CN104535191A - 一种基于磁旋光和aotf的偏振光谱成像测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，属于偏振光谱成像测量结构技术领域；提供一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，该结构完全通过电脑控制磁旋光线圈电压和AOTF的驱动频率实现偏振光谱成像，无运动部件，且只需一个面阵列光电探测器；包括前置望远准直光学模块、磁制旋光调制器、AOTF、挡光板、成像光学模块、面阵列光电探测器和控制电脑，所述前置望远准直光学模块、磁制旋光调制器、AOTF、挡光板、成像光学模块和面阵列光电探测器依次放置，所述面阵列光电探测器与控制电脑连接；本发明主要应用在偏振光谱成像测量方面。

Description

一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构

技术领域

本发明一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，属于偏振光谱成像测量结构技术领域。

背景技术

偏振光谱成像测量技术是将偏振信息、光谱、空间信息同时获得的一种技术。其中偏振探测能提供强度探测无法提供的更多信息，偏振探测有提高目标对比度、降低散射、提供各种形状方向信息的特点，利用目标与背景的偏振信息的不同，可以在复杂背景下更好的探测目标，提高识别目标的准确度。因此偏振光谱成像测量技术在环境检测、生物医学、工农业和天文等领域有非常重要的应用前景。由于Stokes参量既可以表示全偏振光，也可表示部分偏振光和非偏振光，因此偏振特性主要用Stokes参量S＝(I，Q，U，V)^T表示，其中，I表示光的总强度，Q表示光的0°和90°方向线偏振分量的强度差，U表示光在45°和135°方向线偏振分量的强度差，V表示光的右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的强度差。自然界中主要是部分偏振光和非偏振光，且含圆偏振信息(V)很少，因此偏振测量主要是对Stokes参量中的I、Q和U的测量。

现有的偏振光谱测量主要以下两种：一、通过旋转滤光片和偏振片来测得不同波长下的I、Q和U，再有阵列探测器及数据处理最终实现偏振光谱成像，该方法虽然结构简单，但需要转动部件，并且光谱分辨率较低；二、通过声光可调谐滤光片(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)和液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)代替传统的滤光片，光谱分辨率较滤光片有所提高，通过转动或加其他部件(如液晶调制器)实现偏振光谱成像，但该方法也需要旋转部件或采用多个阵列光电探测器来实现，结构复杂。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，该结构完全通过电脑控制磁旋光线圈电压和AOTF的驱动频率实现偏振光谱成像，无运动部件，且只需一个面阵列光电探测器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，包括前置望远准直光学模块、磁制旋光调制器、AOTF、挡光板、成像光学模块、面阵列光电探测器和控制电脑，所述前置望远准直光学模块、磁制旋光调制器、AOTF、挡光板、成像光学模块和面阵列光电探测器依次放置，所述面阵列光电探测器与控制电脑连接。

所述磁制旋光调制器包括磁旋光晶体、线圈、绝缘线圈壳和电源，所述绝缘线圈壳包覆于磁旋光晶体上，所述线圈缠绕在绝缘线圈壳上，且两端与电源连接，所述电源与控制电脑连接。

所述AOTF包括声光晶体和压电换能器，所述声光晶体内设置有压电换能器，所述压电换能器与控制电脑连接。

所述磁制旋光调制器的旋光角为60°、0°或-60°。

所述电源采用稳定性好、电压幅值可调、电压正负可调、可通过电脑控制的直流电源。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：

1、首次将磁制旋光调制器和AOTF组成的偏振光谱测量结构，无需转动任何部件。

2、磁制旋光调制器对被测光根据旋光角的要求旋转+60°、0°和-60°三个角度，就可实现偏振信息Stokes参量中I、Q、U的探测。

3、对于特定波长偏振探测，只需通过控制电脑控制电源对应电压和压电换能器对应频率就可测得该波长的偏振信息。

4、通过控制电脑控制压电换能器扫频就可实现不同波长光的偏振探测，即实现偏振光谱测量，AOTF的光谱分辨率高于传统的滤光片。

5、压电换能器可以通过被测光的强弱改变功率，进而改变AOTF的衍射效率，起到光阑的作用，使得面阵列光电探测器很好的探测。

6、通过成像光学模块将被测目标调制后的光成像在面阵列光电探测器上，再由控制电脑进行数据处理，最终实现偏振光谱成像探测，整个测量过程只需电脑控制电学量，无运动部件，操作简单，稳定性好。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为磁旋光和AOTF的偏振态原理图。

图中1为前置望远准直光学模块、2为磁制旋光调制器、3为磁旋光晶体、4为线圈、5为绝缘线圈壳、6为电源、7为AOTF、8为声光晶体、9为压电换能器、10为挡光板、11为成像光学模块、12为面阵列光电探测器、13为控制电脑。

具体实施方式

下面实施例结合附图本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，包括前置望远准直光学模块1、磁制旋光调制器2、AOTF7、挡光板10、成像光学模块11、面阵列光电探测器12和控制电脑13，所述前置望远准直光学模块1、磁制旋光调制器2、AOTF7、挡光板10、成像光学模块11和面阵列光电探测器12依次放置，所述面阵列光电探测器12与控制电脑13连接，控制电脑13对面阵列光电探测器12的信号进行处理，最终实现偏振光谱成像测量。

上述前置望远准直光学模块1对被测目标进行定位瞄准，对被测光收集准直缩束，使进入后面后续调节系统前光束直径尽量小、光束发散角尽量小，提高后续测量的精度；上述磁制旋光调制器2对被测光根据旋光角的要求旋转，旋光角分别选择+60°、0°和-60°；上述挡光板10挡掉AOTF7 0级和+1级衍射光，消除无用的光对后续成像的影响；上述成像光学模块11使得被测光经调制后成像在面阵列光电探测器12上；上述面阵列光电探测器12将成像的光信号转变为便于数据采集和处理电信号。

所述磁制旋光调制器2包括磁旋光晶体3、线圈4、绝缘线圈壳5和电源6，所述绝缘线圈壳5包覆于磁旋光晶体3上，所述线圈4缠绕在绝缘线圈壳5上，且两端与电源6连接，所述电源6与控制电脑13连接，控制电脑13根据特定波长和旋光角的要求，控制磁旋光电源6的电压正负和电压幅值大小；所述电源6采用稳定性好、电压幅值可调、电压正负可调、可通过电脑控制的直流电源；所述磁旋光晶体3受到加电后的线圈4产生的磁场作用后，根据旋光角要求对被测光旋光；所述线圈4、绝缘线圈壳5和电源6为磁旋光晶体产生所需的磁场。

所述AOTF7包括声光晶体8和压电换能器9，所述声光晶体8内设置有压电换能器9，所述压电换能器9与控制电脑13连接，控制电脑13根据被测光的强弱、探测波长的要求，对压电换能器9驱动功率和驱动频率进行调节；所述AOTF7是声光可调滤光片，对经过磁制旋光调制器2调制后的光进行滤光，由于压电换能器9在特定的驱动频率下，对应AOTF7对特定波长的滤光，因此通过对压电换能器9驱动扫频就可实现不同波长光的滤光，实现光谱探测；所述AOTF7的-1级衍射光为振动方向为z方向的线偏振光，这样AOTF7可以起到偏振片的作用，所述与AOTF7的-1级衍射光为振动方向z方向垂直的方向y方向为Stokes参量中0°的参考方向；所述压电换能器9可以根据波长的要求改变驱动频率，并且可以通过被测光的强弱改变功率，进而改变AOTF7的衍射效率，起到光阑的作用，使得面阵列光电探测器12很好的探测。

以下分析均以y轴方向为Stokes参量中0°的参考方向。

经前置望远准直光学模块1后将被测目标光缩束准直进入磁制旋光调制器2，如图2所示，波长为λ的光经磁制旋光调制器2的旋光角为：

其中，K(λ)是波长为λ下磁旋光晶体3的费德尔常数，该常数与波长和磁旋光晶体3材料有关；B是作用在磁旋光晶体3上的磁场强度，B的符号由电源6V的正负控制，B的强弱由电源6V的幅值控制；D为磁场在磁旋光晶体3中的作用长度。

光进入AOTF7后，-1级的衍射光为偏振为z方向的线偏振光，并且是由原来的o光变为e光，也就是在进入AOTF7前，光在y方向偏振分量的光经过AOTF7后变为偏振为z方向的线偏振光，因此就改变光偏振态来讲，AOTF7可以看成是偏振方向为y方向的偏振片，并且波长为λ时，-1级的衍射光的强度I^-(λ)为：

I^-(λ)＝I₀(λ)η(λ)    (2)

其中，I₀(λ)是波长为λ的光进入AOTF7前且偏振在y方向的光强，η(λ)为AOTF7在波长为λ的时-1级的衍射效率。

根据(1)式，通过控制电脑13控制电源6电压的正负和幅值，使得磁制旋光调制器2对波长为λ光的旋光角分别为+60°、0°和-60°，再由(2)式可得旋转三个角后经AOTF7的-1级的衍射光强度I^-(+60°，λ)、I^-(0°，λ)、I^-(-60°，λ)分别为：

I^-(+60°，λ)＝I₀(+60°，λ)η(λ)    (3)

I^-(0°，λ)＝I₀(0°，λ)η(λ)    (4)

I^-(-60°，λ)＝I₀(-60°，λ)η(λ)    (5)

其中，I₀(+60°，λ)、I₀(0°，λ)、I₀(-60°，λ)分别为被测目标波长为λ光在+60°、0°、-60°方向的光强。因此由(3)、(4)、(5)可推出：

结合文献[一种光谱偏振成像系统设计及应用J，应用光学，2014，35(2)：210-214]，最终可得被测目标波长为λ光的Stokes参量中I(λ)、Q(λ)、U(λ)分别为：

再由成像光学模块11和面阵列光电探测器12实现成像，为了消除AOTF7的0级和+1级衍射光对成像影响，采用挡光板10将0级和+1级衍射光挡掉。

其中，偏振成像主要对被测目标的线偏振度(Degree of Linear Polarization，DoLP)和线偏振角(Angle of Linear Polarization，AoLP)成像，其中被测目标波长为λ光的DoLP(λ)和AoLP(λ)分别为：

$\mathrm{DoLP}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\sqrt{Q^2\left(\mathrm{\λ}\right)+U^2\left(\mathrm{\λ}\right)}}{I\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(12\right)$

$\mathrm{AoLP}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}\mathrm{ac}\tan \frac{U\left(\mathrm{\λ}\right)}{Q\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(12\right)$

这就实现了对被测目标波长为λ光的偏振成像。

通过控制电脑13对压电换能器9的改变驱动频率，进而改变AOTF7的滤光器的+1级衍射光的波长，同时改变磁制旋光调制器2在该波长下的旋光角分别为+60°、0°和-60°，重复上述过程实现对被测目标不同波长的偏振成像探测，因此通过压电换能器9的驱动扫频，再由控制电脑13数据处理后最终实现被测目标的偏振光谱成像测量。整个过程由控制电脑13控制，没有运动部件。

Claims (5)

1.一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，其特征在于：包括前置望远准直光学模块(1)、磁制旋光调制器(2)、AOTF(7)、挡光板(10)、成像光学模块(11)、面阵列光电探测器(12)和控制电脑(13)，所述前置望远准直光学模块(1)、磁制旋光调制器(2)、AOTF(7)、挡光板(10)、成像光学模块(11)和面阵列光电探测器(12)依次放置，所述面阵列光电探测器(12)与控制电脑(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，其特征在于：所述磁制旋光调制器(2)包括磁旋光晶体(3)、线圈(4)、绝缘线圈壳(5)和电源(6)，所述绝缘线圈壳(5)包覆于磁旋光晶体(3)上，所述线圈(4)缠绕在绝缘线圈壳(5)上，且两端与电源(6)连接，所述电源(6)与控制电脑(13)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，其特征在于：所述AOTF(7)包括声光晶体(8)和压电换能器(9)，所述声光晶体(8)内设置有压电换能器(9)，所述压电换能器(9)与控制电脑(13)连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，其特征在于：所述磁制旋光调制器(2)的旋光角为60°、0°或-60°。

5.根据权利要求2所述的一种基于磁旋光和AOTF的偏振光谱成像测量结构，其特征在于：所述电源(6)采用稳定性好、电压幅值可调、电压正负可调、可通过电脑控制的直流电源。