CN110763340B - 基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声光调制的双滤波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。该成像装置从第一声光可调谐滤波器出射的0级透射光传至第二2×1光纤耦合器中，从第一声光可调谐滤波器出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器与第二射频驱动器产生的高频超声波发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器出射的衍射光经过后置成像透镜组后被探测器接收，从第二声光可调谐滤波器出射的0级透射光通过液晶相位可变延迟器调制后进入第二2×1光纤耦合器中，两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器中，与光源入射光一起经过光束准直系统再次发生声光相互作用。

Description

基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置

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高光谱成像技术，具体涉及一种基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置。

背景技术

光谱成像遥感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。光谱成像遥感探测技术经过了二十几年的高速发展，已经形成了一门颇具特色的现代化学科。随着人们对大自然中事物的认识能力不断提升，对遥感探测技术的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，进而导致科技促使下的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可以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最直接的直观可视分析。相应，遥感图像所包含的高光谱分辨信息可以将探测目标的结构和化学层次意义更精确地传递给人类，特别是对于类似矿藏勘查、大自然植被精细组成监察、农作物长势估产、军事伪装目标辨识等应用领域具有重要的实用意义。

高光谱成像探测技术的基本原理是测谱学，然而测谱学最初在上世纪初是被应用于研究分子和原子的基本结构，经过六十多年的发展才逐渐形成了现在遥感领域中的高光谱成像技术。在实际的大气环境监控应用中，需要对被测目标进行详细深入地分析，然而多光谱遥感技术只能提供有限的几个或者几十个光谱波段，这远远不能够对目标进行准确的判断，也就不能满足实际需求，而高光谱成像技术可以获取到电磁波谱紫外、可见光、近红外、短波红乃至中长波外区域内大量连续的光谱信息，可以为被测目标的每个像元提供几十乃至几百个光谱宽度小于10nm的窄波段光谱数据，据此可以描绘出一条完整而且连续的光谱曲线，这也是高光谱成像技术高速发展的基本动因。

光谱成像仪中的核心部件——光束色散单元，直接决定着光谱成像仪的分辨率、成像质量等基本性能。光谱分辨率和衍射效率是声光可调谐滤波器的两个重要性能指标。在实际的应用中，总是希望拥有更高的光谱分辨率，而光谱分辨率与入射光波长的光谱带宽成反比，当入射光波长恒定时，光谱带宽与晶体内声光相互作用长度和入射角有关。而入射角已经被固定，所以在晶体的设计的过程中，通过增加声光相互作用长度，即延长压电换能器的长度就可以获得较窄的光谱带宽，然而，增加声光作用长度必然导致声光可调谐滤波器的孔径张角减小，这非常不利于光谱成像。所以，在设计声光可调谐滤波器的过程中，压电换能器长度必须根据波长调谐范围合理取值，也就是说，通过优化晶体参数去提升光谱分辨率已经受到很大的限制。为了克服上述矛盾，研究发现，入射光被两个串联的声光可调谐滤波器连续滤波两次，这样既达到了光谱带宽被压缩的目的又不减小孔径张角，即双滤波。利用这种办法可以大幅提高光谱分辨率，但是系统的衍射效率也会随之大幅降低，进而给光谱成像探测带来影响。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，尤其在弱光环境下，探测器上的成像质量或者衍射光谱强度都很弱，这种双滤波技术在实际的应用中就受到了极大的限制。

发明内容

本发明的目的在于解决现有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，提出一种基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置。

本发明的基本构思是：将两个声光可调谐滤波器串联放置，通过两个射频驱动器产生高频超生波与进入声光可调谐滤波器的入射光发生声光相互作用，然后将两次声光互作用后的0级透射光进行反馈补偿，再次参与声光互作用，从根本上克服双滤波衍射光强度弱的问题，可以大幅提高弱光环境下探测器上的成像质量和衍射光强度。

为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：

一种基于声光调制的双滤波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偏振棱镜，入射光经过偏振棱镜调制成线偏振光，线偏振光经过第一2×1光纤耦合器后进入前置光束准直系统，经前置光束准直系统准直进入第一声光可调谐滤波器，所述第一声光可调谐滤波器上连接有第一射频驱动器，第一射频驱动器与计算机相连，由计算机控制第一射频驱动器产生高频超声波与前置光束准直系统准直后的光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器中，从第一声光可调谐滤波器出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器，所述第二声光可调谐滤波器上连接有第二射频驱动器，第二射频驱动器与计算机相连，由计算机控制第二射频驱动器产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机连接的液晶相位可变延迟器调制后，进入第二2×1光纤耦合器中，从第二声光可调谐滤波器出射的衍射光经过后置成像透镜组后被探测器接收，探测器将获得的光谱成像或者衍射光强度传输至与探测器相连的计算机；两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器中，合束后的光与光源入射光一起经过前置光束准直系统再次发生声光相互作用。

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，还包括用于产生入射光的光源，所述光源为相干光源或非相干光源。

进一步地，所述光源是人造光源，或者远场目标的反射光或透射光或辐射光。

进一步地，所述光源上连接有光源强度控制器，所述光源强度控制器与计算机相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明高光谱成像装置从第一声光可调谐滤波器出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器中，从第一声光可调谐滤波器出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器，由计算机控制第二射频驱动器产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器出射的衍射光经过后置成像透镜组后被探测器接收，从第二声光可调谐滤波器出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机连接的液晶相位可变延迟器调制后，进入第二2×1光纤耦合器中，两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器中，合束后的光与光源入射光一起经过光束准直系统再次发生声光相互作用。入射光经过两个声光可调谐滤波器连续滤波两次，可以有效提高衍射光的光谱分辨率，通过合束光对入射光进行能量补偿解决了二次滤波带来的衍射光强度减弱的问题，在提高衍射效率的同时克服了探测困难的缺陷。解决了弱光环境下探测器上成像质量差或者衍射光谱强度弱的问题。

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.本发明的高光谱成像装置不局限于近场目标测试，也可以应用于远场目标测量。在近场实际样品的鉴别中，将被测样品置于前置准直系统与偏振棱镜之间，采用光源强度控制器调节入射光至合适强度对样品进行照射；在远场目标测试时，移除光源和强度调制器，来自远场目标的反射、辐射或者透射光被准直后进入系统发生声光互作用。

4.从第二声光可调谐滤波器出来的0级透射光是准单色光，经过液晶相位可变延迟器调制后，可以使其偏振方向旋转π/2，分别经过第二2×1光纤耦合器、第一2×1光纤耦合器后恰好可以在第一声光可调谐滤波器中发生声光互作用。

附图说明

图1是本发明基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置的结构示意图。

图中：1—光源；2—光源强度控制器；3—偏振棱镜；4—第一2×1光纤耦合器；5—前置光束准直系统；6—第一声光可调谐滤波器；7—第二声光可调谐滤波器；8—第一射频驱动器；9—第二射频驱动器；10—计算机；11—后置成像透镜组；12—探测器；13—高速图像采集卡；14—第二2×1光纤耦合器；15—液晶相位可变延迟器；16—液晶相位可变延迟器电压驱动。

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1，一种基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，包括光源1和设在光源1入射光路上的偏振棱镜3，所述光源可以是人造光源，也可以是远场目标的反射光、透射光或者辐射光；当光源为人造光源时，光源根据声光可调谐滤波器的需要进行调谐，其光谱范围可以是紫外、可见或者红外波段。光源1上连接有光源强度控制器2，所述光源强度控制器2与计算机10相连。入射光经过偏振棱镜3调制成线偏振光，线偏振光经过第一2×1光纤耦合器4后进入前置光束准直系统5，经前置光束准直系统5准直进入第一声光可调谐滤波器6，所述第一声光可调谐滤波器6上连接有第一射频驱动器8，第一射频驱动器8与计算机10相连，由计算机10控制第一射频驱动器8产生高频超声波与前置光束准直系统5准直后的光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器6出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器14中，从第一声光可调谐滤波器6出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器7，所述第二声光可调谐滤波器7上连接有第二射频驱动器9，第二射频驱动器9与计算机10相连，由计算机10控制第二射频驱动器9产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器6出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器7出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机10连接的液晶相位可变延迟器15，液晶相位可变延迟器电压驱动16控制液晶相位可变延迟器15对从第二声光可调谐滤波器7出射的0级透射光进行调制，使其偏振方向转过90°后进入第二2×1光纤耦合器14中，从第二声光可调谐滤波器7出射的衍射光经过后置成像透镜组11后被探测器12接收，探测器12将获得的光谱成像或者衍射光强度传输至与探测器12相连的计算机10；液晶相位可变延迟器15调制后的光与偏振棱镜3调制后的线偏振光偏振方向相同，从第一声光可调谐滤波器6出射的0级透射光也与偏振棱镜3调制后的线偏振光偏振方向相同，两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器14合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器4中，合束后的光与光源1入射光一起经过前置光束准直系统5再次发生声光相互作用。使进入成像装置前置光束准直系统5的入射光强度增加，衍射效率大幅提升，解决了弱光环境下探测器12上成像质量差或者衍射光谱强度弱的问题。

测量光谱成像时，探测器12采用CCD或CMOS相机，在CCD或CMOS相机与计算机10之间设置与二者分别连接的高速图像采集卡13可实现光谱图像采集。测量衍射光强度时，将探测器12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10相连，结构比较灵活。

在近场实际样品的鉴别中，将被测样品置于前置准直系统5与偏振棱镜3之间，采用光源强度控制器2调节入射光至合适强度对样品进行照射；本发明的高光谱成像装置不局限于近场目标测试，也可以应用于远场目标测量。在远场目标测试时，移除光源1和强度调制器2，来自远场目标的反射、辐射或者透射光被准直后进入系统发生声光互作用。

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)

1.一种基于声光调制的双滤波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偏振棱镜(3)，入射光经过偏振棱镜(3)调制成线偏振光，线偏振光经过第一2×1光纤耦合器(4)后进入前置光束准直系统(5)，经前置光束准直系统(5)准直进入第一声光可调谐滤波器(6)，所述第一声光可调谐滤波器(6)上连接有第一射频驱动器(8)，第一射频驱动器(8)与计算机(10)相连，由计算机(10)控制第一射频驱动器(8)产生高频超声波与前置光束准直系统(5)准直后的光发生声光相互作用，从第一声光可调谐滤波器(6)出射的0级透射光经光纤传输到第二2×1光纤耦合器(14)中，从第一声光可调谐滤波器(6)出射的衍射光进入第二声光可调谐滤波器(7)，所述第二声光可调谐滤波器(7)上连接有第二射频驱动器(9)，第二射频驱动器(9)与计算机(10)相连，由计算机(10)控制第二射频驱动器(9)产生高频超声波与第一声光可调谐滤波器(6)出射的衍射光发生声光相互作用，从第二声光可调谐滤波器(7)出射的0级透射光通过光纤传输至与计算机(10)连接的液晶相位可变延迟器(15)调制后，进入第二2×1光纤耦合器(14)中，从第二声光可调谐滤波器(7)出射的衍射光经过后置成像透镜组(11)后被探测器(12)接收，探测器(12)将获得的光谱成像或者衍射光强度传输至与探测器(12)相连的计算机(10)；两束0级透射光经过第二2×1光纤耦合器(14)合束后由光纤传输到第一2×1光纤耦合器(4)中，合束后的光与光源入射光一起经过前置光束准直系统(5)再次发生声光相互作用。

2.根据权利要求1所述的基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述探测器(12)为CCD或CMOS相机，探测器(12)与计算机(10)之间设有与二者分别连接的高速图像采集卡(13)。

3.根据权利要求1所述的基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述探测器(12)为光谱仪或光电倍增管；当探测器(12)为光谱仪时，探测器(12)与计算机(10)直接相连，当探测器(12)为光电倍增管时，探测器(12)与计算机(10)之间设有与二者分别连接的示波器。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：还包括用于产生入射光的光源(1)，所述光源(1)为相干光源或非相干光源。

5.根据权利要求4所述的基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述光源(1)为人造光源，或者远场目标的反射光、透射光或辐射光。

6.根据权利要求5所述的基于声光调制的双滤波能量反馈型高光谱成像装置，其特征在于：所述人造光源上连接有光源强度控制器(2)，所述光源强度控制器(2)与计算机(10)相连。

Images