CN105157837A - 一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高光谱成像仪技术领域，具体涉及一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，是一种高光谱成像与全偏振成像相结合的成像装置，涉及对观测目标的空间、光谱和偏振信息同时探测获取的方法；该光谱偏振成像仪基于声光可调谐滤光器实现分光和DKDP纵向电光相位调制器实现偏振探测；包括：前置成像镜头，对被测目标辐射、反射、散射和透射光进行收集准直缩束，并一次成像于AOTF；DKDP纵向电光相位调制器，进行相位调谐，AOTF，进行滤光和检偏，遮光板，将通过AOTF的0级和+1级衍射光遮挡；二次成像传导镜头，将-1级衍射光二次成像于面阵列成像CCD上；和控制计算机；本发明主要应用在高光谱成像仪方面。

Description

一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪

技术领域

本发明涉及高光谱成像仪技术领域，具体涉及一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，是一种高光谱成像与全偏振成像相结合的成像装置，涉及对观测目标的空间、光谱和偏振信息同时探测获取的方法。

背景技术

光谱偏振成像技术是对光谱成像技术和偏振成像技术的综合。光谱偏振成像能够同时获取目标的空间、光谱和偏振信息，对目标的几何形影特征，辐射、反射、散射和透射电磁波的光谱特征，表面粗糙度、致密度、电导率、含水量等材料理化特征进行融合感知，进而深层次地对目标实现评估、分类和识别。光谱偏振成像技术在深空探测，地球资源勘查，环境监测，军事目标识别，生物医学成像和食品安全等领域已经取得了初步的应用，并且在这些方面的应用价值和前景受到国内外科研机构的重视。

目前，根据光谱偏振成像方式的不同，光谱偏振成像技术主要分为色散元件加偏振元件型、新型偏振干涉成像光谱型和滤光元件加偏振元件型三类。色散元件主要是棱镜和光栅，偏振元件主要是偏振片和相位调制器，滤光元件主要是滤光片和可调谐滤光器。（1）对于光谱成像技术来说，色散型成像光谱的光谱分辨率和空间分辨本领因受到狭缝宽度的制约，限制了进入系统的光通量，从而降低了光谱成像的信噪比；滤光片型需旋转滤光片，并且提供波段数有限，光谱分辨率低。（2）对于偏振成像来说，偏振片型需旋转偏振片，并且只能探测到线偏振光，即Stokes参量的前三个分量；新型偏振干涉成像光谱技术能够同时获得全偏振光谱，但需仪器与探测目标的相对运动，推扫完成目标干涉图的获取，目标图像复原相当复杂和困难，条带噪声严重，空间分辨率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决现阶段光谱偏振成像遇到的技术难题，提供一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪。该光谱偏振成像仪基于声光可调谐滤光器实现分光和DKDP纵向电光相位调制器实现偏振探测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，包括：

前置成像镜头，对被测目标辐射、反射、散射和透射光进行收集准直缩束，整形为近似平行光，并一次成像于AOTF；

DKDP纵向电光相位调制器，设置为两个，分别为第一DKDP纵向电光相位调制器和第二DKDP纵向电光相位调制器，依次设置于前置成像镜头和AOTF之间，进行相位调谐，所述DKDP纵向电光相位调制器通过直流高压驱动电路与控制计算机连接；

AOTF，进行滤光和检偏，所述AOTF通过射频驱动电路与控制计算机连接；

遮光板，将通过AOTF的0级和+1级衍射光遮挡；

二次成像传导镜头，将-1级衍射光二次成像于面阵列成像CCD上；

控制计算机，同时控制DKDP纵向电光相位调制器的直流高压驱动电路，AOTF的射频驱动电路和面阵列成像CCD，并且对DKDP纵向电光相位调制器施加每组相位延迟的同时触发面阵列成像CCD采集一次图像，控制计算机采集，处理并存储图像。

所述前置成像镜头包括成像物镜、视场光阑和准直镜。

所述DKDP纵向电光相位调制器选用电光系数大、半波电压低的z切割DKDP晶片制成纵向Pockels盒，沿光轴z通光，通光面镀置氧化铟锡透明电极，晶片切割为圆形晶片，保证给两通光面的透明电极施加电压时，在整个有效通光孔径内沿通光方向（光轴z方向）形成均匀的电场。

所述DKDP纵向电光相位调制器的驱动电路为直流高压驱动电路，输出电压幅值范围为0~15kv，并且驱动输出电压由控制计算机编程可调，通过调节驱动电压使DKDP纵向电光相位调制器对AOTF工作输出波长的光分别能够实现0，π/2和π的相位延迟。

所述AOTF的声光互作用晶体选用氧化碲晶体，x切铌酸锂晶片作为压电换能器，入射光沿氧化碲晶体[001]方向，超声波沿氧化碲晶体[110]方向传播，所述声光互作用晶体通光面切割时采用光楔设计，对-1级衍射光消除了色差，工作波长范围：0.4~2μm，压电换能器工作频率：60~130~220MHz，光谱分辨率10nm。

所述射频驱动电路工作频率：60~130~220MHz，驱动功率范围：0~2W，所述射频驱动电路的工作频率与AOTF的衍射光波长一一对应，所述射频驱动电路具有单频和扫频两种工作模式，且工作频率或扫频的频率间隔及时间间隔均可由控制计算机编程控制。

所述AOTF衍射的-1级光为偏振方向沿x轴的偏振光，所述DKDP纵向电光相位调制器的调制快轴方向相对于AOTF的-1级衍射光偏振方向分别取0°和45°。

所述AOTF施加某频率的驱动时，对应衍射波长给DKDP纵向电光相位调制器分别施加(0,0)，(0,π/2)，(0,π)和(π/2,π/2)四组相位延迟，并且对应每一波长的每一组相位延迟，面阵列成像CCD相应采集一幅图像，将四组相位延迟对应的图像进行数据处理便得到全部Stokes参量图，提取该波长Stokes参量图像的第一个参量图的DN值，便获取了目标的光谱信息。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1）该光谱偏振成像仪采用前置成像镜头一次成像到AOTF，衍射后经二次成像传导镜头成像到面阵列成像CCD的二次成像光学结构，入射光经前置成像镜头压缩整形接近于平行光，提高了AOTF的衍射效率和光谱分辨率，二次成像传导保证了成像质量；

2）电光相位调制器选用单轴晶体DKDP晶体，制成纵向调制Pockels盒，沿光轴方向加电场和通光。并且电光调制器置于前置成像镜头和AOTF之间，入射光被压缩整形接近于平行光，不施加调制电压时无相位延迟，施加调制电压后整个通光孔径上实现了均匀的相位调制，保证了偏振探测精度；

3）DKDP纵向电光相位调制器，相位延迟的调制电压仅由入射光的折射率和晶体的电光系数决定与通光厚度无关，晶片切割为圆形晶片，保证了较大通光孔径内相位调制的均匀性，厚度约5mm，保证了较大的通光量，节省了装置空间，装调合理简单；

4）AOTF滤光调谐速率快，固定频率或扫频两种工作模式灵活可选，光谱分辨率高，并且AOTF衍射光为偏振光，不仅起到了分光作用还起到了检偏作用，与DKDP纵向电光相位调谐测偏振能够很好地结合。

DKDP纵向电光相位调制，AOTF分光和CCD图像采集均由控制计算机控制，此外控制计算机还完成图像处理，存储和显示等工作，本光谱偏振成像装置，无运动部件，操作简单，稳定性好，便于工业自动化集成应用。

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为本发明的AOTF结构示意图；

图3为DKDP纵向电光相位调制器结构示意图。

图中：1为前置成像镜头、2为第一DKDP纵向电光相位调制器、21为z切DKDP圆形晶片、22为塑料支撑壳、3为第二DKDP纵向电光相位调制器、4为直流高压驱动电路、5为AOTF、51为压电换能器、52为超声行波、53为吸声介质、6为射频驱动电路、7为遮光板、8为二次成像传导镜头、9为面阵列成像CCD、10为控制计算机。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，该光谱偏振成像仪的结构主要包括：前置成像镜头1，DKDP纵向电光相位调制器，高压直流驱动电路4，声光可调谐滤光器(Acousto-opticTunableFilter,AOTF)5，射频驱动电路6，遮光板7，二次成像传导镜头8，面阵列成像CCD9和控制计算机10。该光谱偏振成像仪在传统光学成像的基础上，以DKDP纵向电光相位调制器进行相位调谐，以AOTF5进行滤光，将同时获取成像目标的空间、光谱和偏振的全方位信息。

将声光可调谐滤光器(Acousto-opticTunableFilter,AOTF)5用于光谱成像，AOTF5结构如图2所示，首先根据欲成像光波长，经射频驱动电路6将对应的高频驱动信号加载到压电换能器51上激发超声行波52，超声行波52通过声光互作用晶体并在另一端被吸声介质53吸收，超声行波52使声光互作用晶体形成运动的体光栅，入射光经过时发生衍射。显然，射频驱动信号频率和衍射波长是一一对应的，因此通过调节驱动信号的频率来选择相应波长的衍射光来实现滤光。其中我们选用的AOTF5，通光面引入了对-1级衍射光消色差设计，所以我们的系统将0级和+1级衍射光遮挡，对-1级衍射光成像。

将DKDP纵向电光相位调制器用于偏振成像，DKDP纵向电光相位调制器结构如图3所示，镀有透明电极的z切DKDP圆形晶片21固定于塑料支撑壳22中。根据光谱成像的光波长，通过直流高压驱动电路4施加电场而实现相应的相位延迟。

通常把探测目标反射、透射和辐射进入系统的光用Stokes参量表示为

(1)

其中，、、和为Stokes参量的4个分量，依据Stokes参量的定义，为成像目标的总光强图像，为偏振方向沿水平和竖直两个正交方向上的光强差值，为偏振方向沿45°和135°两个正交方向上的光强差值，为右旋和左旋圆偏振光的光强差值。本发明用穆勒矩阵来分析偏振成像过程，DKDP纵向电光相位调制器的调制快轴相对于-1级衍射光偏振方向分别取0°和45°，-1级衍射光偏振方向沿空间坐标x方向。设AOTF的-1级衍射光代表的偏振和DKDP纵向电光相位调制器的穆勒矩阵分别为，和，表述如下

(2)

(3)

(4)

其中和分别为DKDP纵向电光相位调制器对成像光波长的相位延迟。经过图1所示系统后，出射光的Stokes参量为

(5)

代入（1）、（2）、（3）和（4）式带入（5）式得

(6)

实际上，CCD能够直接探测到的是Stokes参量的第一个分量，所以对于系统中CCD成像的光强为

(7)

为了能够求解得到每一成像光谱的全部Stokes参量，对每一成像光谱通过DKDP纵向电光相位调制器分别施加(0,0)、(0,π/2)、(0,π)和(π/2,π/2)四组相位延迟，CCD对每一成像光谱共采集得到4幅图像，存入控制计算机10，例如记入表1。

表1不同相位延迟时CCD的成像

相位延迟	(0,0)	(0,π/2)	(0,π)	(π/2,π/2)
					CCD成像光强

将上表中的图像联立求解得到入射光的4个Stokes参量图像分别为

(8)

提取图像对应的DN值就获取了光谱信息，利用（8）式中的Stokes参量图还可以进一步得到成像目标的线偏振度图，偏振像角图和全偏振度图。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于，包括：

前置成像镜头（1），对被测目标辐射、反射、散射和透射光进行收集准直缩束，整形为近似平行光，并一次成像于AOTF（5）；

DKDP纵向电光相位调制器，设置为两个，分别为第一DKDP纵向电光相位调制器（2）和第二DKDP纵向电光相位调制器（3），依次设置于前置成像镜头（1）和AOTF（5）之间，进行相位调谐，所述DKDP纵向电光相位调制器通过直流高压驱动电路（4）与控制计算机（10）连接；

AOTF（5），进行滤光和检偏，所述AOTF（5）通过射频驱动电路（6）与控制计算机（10）连接；

遮光板（7），将通过AOTF（5）的0级和+1级衍射光遮挡；

二次成像传导镜头（8），将-1级衍射光二次成像于面阵列成像CCD（9）上；

控制计算机（10），同时控制DKDP纵向电光相位调制器的直流高压驱动电路（4），AOTF（5）的射频驱动电路（6）和面阵列成像CCD（9），并且对DKDP纵向电光相位调制器施加每组相位延迟的同时触发面阵列成像CCD（9）采集一次图像，控制计算机采集，处理并存储图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述前置成像镜头（1）包括成像物镜、视场光阑和准直镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述DKDP纵向电光相位调制器选用电光系数大、半波电压低的z切割DKDP晶片制成纵向Pockels盒，沿光轴z通光，通光面镀置氧化铟锡透明电极，晶片切割为圆形晶片，保证给两通光面的透明电极施加电压时，在整个有效通光孔径内沿通光方向（光轴z方向）形成均匀的电场。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述DKDP纵向电光相位调制器的驱动电路为直流高压驱动电路（4），输出电压幅值范围为0~15kv，并且驱动输出电压由控制计算机（10）编程可调，通过调节驱动电压使DKDP纵向电光相位调制器对AOTF（5）工作输出波长的光分别能够实现0，π/2和π的相位延迟。

5.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述AOTF（5）的声光互作用晶体选用氧化碲晶体，x切铌酸锂晶片作为压电换能器，入射光沿氧化碲晶体[001]方向，超声波沿氧化碲晶体[110]方向传播，所述声光互作用晶体通光面切割时采用光楔设计，对-1级衍射光消除了色差，工作波长范围：0.4~2μm，压电换能器工作频率：60~130~220MHz，光谱分辨率10nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述射频驱动电路（6）工作频率：60~130~220MHz，驱动功率范围：0~2W，所述射频驱动电路（6）的工作频率与AOTF（5）的衍射光波长一一对应，所述射频驱动电路（6）具有单频和扫频两种工作模式，且工作频率或扫频的频率间隔及时间间隔均可由控制计算机（12）编程控制。

7.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述AOTF（5）衍射的-1级光为偏振方向沿x轴的偏振光，所述DKDP纵向电光相位调制器的调制快轴方向相对于AOTF的-1级衍射光偏振方向分别取0°和45°。

8.根据权利要求1所述的一种基于声光滤光和电光相位调谐的高光谱全偏振成像仪，其特征在于：所述AOTF（5）施加某频率的驱动时，对应衍射波长给DKDP纵向电光相位调制器分别施加(0,0)，(0,π/2)，(0,π)和(π/2,π/2)四组相位延迟，并且对应每一波长的每一组相位延迟，面阵列成像CCD（9）相应采集一幅图像，将四组相位延迟对应的图像进行数据处理便得到全部Stokes参量图，提取该波长Stokes参量图像的第一个参量图的DN值，便获取了目标的光谱信息。