谱成像技术中存在的问题。然而，这些声光滤波器设计中滤波的带通较宽，无法满足窄带光谱成像的实际要求。

因此，设计出一种体积小，性能稳定，且具有高光谱分辨率的窄带声光滤波器是进行窄带超光谱成像技术的关键问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，在成像装置中利用单滤波器进行二次滤波的方法，可以实现窄带滤波。另外，由于在声光晶体的设计中考虑了旋光性的影响，滤波器的性能更优越，成像系统的综合性能更好。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：装置由望远镜系统、偏振分束器、声光滤波系统、光学反馈系统、CCD成像系统以及计算机控制与分析系统组成，其中望远镜系统设置于装置的最前端，此后依次为偏振分束器、声光滤波系统和CCD成像系统。光学反馈系统分别与偏振分束器、声光滤波系统相连，计算机分析与控制系统分别与声光滤波系统、CCD成像系统相连。装置固定放置，成像过程控制以及图像的分析和处理由计算机控制与分析系统完成。

装置外的目标物体反射的光束依次通过望远镜系统、偏振分束器、声光滤波系统、光学反馈系统、偏振分束器、声光滤波系统到达CCD成像系统，在计算机控制与分析系统的控制下进行成像，形成完整的光路连接。

所述的望远镜系统为可实现光束准直的望远镜系统，由凸透镜组和凹透镜组组成。来自目标物体反射的光束经望远镜系统汇聚并准直后形成平行光束，进入偏振分束器进行偏振分光。

所述的偏振分束器为由两个底面为直角三角形的三角棱柱胶合在一起的立方体棱镜，胶合面为直角三角形的斜边、三角棱柱的侧面，胶合面上镀有介质膜。偏振分束器接收来自望远镜系统汇聚并准直后形成平行光束，对其进行偏振分光，分成p偏振光束以及s偏振光束两束，s偏振光束偏折90度，p偏振光沿入射方向透射，进入声光滤波系统进行第一次滤波。

所述的声光滤波系统由声光滤波器、射频源以及挡光板组成，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板位于声光滤波器的后端，为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘，接收经滤波器输出的非滤波光束，防止其影响成像质量。改变射频源输出的射频信号频率可以调节声光滤波器输出的滤波光束的中心波长。

所述的光学反馈系统由宽带直角反射镜1、宽带直角反射镜2以及宽带直角反射镜3三个宽带直角反射镜组成，宽带直角反射镜1与宽带直角反射镜2，宽带直角反射镜2与宽带直角反射镜3之间互成90度排列。经滤波器输出的一次滤波光束（偏振态为s偏振）光路依次经过宽带直角反射镜1、宽带直角反射镜2以及宽带直角反射镜3反射至偏振分束器，经偏振分束器偏折90度，再次进入声光滤波器进行二次滤波。

所述的CCD成像系统由焦距可调的成像镜头以及ICCD组成。来自声光滤波系统的二次滤波光束经焦距可调的成像镜头汇聚并成像于ICCD的感光面上。

所述的计算机控制与分析系统由PC机构成，并通过USB连接线分别与射频源以及ICCD连接。PC机内置射频源控制用软件、ICCD控制用软件以及图像处理软件。计算机控制与分析系统利用射频源控制软件、ICCD控制软件分别对射频源和ICCD进行参数调整与控制； PC机接收来自ICCD的图像数据并通过图像处理软件完成图像的分析以及存储，完成成像过程。

具体的成像方法上，基于上述的硬件设备以及控制软件，通过以下方式实现：由望远镜系统收集来自目标物体反射的光束，并对其进行缩束和准直；偏振分束器对经望远镜系统汇聚并准直后的平行光束进行偏振分光，分成p偏振光束以及s偏振光束两束，s偏振光束偏折90度，p偏振光束沿入射方向进入声光滤波器进行一次滤波；声光滤波器对来自偏振分束器的p偏振光束进行一次滤波，p偏振光束经一次滤波后偏振态变为s偏振，调整射频源输出的射频信号频率可以调节一次滤波光束的中心波长，同时，经声光滤波器后的非滤波光束由挡光板收集，防止影响成像的质量；光学反馈系统将声光滤波器出射的一次滤波光束反馈回偏振分束器；偏振分束器将来自光学反馈系统的一次滤波光束（偏振态为s偏振）偏折90度再次进入声光滤波器进行二次声光滤波；一次滤波光束经二次滤波后偏振态由s偏振变为p偏振；CCD成像系统接收来自声光滤波器的二次滤波光束，聚焦并成像于ICCD的成像面上；计算机控制与分析系统接收来自ICCD的图像数据并进行图像质量的分析，相应调整ICCD增益系数以及射频源输出射频信号的频率，保证最佳的成像效果并对成像结果进行存储，完成成像过程。

本发明解决了传统光谱成像装置以及单次声光滤波成像装置存在的不足，利用单晶体实现了二次声光滤波，既可以满足窄带超光谱成像的要求，又保留了单次滤波系统体积小、稳定性好、控制方便等优点，可以实现滤波信号波长的连续调节或者随机选择。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明

附图1是单滤波器二次声光滤波高光谱分辨率成像装置框图。

附图2是单滤波器二次滤波原理示意图。

附图3是成像流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明

图1中，101是目标物体，102是望远镜系统，103是偏振分束器，104是声光滤波系统，105是光学反馈系统，106是CCD成像系统，107是计算机分析与控制系统。

图2中，201是声光滤波晶体，202是宽带直角反射镜1，203是偏振分束器，204是来自望远镜系统的信号光，205是宽带直角反射镜2，206压电换能器，207是一次滤波光束（偏振态为s偏振），208是宽带直角反射镜3，209是非滤波光束，210是挡光板，211是二次滤波光束（偏振态为p偏振），212是声吸收体。

为了更详细的描述本装置，结合图3对具体成像过程作如下说明：

步骤301：系统开，即整个系统的信息初始化，主要包括ICCD控制系统，射频源的默认参数设置以及计算机系统。

步骤302：用户根据成像目标物体情况对望远镜系统、声光滤波系统以及光学反馈系统进行参数调节和设置，保证两次滤波的实现。

步骤303：根据步骤2进行的设置，调节CCD成像系统参数确保将二次滤波的光束聚焦并成像于ICCD成像面的同时保证最佳的超光谱成像质量。

步骤304：利用计算机对成像结果进行分析处理，根据图像参数比如：成像位置、中心波长、带通以及成像清晰度等调整望远镜系统，光学反馈系统以及CCD成像系统等参数，重新进行成像。

步骤305：对获得的超光谱成像结果进行存储，成像结束。

Claims (7)

1.一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于装置由望远镜系统、偏振分束器、声光滤波系统、光学反馈系统、CCD成像系统以及计算机控制与分析系统组成，其中望远镜系统设置于装置的最前端，此后依次为偏振分束器、声光滤波系统和CCD成像系统，光学反馈系统分别与偏振分束器、声光滤波系统相连，计算机分析与控制系统分别与声光滤波系统、CCD成像系统相连；装置外的目标物体反射的光束依次通过望远镜系统、偏振分束器、声光滤波系统、光学反馈系统、偏振分束器、声光滤波系统到达CCD成像系统，在计算机控制与分析系统的控制下进行成像，形成完整的光路连接。

2.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的望远镜系统为可实现光束准直的望远镜系统，由凸透镜组和凹透镜组组成，来自目标物体反射的光束经望远镜系统汇聚并准直后形成平行光束，进入偏振分束器进行偏振分光。

3.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的偏振分束器为由两个底面为直角三角形的三角棱柱胶合在一起的立方体棱镜，胶合面为直角三角形的斜边、三角棱柱的侧面，胶合面上镀有介质膜。

4.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的声光滤波系统由声光滤波器、射频源以及挡光板组成，声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，挡光板位于声光滤波器的后端，为表面经黑色阳极氧化处理的铝合金圆盘。

5.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的光学反馈系统由宽带直角反射镜1、宽带直角反射镜2以及宽带直角反射镜3三个宽带直角反射镜组成，宽带直角反射镜1与宽带直角反射镜2，宽带直角反射镜2与宽带直角反射镜3之间互成90度排列。

6.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的CCD成像系统由焦距可调的成像镜头以及ICCD组成。

7.根据权利要求1所述的一种单滤波器实现二次声光滤波的高光谱分辨率成像装置，其特征在于所述的计算机控制与分析系统由PC机、USB连接线、射频源控制用软件、ICCD控制用软件以及图像处理软件组成；PC机通过USB连接线分别与射频源以及ICCD连接，同时 PC机通过USB连接线接收来自ICCD的图像数据并通过图像处理软件完成图像的分析以及存储，完成成像过程。