CN105004423A - 基于三光弹调制器的偏振成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三光弹调制器的偏振成像仪，包括前置集光镜组、三PEM差频调制系统、成像镜组、CCD、锁相放大器和控制模块。来自目标的入射光线经集光镜组后，形成平行准直光束，由三PEM差频调制系统对其进行偏振调制，产生载有被测偏振信息的低频调制分量，再通过相应的锁相放大电路，最后通过成像镜组进行偏振成像。本发明公开的基于三光弹调制器的偏振成像仪结构及方法具有成像速度快、偏振测量精度高和光通量大等优点，可用于快速变化或移动目标偏振成像探测。

Description

基于三光弹调制器的偏振成像仪

技术领域

本发明涉及一种偏振成像仪，具体的说是一种利用无焦式集光系统结合三光弹调制器差频调制技术以及锁相放大器，实现画幅式拍照的基于三光弹调制器的偏振成像仪。

背景技术

偏振成像仪能够将目标空间信息和偏振信息融于一体，增加光学探测的信息量，提高对目标的探测和识别能力，因此，在工农业、环境资源、生物医学、大气、天文等领域具有重要的应用价值。对其而言，偏振测量的精度会对探测对比度、散射消除效果、目标特征信息提取等产生直接影响。以大气颗粒物测量为例，David J.Diner等人2010在APPLIED OPTICS上发表的文章First resultsfrom a dual photoelastic-modulator-based polarimetric camera，文章中指出：偏振测量精度每提高1％，将使得颗粒物折射率的反演精度提高0.02左右，从而可对大气颗粒物成分进行更为具体的分类。

现有偏振测量的方法是使待测光通过一系列随时间周期性调制(机械转动或相位延迟)的光学元件，由光电探测器测量待测光通过光学元件后透射光的光强，对光电探测器输出的电信号作傅里叶分析，得出相应偏振态的Stokes参量，其中，基于弹光调制器(Photo-elastic Modulator，PEM)的偏振测量方法具有测量精度高、光谱范围宽、入射孔径大、视场角宽、稳定性好等优点，在高精度偏振成像方面也具有较高的潜力。

但是，由于PEM的调制频率较高(数十～数百kHz)，使得采用CCD进行偏振信息获取存在一定的困难。此外，以PEM作为偏振调制元件的偏振成像系统，对入射光束特性也有一定的要求，需要进行联合设计。

发明内容

为了实现快速变化或移动目标偏振成像的高精度探测，本发明采用三个PEM结合前置无焦集光镜组、成像镜组、CCD、锁相放大器和控制模块组成偏振成像仪，由三PEM差频调制系统对其进行偏振调制，构成的偏振成像仪具有成像速度快、偏振测量精度高和光通量大等优点。

本发明的技术解决方案是：

基于三光弹调制器的偏振成像仪，其特征在于：包括前置集光镜组、三PEM差频调制系统、成像镜组、CCD、锁相放大器和控制模块，其中，前置集光镜组包括薄透镜、双胶合透镜、中继转像镜组、弯月透镜和双胶合镜，中继转像镜组又包括薄透镜、凹透镜、光阑和平凸镜，中继转像镜组放置在薄透镜和双胶合透镜构成的镜组的像面处，进行转像并对收集光束进行光束直径压缩；三弹光调制器差频调制系统，即三PEM差频调制系统，包括PEM1、PEM2和PEM3，分别由光弹调制器以及检偏器构成，PEM1、PEM2和PEM3的快轴取向分别与基准面成0°、45°、0°角，并分别工作在有微小差异的三个驱动频率上：ω1、ω2和ω3，以形成差频调制，光弹调制器包括弹光晶体、压电晶体以及其前后表面镀制的两个电极，其振动模态为一维纵向基频振动；成像镜组包括双胶合镜、凹透镜以及双胶合镜；来自目标的入射光线经集光镜组后，形成平行准直光束，由三PEM差频调制系统对平行准直光束进行偏振调制，产生载有被测偏振信息的低频调制分量，而后通过锁相放大器，最后通过成像镜组在CCD上实现偏振成像；控制模块由现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)处理器和三组A/D、D/A和LC谐振放大电路构成；

控制模块的控制流程为：

1)由FPGA处理器产生三组角频率为ω1，ω2和ω3的正弦信号，经由D/A转换为模拟驱动信号，再通过LC谐振放大电路放大，产生驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3；

2)驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3分别对PEM1、PEM2和PEM3进行驱动，并由三组A/D对反馈电流信号I_ω1,I_ω2,I_ω3进行转换，输入FPGA处理器，以便于对三组PEM的工作状态进行实施监测；同时，FPGA处理器给予锁相放大器三个参考信号ω1，ω2和ω3，并给予CCD一个同步触发信号，产生载有被测偏振信息的低频调制分量(0，ω1-ω2，2ω1-2ω3)；

3)锁相放大器对CCD中的三个低频调制分量0，ω1-ω2和2ω1-2ω3进行锁相输出，测量获得Stokes矢量中的S0、S1和S2，CCD的帧频速度由同步触发信号控制，使其帧频fps等于2ω1-2ω3，即CCD的积分周期与三PEM差频调制系统的偏振调制周期同步；

4)通过成像镜组在CCD上实现偏振成像。

本发明与现有技术相比较，其突出的实质性特点和显著效果是：

1)整个系统无需分光，避免了鬼像的产生，降低了图像融合难度。

2)系统没有机械伺服系统，结构简单，稳定性好，抗振动能力强。

3)将偏振调制精度高的光弹调制器与成像系统相结合，提高了偏振成像仪的偏振探测精度。

4)降低了对CCD探测器积分速度的要求，提高了探测灵敏度，降低了整机成本。

附图说明

图1是本发明基于三光弹调制器的偏振成像仪的组成；

图2是本发明前置集光镜组光学的结构；

图3是本发明光弹调制器的结构；

图4是本发明三PEM差频调制系统的结构；

图5是本发明中继转像光学系统的结构；

图6是本发明成像镜组的光学结构；

图7是本发明控制模块的结构；

图8是本发明单个CCD像元上的光电流强度信号I’；

图9是本发明实施例计算获得I’的频谱图。

图中，5-薄透镜、6-双胶合透镜、7-中继转像镜组、8-弯月透镜、9-双胶合镜、13-光弹调制器、14-光晶体、15-压电晶体、前表面镀制电极16(a)、后表面镀制电极16(b)、17-检偏器、18-A双胶合镜、19-凹透镜、20-B双胶合镜。

具体实施方式

以下结合附图介绍本发明详细技术方案，本实施例仅是一个例子，发明的技术不限于本实施例。

如图1-6所示，基于三光弹调制器的偏振成像仪包括前置集光镜组、三PEM差频调制系统、成像镜组、CCD、锁相放大器和控制模块，其中，前置集光镜组包括薄透镜5、双胶合透镜6、中继转像镜组7、弯月透镜8和双胶合镜9，中继转像镜组又包括薄透镜、凹透镜、光阑和平凸镜，中继转像镜组放置在薄透镜和双胶合透镜构成的镜组的像面处，进行转像并对收集光束进行光束直径压缩；三PEM差频调制系统包括PEM1、PEM2和PEM3，分别由光弹调制器以及检偏器构成，PEM1、PEM2和PEM3的快轴取向分别与基准面成0°、45°、0°角，并分别工作在有微小差异的三个驱动频率上：ω1、ω2和ω3，以形成差频调制，光弹调制器13包括弹光晶体14、压电晶体15以及其前后表面镀制的两个电极16-17，其振动模态为一维纵向基频振动；成像镜组包括A双胶合镜18、凹透镜19以及B双胶合镜20；来自目标的入射光线经集光镜组后，形成平行准直光束，由三PEM差频调制系统对平行准直光束进行偏振调制，产生载有被测偏振信息的低频调制分量，而后通过锁相放大器，最后通过成像镜组在CCD上实现偏振成像；控制模块由FPGA处理器和三组A/D、D/A和LC谐振放大电路构成。

所述的前置集光镜组为无焦光学系统，出射光束具有平行准直特征。

图2中，各透镜的参数如表1所示：

表1前置集光镜组结构参数(单位：in)

如图3所示：光弹调制器13，以熔融石英为弹光晶体，尺寸为56.4mm×19.1mm×6.4mm，以α-压电石英为压电晶体，尺寸为51mm×191.mm×6.4mm，切型为xyt-18.5°,α-压电石英前后面镀制金电极，电极厚度不小于3μm，在该条件下，光弹调制器13的基频振动频率f≈50KHz；

如图4所示：三PEM差频调制系统的安置方式为：以光学系统的弧矢面作为基准面，PEM1和PEM3的快轴与其夹角应为0°，PEM2以及检偏器17均以倾斜45°方式放置，通过控制模块，将PEM1、PEM2和PEM3的工作频率分别调节为f1＝50.040KHz、f2＝49.920KHz和f3＝50.000KHz，调节三组PEM的相位延迟幅值δ10＝δ20＝δ30＝π；

如图6所示：为成像镜组的一种可行方案，其各透镜的参数如表2所示：

表2前置集光镜组结构参数(单位：mm)

控制模块的控制流程为：

1)由FPGA处理器产生三组角频率为ω1，ω2和ω3的正弦信号，经由D/A转换为模拟驱动信号，再通过LC谐振放大电路放大，产生驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3；

2)驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3分别对PEM1、PEM2和PEM3进行驱动，并由三组A/D对反馈电流信号I_ω1,I_ω2,I_ω3进行转换，输入FPGA处理器，以便于对三组PEM的工作状态进行实施监测；同时，FPGA处理器给予锁相放大器三个参考信号ω1，ω2和ω3，并给予CCD一个同步触发信号，产生载有被测偏振信息的低频调制分量(0，ω1-ω2，2ω1-2ω3)；

3)锁相放大器对CCD中的三个低频调制分量0，ω1-ω2和2ω1-2ω3进行锁相输出，测量获得Stokes矢量中的S0、S1和S2，CCD的帧频速度由同步触发信号控制，使其帧频fps等于2ω1-2ω3，即CCD的积分周期与三PEM差频调制系统的偏振调制周期同步；

4)通过成像镜组在CCD上实现偏振成像。

偏振成像的计算步骤为：

首先，整个系统的系统函数用Muller矩阵表示为：S'＝M₀M₁M₂M₃S；其中S＝(S₀，S₁，S₂，S₃)^T和S’＝(S₀’，S₁’，S₂’，S₃’)^T分别为被测光的Stokes参量和经调制后光的Stokes参量，M₀、M₁、M₂和M₃分别表示检偏器、三组光弹调制器所对应的Muller矩阵；

其次，目标光束通过整个系统并在CCD上成像后，对于每个像元上的光强函数I’，其Stokes分量的变化可用Muller矩阵表述为 $I^{\′}\≈\frac{1}{2}{S}_0+S_1\underset{m}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_m\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_m\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)\cos \left[m({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t\right]+S_2\underset{n}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PJ}}_n\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_n\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\cos \left[n({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3)t\right].$ 以PEM的驱动信号为参考信号，通过锁相放大，在低频分量中解析直流分量、角频率为(ω₁-ω₂)和2(ω₁-ω₃)分量的光电流幅值，有：

${I^{\′}}_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{2}(S_0+J_0\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_0\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)S_2);{I^{\′}}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}=J_1\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_1\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)S_1;{I^{\′}}_{2({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3)}=J_2\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_2\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)S_2$

其中，I'_dc、和分别表示探测信号在直流分量、频率为(ω₁-ω₂)的分量和频率为2(ω₁-ω₃)的分量的幅值；

最后，目标偏振信息S₀、S₁和S₂为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_0=2[{I^{\′}}_{\mathrm{dc}}-\frac{J_0\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_0\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right){I^{\′}}_{2({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3)}}{J_2\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_2\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)}\\ S_1=\frac{{I^{\′}}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}}{J_1\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_1\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)}\\ S_2=\frac{{I^{\′}}_{2({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3)}}{J_2\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_2\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)}\end{array}\right.$

M₀、M₁、M₂和M₃为：

$\begin{array}{cc}{M}_0=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right),& M_1=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{M}_2=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\end{array}\right),& M_3=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_3\right)& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_3\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_3\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_3\right)\end{array}\right)\end{array}$

式中，δ_i＝δ_i0sin(ω_it)(i＝1、2、3)，是弹光调制相位延迟量，δ_i0是相位延迟幅值；

对S'＝M₀M₁M₂M₃S进行Bessel展开，得到：

$\begin{array}{c}{I}^{\′}=\frac{1}{2}{S}_0\stackrel{\‾}{+}{S}_1\underset{m_1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m_2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{m_1}\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_{m_2}\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)\cos \left[(m_1{\mathrm{\ω}}_1\±m_2{\mathrm{\ω}}_2)t\right]\\ +S_2\left\{\underset{n_1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PJ}}_{n_1}\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_{n_2}\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\cos \right[(n_1{\mathrm{\ω}}_1\±n_2{\mathrm{\ω}}_3)t]\\ -2\underset{m_1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{m_1}\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)\sin \left(m_1{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\underset{n}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)J_m\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\sin \left[({\mathrm{n\ω}}_2\±{\mathrm{m\ω}}_3)t\right]\}\\ +S_3\{\±\underset{n_1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m_2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{m_1}\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_{m_2}\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\sin [(n_1{\mathrm{\ω}}_1\±m_2{\mathrm{\ω}}_3)t]\\ +2\underset{m}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_m\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)\sin \left(m{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\underset{n_1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PJ}}_{n_1}\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)J_{n_2}\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\cos \left[(n_1{\mathrm{\ω}}_2\±n_2{\mathrm{\ω}}_3)t\right]\};\end{array}$

其中，m为奇数，n为偶数，Jx(y)是对应y下的第x级Bessel函数，当n₁＝n₂＝0时，P＝1/2，其他情况P＝1。

设定CCD积分时间，对CCD积分得到I’中的低频项：

$I^{\′}\≈\frac{1}{2}{S}_0+S_1\underset{m}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_m\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_m\left({\mathrm{\δ}}_{20}\right)\cos \left[m({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t\right]+S_2\underset{n}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PJ}}_n\left({\mathrm{\δ}}_{10}\right)J_n\left({\mathrm{\δ}}_{30}\right)\cos \left[n({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_3)t\right].$

通过以上步骤，将所设定参数代入，可实现对被测目标偏振图像信息的获取，同时，对于CCD上的单个像元而言，其对应的Stokes矢量中的S0、S1和S2分别处于直流分量、差频信号(ω1-ω2)和2(ω1-ω3)对应的80Hz和120Hz频率成分上，图7是单个CCD像元上的光电流强度信号I’，图8是其对应的频谱图，从图中可以看出，利用本发明方法可以很容易的提取出目标偏振信息。

Claims (1)

1.基于三光弹调制器的偏振成像仪，其特征在于：包括前置集光镜组、三弹光调制器差频调制系统、成像镜组、CCD、锁相放大器和控制模块，其中，前置集光镜组包括薄透镜、双胶合透镜、中继转像镜组、弯月透镜和双胶合镜，中继转像镜组又包括薄透镜、凹透镜、光阑和平凸镜，中继转像镜组放置在薄透镜和双胶合透镜构成的镜组的像面处，进行转像并对收集光束进行光束直径压缩；三弹光调制器差频调制系统，即三PEM差频调制系统，包括PEM1、PEM2和PEM3，分别由光弹调制器以及检偏器构成，PEM1、PEM2和PEM3的快轴取向分别与基准面成0°、45°、0°角，并分别工作在有微小差异的三个驱动频率上：ω1、ω2和ω3，以形成差频调制，光弹调制器包括弹光晶体、压电晶体以及其前后表面镀制的两个电极，其振动模态为一维纵向基频振动；成像镜组包括双胶合镜、凹透镜以及双胶合镜；来自目标的入射光线经集光镜组后，形成平行准直光束，由三PEM差频调制系统对平行准直光束进行偏振调制，产生载有被测偏振信息的低频调制分量，而后通过锁相放大器，最后通过成像镜组在CCD上实现偏振成像；控制模块由现场可编程门阵列处理器和三组A/D、D/A和LC谐振放大电路构成；

控制模块的控制流程为：

1)由现场可编程门阵列处理器产生三组角频率为ω1，ω2和ω3的正弦信号，经由D/A转换为模拟驱动信号，再通过LC谐振放大电路放大，产生驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3；

2)驱动信号V_ω1,V_ω2,V_ω3分别对PEM1、PEM2和PEM3进行驱动，并由三组A/D对反馈电流信号I_ω1,I_ω2,I_ω3进行转换，输入现场可编程门阵列处理器，以便于对三组PEM的工作状态进行实施监测；同时，现场可编程门阵列处理器给予锁相放大器三个参考信号ω1，ω2和ω3，并给予CCD一个同步触发信号，产生载有被测偏振信息的低频调制分量(0，ω1-ω2，2ω1-2ω3)；

3)锁相放大器对CCD中的三个低频调制分量0，ω1-ω2和2ω1-2ω3进行锁相输出，测量获得Stokes矢量中的S0、S1和S2，CCD的帧频速度由同步触发信号控制，使其帧频fps等于2ω1-2ω3，即CCD的积分周期与三PEM差频调制系统的偏振调制周期同步；

4)通过成像镜组在CCD上实现偏振成像。