CN110763338B - 基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，目的在于解决现有高光谱成像装置成像质量或衍射光谱强度弱的问题。本发明的技术方案是：被测目标的反射、透射或者辐射光被第一光束准直系统准直，准直光束经过偏振棱镜后被第一光纤耦合头耦合进2×1光纤耦合器中，从2×1光纤耦合器出来的入射光被第二光束准直系统准直后进入声光可调谐滤波器中与来自射频驱动器的高频超声波发生声光互作用，声光互作用以后的衍射光被探测器接收，0级透射光被聚焦透镜聚焦到第二光纤耦合头中进入2×1光纤耦合器中继续参与声光可调谐滤波器的声光互作用，使能量损耗减小，衍射光的强度增加，系统的衍射效率大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于高光谱成像技术领域，涉及基于声光可调谐滤波器的单晶滤波高光谱成像系统，具体涉及一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置。
背景技术
高光谱成像探测技术的萌芽与兴起，使人类对深入研究感兴趣事物的能力得到了一次质的飞跃。高光谱成像探测技术是二十世纪八十年代发展起来的新一代光学探测技术，以物体的光谱分析理论为核心，融合了光学系统设计、物体成像技术、光电探测器、信号处理与信息挖掘及光谱信息传输理论等技术。经过了近三十年的高速发展，高光谱成像技术已经成为一门颇具特色的现代化学科。随着人们对大自然中事物认识能力的不断提升，对遥感探测技术空间分辨率和光谱分辨率的探测精度也提出了越来越高的要求，进而导致探测器的各种分辨能力也逐渐提高。空间分辨率的大幅提高使探测到的图像在视觉效果上更加清晰，可以帮助人们对遥感数据在显示器上进行直观可视分析。由于成像光谱技术融合了光谱技术和成像技术的优点，可以分析目标物体的图像和光谱信息，这些图像信息和光谱信息组成了目标物体的三维数据立方体，在三维数据立方体中，可以通过成像光谱技术提取目标物体的图像轮廓信息，也可以对目标物体进行精细的光谱分析，进而将被测目标所包含的结构和化学层次意义更精确地传递给人类，特别是对于类似航空航天遥感、大自然植被精细组成监察、矿产资源探测、海洋遥感、地质勘测、农作物长势估产、减灾预报、生物医学诊断等应用领域具有重要的实用意义。
高光谱成像仪的核心元件是其内部的分光单元，目前，光谱成像仪所采用分光方式主要有色散分光型、干涉滤光型和新型分光技术型。声光可调谐滤波器(Acousto-optictunable filter,声光可调谐滤波器)是近年来发展起来的一种新型分光器件，主要由声光介质、压电换能器、吸收体以及超声波频率驱动器组成。作为一种新型的分光元件，声光可调谐滤波器与传统分光器件相比具有诸多优点：波长调谐范围宽，可以从紫外一直到远红外区域；拥有液晶可调谐滤光片、衍射光栅、可移动的干涉滤波片等分光元件无可比拟的输出光谱切换速度，切换时间通常只有几个微秒；可工作于单点、多点、连续扫描和随机扫描等多种方式，适合于高光谱成像；通过电信号进行调谐，方便计算机控制，易于控制和系统集成；通光孔径和入射角孔径大，在成像、非成像光谱仪应用中极为重要；体积小，全固体结构，无移动部件，对振动不敏感，波长重现性优秀，环境适应性强，适用于机载、星载系统；光谱分辨率及衍射效率高。声光可调谐滤波器拥有与其它传统分光元件无可比拟的强大优势，因而在诸多的光学研究中具有非常大的应用潜力，特别是在生命科学和航空航天领域。
衍射效率是声光可调谐滤波器的一个非常重要的性能指标，由于声光可调谐滤波器的调谐范围很宽，并不是在所有的波长下都拥有非常高的衍射效率，特别是在弱光环境下，探测器上的成像质量或者衍射光谱强度都很弱，这在实际应用中就受到了限制。
发明内容
本发明目的在于解决现有高光谱成像装置因其声光可调谐滤波器在弱光环境下衍射效率低而导致探测器上成像质量或衍射光谱强度弱的问题，提出一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，通过对入射光进行能量补偿以提高系统的衍射效率。
为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特殊之处在于：包括设在入射光路上的第一光束准直系统，入射光束经第一光束准直系统准直后进入设在准直光路上的偏振棱镜，经过偏振棱镜后被准直光路前方的第一光纤耦合头耦合进2×1光纤耦合器中，从2×1光纤耦合器出来的入射光被第二光束准直系统准直后进入声光可调谐滤波器中，所述声光可调谐滤波器上连接有射频驱动器，射频驱动器与计算机相连，由计算机控制射频驱动器产生高频超声波，所述高频超声波与经过第二光束准直系统准直后的光束在声光可调谐滤波器中发生声光互作用，声光互作用产生的衍射光被与声光可调谐滤波器相连的探测器接收，探测器将获得的光谱成像图像或者衍射光强度传输至与探测器相连的计算机，0级透射光被聚焦透镜聚焦到第二光纤耦合头中，通过光纤传输进入2×1光纤耦合器继续在声光可调谐滤波器中发生声光互作用。
进一步地，测量光谱成像时，所述探测器为CCD或CMOS相机，探测器与计算机之间设有与二者分别连接的高速图像采集卡。
进一步地，测量衍射光强度时，所述探测器为光谱仪或光电倍增管；当探测器为光谱仪时，探测器与计算机直接相连，当探测器为光电倍增管时，探测器与计算机之间设有与二者分别连接的示波器。
进一步地，所述光纤为多模光纤。
进一步地，所述入射光束为紫外光、可见光或红外光。
进一步地，提供入射光束的光源为固定光源。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的高光谱成像装置从声光可调谐滤波器出射的0级透射光与经过偏振棱镜调制的入射的偏振方向相同，在反馈过程中使用多模光纤与2×1光纤耦合器相连，恰好可以与超声波在声光可调谐滤波器内再次发生声光互作用，使能量损耗减小，衍射光的强度增加，系统的衍射效率大幅提升。
2.本发明测量光谱成像时，探测器采用CCD或CMOS相机，在CCD或CMOS相机与计算机之间设置与二者分别连接的高速图像采集卡可实现光谱图像采集。测量衍射光强度时，将探测器更换成光谱仪或光电倍增管；采用光谱仪与计算机直接相连或光电倍增管加示波器与计算机相连，结构比较灵活。
3.本发明高光谱成像装置的入射光束既可以是紫外光，也可以是可见光或红外光，可调谐范围宽。
4、本发明中0级透射光的反馈过程采用多模光纤传输，抗干扰能力增强。
附图说明
图1是本发明基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置的结构示意图。
图中：1—第一光束准直系统；2—偏振棱镜；3—第一光纤耦合头；4—2×1光纤耦合器；5—第二光束准直系统；6—声光可调谐滤波器；7—射频驱动器；8—计算机；9—探测器；10—聚焦透镜；11—第二光纤耦合头；12—高速图像采集卡；13-光纤。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，包括设在入射光路上的第一光束准直系统1，所述入射光束为被测目标的反射、透射或者辐射光，入射光束经第一光束准直系统1准直后进入设在准直光路上的偏振棱镜2，经过偏振棱镜2后被准直光路前方的第一光纤耦合头3耦合进2×1光纤耦合器4中，从2×1光纤耦合器4出来的入射光被第二光束准直系统5准直后进入声光可调谐滤波器6中，所述声光可调谐滤波器6上连接有射频驱动器7，射频驱动器7与计算机8相连，由计算机8控制射频驱动器7产生高频超声波，所述高频超声波与经过第二光束准直系统5准直后的光束在声光可调谐滤波器6中发生声光互作用，声光互作用产生的衍射光被与声光可调谐滤波器6相连的探测器9接收，探测器9将获得的光谱成像图像或者衍射光强度传输至与探测器9相连的计算机8，0级透射光被聚焦透镜10聚焦到第二光纤耦合头11中，通过光纤13传输进入2×1光纤耦合器4继续在声光可调谐滤波器6中发生声光互作用。使能量损耗减小，衍射光的强度增加，系统的衍射效率大幅提升。
测量光谱成像时，探测器9采用CCD或CMOS相机，在CCD或CMOS相机与计算机之间设置与二者分别连接的高速图像采集卡12可实现光谱图像采集。测量衍射光强度时，将探测器9更换成光谱仪或光电倍增管；采用光谱仪与计算机直接相连或光电倍增管接示波器与计算机相连，结构比较灵活。
高光谱成像装置的入射光束既可以是紫外光，也可以是可见光或红外光，可调谐范围宽，抗干扰能力强。提供入射光束的光源可以是非固定光源，也可以是固定光源，如卤素灯、激光。将已知目标置于固定光源与第一准直系统之间，用来测量已知目标，如分辨率卡、动植物标本。
应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：包括设在入射光路上的第一光束准直系统(1)，入射光束经第一光束准直系统(1)准直后进入设在准直光路上的偏振棱镜(2)，经过偏振棱镜(2)后被准直光路前方的第一光纤耦合头(3)耦合进2×1光纤耦合器(4)中，从2×1光纤耦合器(4)出来的入射光被第二光束准直系统(5)准直后进入声光可调谐滤波器(6)中，所述声光可调谐滤波器(6)上连接有射频驱动器(7)，射频驱动器(7)与计算机(8)相连，由计算机(8)控制射频驱动器(7)产生高频超声波，所述高频超声波与经过第二光束准直系统(5)准直后的光束在声光可调谐滤波器(6)中发生声光互作用，声光互作用产生的衍射光被与声光可调谐滤波器(6)相连的探测器(9)接收，探测器(9)将获得的成像图像或者衍射光谱传输至与探测器(9)相连的计算机(8)，0级透射光被聚焦透镜(10)聚焦到第二光纤耦合头(11)中，通过光纤(13)传输进入2×1光纤耦合器(4)继续在声光可调谐滤波器(6)中发生声光互作用。
2.根据权利要求1所述的基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：测量光谱成像时，所述探测器(9)为CCD或CMOS相机，探测器(9)与计算机(8)之间设有与二者分别连接的高速图像采集卡(12)。
3.根据权利要求1所述的基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：测量衍射光强度时，所述探测器(9)为光谱仪或光电倍增管；当探测器(9)为光谱仪时，探测器(9)与计算机(8)直接相连，当探测器(9)为光电倍增管时，探测器(9)与计算机(8)之间设有与二者分别连接的示波器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述光纤(13)为多模光纤。
5.根据权利要求4所述的基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述入射光束为紫外光、可见光或红外光。
6.根据权利要求5所述的基于声光可调谐滤波器的能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：提供所述入射光束的光源为固定光源。
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